Clase digital 1: Introducción

Introducción

Introducción

¡Hola! 

Espero que te encuentres muy bien de salud y con mucho ánimo por empezar un nuevo reto, por lo cual te invito a participar en este curso  denominado Termodinámica. En esta clase quiero que sepas que uno de los objetivos principales en Termodinámica, es la comprensión de los fenómenos físicos mediante leyes que existen y que rigen a los mismos. ¿Te has preguntado por qué el agua se evapora? ¿A qué presión coexiste un fluido en un recipiente cuando su temperatura es la del ambiente? Estas preguntas pueden ser respondidas mediante la comprensión de fenómenos físicos. 

El modelado de fenómenos físicos es una de las áreas que la Termodinámica como ciencia en ingeniería aborda de manera objetiva. La interpretación de un fenómeno físico se alcanza mediante el uso de la Termodinámica. La evaporación de una sustancia, el congelamiento del agua, el cambio de fase de un fluido, son fenómenos físicos que por medio de la Termodinámica se pueden comprender. Es así que, en este primer capítulo, se presentan los métodos y herramientas para la identificación de los diferentes fenómenos físicos que existen cuando se utilizan fluidos como medio de generación de energía. 

Además, se abordarán algunos métodos esenciales para la solución de problemas y se presentarán conceptos básicos que se relacionan directamente con las propiedades de los fluidos, sus características físicas, así como la nomenclatura apropiada para la identificación de variables generales que en Termodinámica se utilizan a menudo. El cálculo de la presión en un fluido, las unidades de medida de variables físicas típicamente utilizadas en Termodinámica y las unidades de medida con que se designan las propiedades termofísicas de una sustancia, son entre otras, las que se revisarán en este capítulo.

Vamos pues a iniciar con este primer tema, en donde seguramente encontrarás información que no conocías y tendrás respuesta a preguntas técnicas relacionadas con el comportamiento de los fluidos que quizá te hacías antes de tomar este curso. ¡Disfrútalo!

Desarrollo del tema

La Termodinámica como ciencia, es de gran ayuda en el área de ingeniería. Muchos de los fenómenos físicos que se presentan en la industria y, en general, en la vida cotidiana pueden ser modelados mediante el uso de la Termodinámica. De acuerdo a Cengel&Boles (2019), la palabra Termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), por lo que esta ciencia se relaciona directamente con la forma de convertir calor en energía.

En esta definición, se introducen los conceptos de calor y trabajo, los cuales serán profundizados en sesiones más adelante. Por el momento se deberá tener en cuenta que, tanto el calor como el trabajo, son variables energéticas que se estudian en Termodinámica desde diferentes escenarios. 

En lo que respecta a las propiedades de la sustancia, éstas son las características únicas que exhiben los compuestos bajo condiciones de presión y temperatura específicas.

Antes de comenzar con la descripción de los fenómenos físicos, es importante tener en cuenta que la Termodinámica se divide en dos grandes áreas, las cuales se muestran en la Figura 1.

La Termodinámica Estadística se encarga de estudiar los cambios físicos que ocurren en la materia a nivel micro o molecular, mientras que la Termodinámica Clásica estudia los cambios físicos en la materia a nivel macro (como las máquinas por ejemplo).

En este curso se estudiarán los cambios físicos que ocurren en la materia a nivel macro, dejando para otro curso el comportamiento de las sustancias a nivel micro.

Propiedades de la sustancia

Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. A continuación se mencionan algunos de los conceptos básicos que se deberán entender para poder seguir adelante con el curso:

• SUSTANCIA. Materia o compuesto cuya característica principal es mantenerse estable y homogénea.
• PROPIEDADES INTENSIVAS. Son aquellas independientes de la masa de un sistema, por ejemplo: la temperatura, la presión o la densidad.
• PROPIEDADES EXTENSIVAS. Son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema, por ejemplo: la masa total, el volumen total, la cantidad de movimiento, entre otras.
• PROPIEDADES ESPECÍFICAS. Se refieren a las propiedades extensivas por unidad de masa, por ejemplo: volumen específico, entalpía específica, energía interna específica, entre otras.
• EQUILIBRIO TÉRMICO. Cuando dos sistemas diferentes interactúan entre sí, se encuentran a la misma temperatura.

