El objetivo es desarrollar la comprensión básica de los siguientes conceptos:
- Energía interna y Primera ley de la termodinámica
- El proceso cíclico y arbitrario de un sistema
- Reversibilidad e irreversibilidad
- Entropía y entalpía
- Segunda ley de la termodinámica
Energía interna y primera ley de la termodinámica
Cuando la energía de una molécula dentro de un sistema se asocia con la propiedad del sistema, entonces se denomina Energía Interna (u).
La energía no se crea ni se destruye y, en base a este sistema principal, la energía interna (u) cambia cada vez que la energía cruza el límite del sistema.
Así pues, la primera ley de la termodinámica puede expresarse como se indica a continuación cuando el calor/trabajo interactúa con el sistema.
En la ecuación anterior, u es la energía interna por unidad de masa y q y w son el calor y el trabajo por unidad de masa respectivamente. La convención de signos adoptada en la ecuación anterior es:
dq > 0 (considerado como positivo) Transferencia de calor al sistema
dq < 0 (considerado como negativo) Transferencia de calor del sistema dw > 0 (considerado como positivo) trabajo realizado por el sistema
dw < 0 (considerado como negativo) trabajo realizado en el sistema
Proceso cíclico y arbitrario de un sistema
Una de las formas importantes de la primera ley de la termodinámica se obtiene cuando
Integramos la ecuación anterior para un proceso cíclico.
Un sistema que se dice que está en proceso cíclico, cuando después de sufrir cambios aleatorios a causa del calor/trabajo vuelve a su estado original.
Los puntos a considerar son:
- La integración de cualquier diferencial de propiedad estatal es la diferencia de sus límites.
- El estado final es el mismo que el original y no hay cambios en la energía interna del sistema.
Así que cuando
El estado inicial y final de la energía interna en la ecuación anterior está representado por i y f. Sustituyendo lo anterior en la ecuación (1) entonces,
La ecuación (2) es la representación de la integral de todo el trabajo realizado por el sistema o el trabajo neto realizado por el sistema es igual a la integral de toda la transferencia de calor al sistema. Ingeniería termodinámica explora más a fondo los conceptos de sistemas y procesos.
Proceso arbitrario de un sistema
Es el resultado de la Primera ley de la termodinámica y está relacionado con la ecuación (1) si un sistema implica un proceso arbitrario.
En esta ecuación q y w son el calor neto transferido y el trabajo neto del proceso respectivamente, mientras que uf y ui son los valores finales e iniciales de la energía interna(u). En un sistema adiabático rígido y aislado (w = 0, q = 0), entonces su energía interna(u) permanece sin cambios. Entonces a partir de la ecuación(2) de un proceso cíclico.
Reversibilidad e irreversibilidad
Se dice que un sistema está en proceso cuando su estado inicial cambia a su estado final. Propiedades como la presión, el volumen, la entalpía, la temperatura, la entropía, etc. cambian durante un proceso termodinámico. La segunda ley de la termodinámica clasifica los procesos bajo dos encabezamientos
- Procesos ideales o reversibles
- Procesos naturales o irreversibles
Si las variaciones de temperatura (t) y presión (p) son infinitesimales en un sistema, que se está sometiendo a un proceso, entonces el proceso se puede denominar como estados de casi equilibrio o de aproximación a la reversibilidad.
Se dice que el proceso es reversible, internamente si el estado original se almacena en dirección inversa.
Se dice que el proceso es un entorno externamente reversible que acompaña al cambio y que también puede ser revertido en secuencia.
El proceso reversible es aquel que es reversible tanto interna como externamente.
Para medir el éxito de un proceso real, los profesionales utilizan el proceso reversible como medida para comparar y acercar los procesos reales y efectivos a la reversibilidad, reduciendo las pérdidas para aumentar la eficiencia de los procesos.
Irreversibilidad
Cuando los procesos reales no cumplen los requisitos de reversibilidad, entonces los procesos se denominan irreversibles.
En un proceso irreversible, el estado inicial del sistema y sus alrededores no puede ser devuelto al estado inicial desde el estado final. La entropía del sistema aumenta bruscamente en el proceso irreversible y el valor no puede ser devuelto al valor inicial desde el valor final.
La irreversibilidad persiste debido a la variación de la presión, la composición, la temperatura, la composición principal causada por la transferencia de calor, la fricción en sólido y líquido, la reacción química. Los profesionales están ocupados en poner sus esfuerzos para reducir los efectos de la irreversibilidad en los procesos y mecanismos.
Entropía y entalpía
Al igual que la energía interna, la Entropía y la Encia son propiedades termodinámicas. La entropía está representada por el símbolo s y el cambio de entropía s en kJ/kg-K. La entropía es un estado de desorden. La entropía es el tema de la segunda ley de la termodinámica que describe el cambio de entropía en el sistema y el entorno con respecto al Universo.
La entropía se define como la relación entre la transferencia de calor y la temperatura absoluta en un sistema para una trayectoria termodinámica reversible.
Donde, qrev denota la transferencia de calor a lo largo de un camino reversible.
La entalpía (h) es propiedad del estado y se define como,
Donde, h es la entalpía específica, u es la energía interna específica, v es el volumen específico, p es la presión.
De, la ecuación (1)
Por lo tanto
Al diferenciar la ecuación (4) y sustituirla en la ecuación anterior, entonces
Las dos ecuaciones anteriores están relacionadas con los cambios en la entropía de los procesos reversibles debido a los cambios en la energía interna y el volumen en la primera, y con el cambio en la entalpía y la presión en la ecuación posterior.
Dado que todas las cantidades en estas dos ecuaciones son propiedades del estado, por lo tanto la entropía es también una propiedad termodinámica.
Segunda ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica es conocido por describir sus límites en el universo en términos de lo que el universo puede hacer. 2y La ley trata más sobre cómo tratar las ineficiencias, el decaimiento y la degeneración.
Realizamos actividades en nuestra vida diaria que por naturaleza implican procesos ineficientes e irreversibles.
La segunda ley de la termodinámica puede expresarse más convenientemente con respecto a la entropía:
La entropía definida como el cambio infinitesimal en la entropía de un sistema (dS) es la relación entre la cantidad medida de calor que ha entrado en el sistema cerrado (dqrev) y la temperatura común (T) en el punto en el que tuvo lugar la transferencia de calor.
La segunda ley de la termodinámica establece que el cambio de entropía se considera no negativo.
O
La energía del universo se está moviendo gradualmente hacia el estado de desorden
