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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
1
CONCEPTOS DE TERMODINAMICA
La termodinámica estadística: se basa en el estudio del
comportamiento de cada molécula del sistema.
1.1
INTRODUCCIÓN
Como sabemos la termodinámica se refiere a la energía;
indispensable para los seres vivos, además tiene diferentes
aplicaciones en distintos procesos que se llevan a cado
diariamente.
La termodinámica es una teoría de una gran generalidad,
aplicable a sistemas de estructura, muy elaborada con
todas las formas de propiedades mecánicas, eléctricas y
térmicas complejas. El sistema termodinámico más simple
se compone de una masa fija de un fluido isotrópico puro
no influenciado por reacciones químicas o campos
externos. Tales sistemas se caracterizan por las tres
coordenadas mensurables: presión P, volumen V y
temperatura T y se llaman sistemas PVT.
Las industrias de proceso siempre han reconocido que
desperdiciar energía reduce las ganancias, pero durante la
mayor parte del siglo XX el costo de la energía constituyo
casi una parte insignificante del costo total del proceso y se
toleraban graves ineficiencias operacionales. En la década
de 1970, el drástico aumento en el precio del gas natural y
el petróleo elevo el costo de la energía en gran proporción
e intensifico la necesidad de eliminar el consumo
innecesario de la misma. Si una planta utiliza más energía
que sus competidores, es posible que sus productos
queden fuera de precio en el mercado.
Una de las tareas principales del ingeniero al diseñar un
proceso consiste en justificar con cuidado la energía y
materia que entra y sale de cada unidad de proceso y
determinar los requerimientos energéticos totales para
este. Para ello, recurre a escribir los balances de energía de
manera muy similar a los balances de materia que se
describen para explicar los flujos de masa que entran y
salen del proceso y sus unidades.
1.2
CONCEPTOS TERMODINAMICOS
TERMODINAMICA: Rama de la física que estudia las
interacciones de energía y la entropía.
La termodinámica clásica: se ocupa de la energía y sus
transformaciones en los sistemas desde un punto de vista
macroscópico.
Sus interacciones solo ocurren en un solo sentido del
cuerpo más caliente al cuerpo más frio.
Aunque todos tenemos una idea de este concepto, es
difícil da una definición precisa de él. La energía es la
capacidad para producir cambios en la naturaleza.
La palabra termodinámica proviene de los vocablos
griegos:
Termos: calor
y
Dynamics : potencia
Entonces la termodinámica describe los primeros
esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy día el
mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y
sus transformaciones, incluidas la producción de potencia,
la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la
materia.
1.3
Sistemas:
Un sistema termodinámico, es una
cantidad de materia o una región
en el espacio elegida para estudio.
La masa o región fuera del sistema
recibe el nombre de alrededores. La superficie real o
imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se
llama la frontera.
Los sistemas pueden ser:
Sistema abierto: Por lo común
encierra a un dispositivo que
comprende un flujo de masa como
un compresor, una turbina o una
tobera,
Se puede intercambiar tanto energía como materia entre
el sistema y los alrededores.
Ejemplo: Un calentador de agua, se quiere determinar
cuánto calor se debe transferir al agua que está en el
tanque para suministrar un flujo permanente de agua
caliente.
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Sistema cerrado: Consiste en una
cantidad fija de masa, ninguna
masa puede entrar o abandonar
un sistema cerrado. Pero la
energía, en forma de calor o
trabajo, puede cruzar la frontera. El volumen de un
sistema cerrado no tiene que ser fijo.
Se puede intercambiar energía entre el sistema y los
alrededores pero no materia.
Sistema aislado: no se puede
intercambiar ni energía ni
materia entre el sistema y los
alrededores.
1.3.1
Fronteras:
Los sistemas interactúan con los alrededores
intercambiando energía y materia. Los intercambios de
energía pueden ser en forma de calor (q) y trabajo (W).
Estos intercambios energéticos hacen variar la cantidad de
energía total del sistema, su energía interna (U).
Pared adiabática: cuando la transferencia de calor es nula
entre el sistema y los alrededores.
La frontera de un sistema es fija o móvil, la frontera es
la superficie de contacto compartida tanto por el sistema
como por los alrededores.
Si la frontera es fija la transferencia de energía en forma de
Trabajo mecánico es nula.
Extensivas :
Intensivas :
Dependen de la
cantidad
de
materia
No dependen
de la cantidad
de materia
Masa
Volumen
Peso
Corriente eléctrica
Densidad
Temperatura de ebullición
Temperatura de fusión
Conductividad eléctrica
Índice de refracción
Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman
propiedades específicas. Algunos ejemplos de propiedades
específicas son el volumen especifica v=V/m.