Algunas de las propiedades más utilizadas en Termodinámica son las siguientes:

En general, estas propiedades ayudan en mucho para poder conocer la geometría de un sistema, por ejemplo: La densidad ayuda para saber si las tuberías de un circuito tienen un diámetro grande o pequeño. Si la densidad del fluido es alta, las tuberías tendrán un volumen pequeño considerando que la masa del fluido sería constante. Por otro lado, si la presión que se maneja en el sistema es alta, las paredes de la tubería, tanques o donde se vaya a transportar el fluido, deben ser lo suficientemente robustas para resistir esa presión. 

En el caso de la temperatura, las escalas que se manejan, además de la temperatura absoluta dada en Kelvin, son:

• Escala Rankine
• Escala Farenheit

Ambas, pueden ser utilizadas en función de la temperatura en Celsius. A continuación, se presentan las ecuaciones que se utilizan para estas escalas:

La presión es la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Existen diferentes tipos de presión, siendo las más comunes la barométrica, la manométrica, la de vacío, la atmosférica y la absoluta. De manera general la presión en un fluido se puede determinar como:

Existen diferentes unidades de medida para la presión, por ejemplo, se puede medir en Pascales (Pa), milímetros de mercurio (mmHg), bar, libras sobre pulgada cuadrada (psig), por mencionar algunas. 

Otra forma común para el cálculo de la presión de un fluido en función de la altura de éste es:

A partir de estas propiedades básicas (Temperatura y Presión), es posible determinar el estado termodinámico de una sustancia y con ello modelar fenómenos físicos, ya que, a nivel experimental, tanto la temperatura como la presión se pueden obtener de manera muy sencilla mediante el uso de instrumentos como termómetros, termopares, sensores de presión, manómetros, por mencionar algunos. 

Método para solución de problemas

La solución de problemas en ingeniería es una actividad muy común. En el área de Termodinámica, estos problemas son enfocados al comportamiento de un sistema cuando éste experimenta cambios en temperatura y presión. Es así que, el método más utilizado para una solución a los problemas se resume en estos sencillos pasos:

1. Comprensión del fundamento físico del problema. ¿Qué fundamento físico se adhiere al enunciado del problema y permita entender el enunciado? Por ejemplo, cuando hablamos de cambios de estado, el fundamento físico puede ser la evaporación o la ebullición de la sustancia. Si se comprende el fundamento, el problema se vuelve más sencillo.
2. Apoyo de un esquema. Es importante siempre tener un esquema de la situación. Si el problema no lo tiene, será tu tarea formular un esquema o bosquejo de la situación, de manera que éste te permita hacer una relación de la información con la que cuentas y de la información que necesitas para el planteamiento del problema.
3. Suposiciones. En varios casos se hacen supuestos. Cuando el problema no es tan claro, es necesario suponer cosas que son comunes, por ejemplo, cuando no se hace referencia al valor de la presión atmosférica, es común utilizar 1 atm como base para este parámetro, suponiendo que no hay variación en la presión del sistema.  Sin embargo, también es necesario considerar que la presión disminuye con la altura.
4. Leyes físicas. Es necesario conocer las leyes que se pueden aplicar a la solución del problema, para ello será necesario antes de iniciar con la solución del mismo, repasar conceptos, ecuaciones y valores que se utilizan normalmente cuando se hace uso de leyes físicas.
5. Propiedades. Las propiedades son de gran importancia para obtención de los estados termodinámicos en los que se encuentra la sustancia, para ello, hay herramientas como Tablas Termodinámicas o software especializado, los cuales permiten el cálculo de propiedades mediante al menos dos propiedades físicas.
6. Cálculos. En esta etapa es importante que no haya errores algebraicos, por ello, debes tener cautela al momento de despejar alguna ecuación o incluso de sustituir un valor. Es un error común que se multipliquen mal los signos o que hayas realizado de manera incorrecta una suma, resta, multiplicación o división. También es necesario que tengas la habilidad de saber redondear cifras ya que con ello, se reducirán errores significativos en los resultados.
7. Razonamiento, comprobación y análisis. En esta etapa, debes ser capaz de razonar si los resultados están correctos. Por ejemplo, si al determinar el valor de una propiedad termofísica como la densidad, el valor obtenido es negativo, deberás ser capaz de analizar el por qué estás obteniendo este resultado, ya que una densidad negativa no existe en la vida real.  De igual manera, para variables como el tiempo, el costo, el tamaño de una dimensión en un sistema, son variables que no pueden ser negativas, por lo que los resultados obtenidos deberán apegarse a valores positivos en un principio.