1.5
1.5.1
Estado y equilibrio
Estado
El conjunto dado de propiedades del sistema en un
momento dado. El estado de un sistema no depende de la
forma o la configuración del sistema sino sólo de sus
propiedades intensivas como la temperatura (T), la presión
(P) y la composición.
En un estado dado, todas las propiedades de un sistema
tienen valores fijos. Si el valor de alguna propiedad cambia,
el estado cambiará a uno diferente.
Estado 1: m1=2 kg, T1=20 ºC y V1=1.5 m3
Estado 2: m2=2 kg, T2=20ºC y V2=2.5m3
La termodinámica estudia estados en equilibrio. La palabra
equilibrio implica un estado de balance. En un estado de
equilibro no hay potenciales desbalanceados dentro del
sistema. Un sistema que está en equilibrio no experimenta
cambios cuando se encuentra aislado de sus alrededores.
Hay muchos tipos de equilibrio y un sistema está en
equilibrio termodinámico si las condiciones de todos los
tipos relevantes de equilibrio se satisfacen.
1.4
Propiedades de un sistema:
Cualquier característica de un sistema se denomina
propiedad. Algunos ejemplos son la presión P, la
temperatura T, el volumen V y la masa (n).
Las propiedades
Propiedades intensivas y extensivas:
Las propiedades intensivas: son aquellas cuyo valor
numérico no dependen de la cantidad de sustancia
empleada para medirlas.
Las propiedades extensivas: son aquellas cuyo valor
numérico varía con la cantidad de sustancia o masa
empleada para medirlas.
1.5.2
Equilibrio térmico:
Un sistema está en equilibrio térmico si la temperatura es
la misma en todo el sistema. El sistema no implica
diferenciales de temperatura, que son la fuerza
accionadota del flujo térmico.
Equilibrio mecánico: se relaciona con la presión y un
sistema está en equilibro mecánico si no hay cambio en la
presión en ningún punto del sistema.
Equilibrio fase: Si un sistema implica dos fases, se
encuentra en equilibrio cuando la masa de cada una de las
fases permanece constante.
Equilibrio químico: cuando la composición química del
sistema no cambia con el tiempo, no ocurren reacciones
químicas.
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Qsistema  Qalrededores  0
Un sistema se encuentra en equilibrio si se satisfacen
todos los criterios relevantes de equilibrio.
1.6
Cualquier cambio que experimente un sistema de un
estado de equilibrio a otro, se llama proceso, y la serie de
estados por la cual pasa un sistema durante un proceso
recibe el nombre de trayectoria del proceso.
Para describir por completo un proceso, deben
especificarse sus estados iniciales y final, así como la
trayectoria que sigue y las interacciones con los
alrededores.
El proceso cuasiestático es un proceso en el cual el sistema
permanece infinitesimalmente cercano a un estado de
equilibrio.
Ejemplo:
Los diagramas de proceso que se grafican a partir de
propiedades termodinámicas, como coordenadas son muy
útiles en la visualización del proceso. Algunas propiedades
comunes que se utilizan como coordenadas son la
temperatura (t), presión (p) y el volumen V,
La trayectoria del proceso indica una serie de estados de
equilibrio, por los cuales pasa el sistema durante un
proceso y tiene importancia solo para los procesos de
cuasiequilibrio.
El prefijo ISO se emplea para designar un proceso en el
cual permanece constante una propiedad particular.
Proceso isotérmico: temperatura constante
Proceso isobárico: Presión es constante
Procesos Isocórico: Volumen constante, entonces el W=0
Propiedades termodinámicas no dependen
trayectoria.
El trabajo y el calor si dependen de la trayectoria.
de
Así, el calor que pierde un sistema lo ganan sus
alrededores y viceversa.
1.8
ENERGIA DE UN SISTEMA CERRADO
La energía total de un sistema cerrado se integra por la
energía cinética, potencial e interna y se expresa como:
E  U  EC  EP  U 
m *V 2
 m * g * z (kJ )
2
Las formas anteriores de energía constituyen la energía
total de un sistema y pueden contenerse o almacenarse en
él de esa forma es posible que se vean como forma
estáticas de energía.
1.9
La primera ley de la termodinámica:
Un sistema termodinámico posee una cierta energía que
llamamos energía interna (U), debida a la propia
constitución de la materia (enlaces de la moléculas,
interacciones entre ellas, choques térmicos....). Por lo
tanto, la energía total de un sistema es la suma de su
energía interna, su energía potencial, su energía cinética, y
la debida al hecho de encontrarse sometido a la acción de
cualquier campo.
Puesto que la energía interna del sistema se debe a su
propia naturaleza, a las partículas que lo constituyen y la
interacción entre ellas, la energía interna es una
propiedad extensiva del sistema.
La energía interna de un sistema se puede modificar de
varias maneras equivalentes, realizando un trabajo o
transfiriendo energía en forma de calor.
Un sistema se somete a un ciclo si al término del proceso
regresa a su estado inicial. En un ciclo los estados inicial y
final idénticos.
1.7
Qsistema  Qalrededores
Procesos y ciclos
la
Ley de de la conservación de la energía:
En las interacciones entre un sistema y sus alrededores, la
energía total permanece constante, La energía ni se crea
ni se destruye!!
Si variamos la energía interna de nuestro sistema, la
primera ley de la termodinámica nos dice, que esta
variación viene acompañada por la misma variación de
energía, pero de signo contrario en los alrededores. De
modo que la energía total del sistema más el entorno,
permanece constante. La energía del Universo permanece
constante. La energía ni se crea ni se destruye, sólo se
transforma.
La forma de expresar esta ley, centrándonos en el estudio
del sistema cerrado, es:
La
energía
interna
es
una
función
de
estado
; y como tal su variación solo depende del
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estado inicial y del estado final y no de la trayectoria o
camino seguido para realizarlo.
y la realización por el sistema de un de trabajo equivalente
sobre el entorno”.
1.10 Segundo Principio de la Termodinámica
Importante
Teóricamente la conversión total de calor en trabajo es
posible, lo imposible es diseñar una máquina que convierta
totalmente el calor en trabajo y que pueda operar de
forma cíclica.
Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce
un aumento de entropía del universo”
En el siglo XIX a partir del trabajo de Carnot sobre el
rendimiento de las máquinas de vapor, se obtuvo la
expresión
matemática
que
permite
medir
cuantitativamente la tendencia de los sistemas a
evolucionar, y en qué sentido lo hacen, es decir, el cambio
de entropía:
Las unidades en las que se mide S son J/K. La entropía es
una función de estado.
En cualquier proceso ΔS se determina midiendo el Q que
se transferiría en un proceso isotérmico reversible que
conectara el estado final (2) y el estado inicial (1). Esto
implica que si el proceso es irreversible el Q transferido no
nos permite evaluar directamente ΔS, por otra parte si el
proceso no es isotérmico, la integral tampoco es
inmediata.
Si el sistema termodinámico está en equilibrio con sus
alrededores, no hay cambio en el sistema ni en los
alrededores, por tanto ΔSsistema = - ΔS alrededores
Como consecuencia: A la expresión
como desigualdad de Clausius
se le conoce
Si imaginamos el proceso
reversible e isotérmico
esquematizado
anteriormente, en el que
se
hace
una
transferencia de Q desde
la fuente hacia el sistema
(gas ideal encerrado en
un embolo con un pistón
móvil),
el
gas
se
expandirá realizando el
W equivalente, pero si
no se enfría de nuevo el gas, el pistón no vuelve a la
posición inicial, con lo que la máquina no funciona de
modo continuo, (el pistón se saldrá del cilindro).
El rendimiento (o eficiencia) de la máquina, es la fracción
de energía útil (trabajo) que se obtiene a partir de la
energía consumida.
Existen muchos tipos de máquinas térmicas sencillas, que
se diferencian en el tipo de etapa/s en el que se toma
energía de la fuente, se cede energía al foco frío y/o se
realiza el trabajo. La máquina más sencilla sería la llamada
máquina reversible de Carnot, constituida por dos etapas
isotérmicas y dos adiabáticas.
Al calcular el rendimiento de una máquina de Carnot se
1.11 Entropía y rendimiento de máquinas térmicas
Puesto que la introducción del
concepto de entropía surge del
estudio del rendimiento de las
máquinas
de
vapor
(esquematizada en la figura),
uno de los posibles enunciados
del segundo principio es: “Es
imposible que un sistema realice
un proceso cíclico cuyos únicos efectos sean la
transferencia de calor desde una fuente térmica al sistema,
obtiene que:
lo que se ha
enunciado cómo el Segundo Principio de Termodinámica.
1.12 BIBLIOGRAFÍA
 Abbott,
M.M.,
Vanness,
H.C.,
(1991):
Termodinámica. 2a. ed. México: McGraw-Hill.
 Callen, H.B., (1985): Thermodynamics. New York:
Wiley & Sons.
 Reif, F., (1983): Berkeley physics course - volumen
5. Barcelona: Reverté.
 Grupo Noriega Editores, principios elementales de
los procesos químicos, Mexico 95.