A manera de complemento, se recomienda al estudiante revisar los siguientes videos:

Ejercicio resuelto

A continuación, se presenta un ejercicio resuelto a manera de que puedas comprender un poco más la aplicación de las ecuaciones mostradas en este tema.

EJEMPLO 1. Determina la presión atmosférica en un lugar donde la lectura barométrica es 740 mmHg y la aceleración de la gravedad es 9.81 m/s². Suponga la temperatura del mercurio de 10°C y su densidad de 13570 kg/m³. 

Solución: En el ejercicio se proporcionan como valores los siguientes:

Presión atmosférica = 740 mmHg
Aceleración de la gravedad = 9.81 m/s²
Temperatura del mercurio = 10°C
Densidad del mercurio = 13570 kg/m³

Con estos datos, se retoma el concepto de presión de una sustancia en función de la altura, ya que se menciona que se quiere conocer la presión en un lugar, dicho lugar debe tener una latitud y una altura sobre el nivel del mar, por lo que la ecuación a utilizar será la ecuación (8), y la respuesta a este problema será de la siguiente manera:

P = (13570)(9.81)h

En este problema, la altura debe darse en metros y tenemos la lectura de la presión barométrica como 740 mm Hg, por lo que es necesario convertir estos 740 mmHg a metros, es decir,

740 mmHg = 0.74mHg

Sustituyendo este valor en la ecuación de la presión se obtiene:

P= (13570)(9.81)(0.74) = 98500 Pa, o lo que es lo mismo P = 98.5 kPa.

Nota. Se debe tomar en cuenta que la densidad cambia con la temperatura, por lo que si la temperatura del mercurio cambia, la presión también lo hará, ya que la densidad tendrá una variación.

Conclusión

En conclusión, las propiedades termodinámicas son de gran ayuda para la determinación de los estados termodinámicos de las sustancias. Es así que, para poder modelar el comportamiento de un fluido, es necesario tener bien en claro ciertas definiciones. En esta primera clase se revisaron conceptos como densidad, volumen específico, presión y temperatura. También se mostraron algunos conceptos que se deben tener siempre presentes al momento de abordar un problema, así como la metodología para la solución de problemas en ingeniería.

Es importante mencionar la importancia que las propiedades termodinámicas representan en el tratamiento de problemas que conllevan el uso de Termodinámica. Los conceptos revisados aquí, deberán profundizarse mediante la realización de los ejercicios que se proponen como consigna al término de esta primera clase.

Tomando en cuenta lo revisado en este primer bloque, se llega a la conclusión particular de que la temperatura y la presión son variables fundamentales para poder conocer el comportamiento de una sustancia, en primera instancia, se mencionó que la densidad varía con respecto a la temperatura, y además, la presión también tiene una variación respecto a misma variable, razón por la cual se debe entender la importancia de la temperatura en los fenómenos físicos que se tienen en la vida real.

Para finalizar con este apartado, deberás dar lectura a los capítulos que se mencionan a continuación, como complemento a lo que se abordó en esta clase. También resulta importante que resuelvas las consignas que se asignan para el reforzamiento de esta clase. Nos encontramos en la siguiente sesión.

Fuentes de información

• J. Moran Michael, N. Shapiro Howard, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 6th Edition, John Willey & Sons, Inc, 2008.
• Yunus A. Cengel, A. Boles Michael, Kanoglu Mehmet, Termodinámica, 9a. Edición, McGrawHill Editores, 2019.