Clase digital 2: Cinemática y dinámica

Cinemática y dinámica

Introducción

¡Hola! 

Es un gusto tenerte en esta segunda sesión denominada Cinemática y dinámica del curso Termodinámica. Ahora que ya conoces la importancia de las propiedades termofísicas como la temperatura y la presión, es momento de revisar algunos temas de manera particular que, en general, son muy importantes a la hora de estudiar la Termodinámica. En esta clase, se revisarán los temas:

• Sistemas
• Propiedades y estados
• Procesos

Siendo el primero de ellos el enfocado al estudio de sistemas termodinámicos en general. Por otro lado, se estudiarán otras propiedades termofísicas como la energía interna, la entalpía y entropía. Finalmente, la aplicación de estas propiedades en la definición de estados termodinámicos los cuales requieren el uso del principio de estado, mismo que se revisará a detalle en esta misma sesión.

Los procesos por los cuales pasa una sustancia serán revisados a partir del conocimiento de los estados termodinámicos. Conocerás el diagrama de fases para el agua, el cual es el fluido más utilizado en aplicaciones en ingeniería y podrás darte cuenta de los estados por los cuales pasa este fluido cuando las propiedades de temperatura y presión cambian. Las aplicaciones que se tienen para el agua son bastas y como ejemplo se tienen: generación de energía, conservación de alimentos, condiciones de confort, entre otras. En cada aplicación, el agua se utiliza en diferentes estados termodinámicos y de esta manera, es posible caracterizar el sistema con base a un desempeño, el cual se revisará en la sesión 3.

Te invito a adentrarte en este apasionante tema y descubras las bondades que tiene el conocer un proceso para ser implementado en sistemas en la vida real.

Empecemos la clase. ¡Te deseo el mejor de los éxitos!

Desarrollo del tema

Sistemas

Una de las aplicaciones de la Termodinámica es para la determinación de los estados por los cuales pasa una sustancia. Generalmente, los estados termodinámicos en un sistema se presentan cuando se tiene al menos dos propiedades. A continuación, se describen algunos conceptos que seguramente has escuchado alguna vez, pero que quizá no te preguntabas su significado:

• Sistema: Es la cantidad de materia o una región en el espacio elegida para su análisis.
• Sistema termodinámico: Es una región del espacio dentro de la cual existen diferentes componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa.
• Alrededores: Es la masa o región fuera del sistema.
• Frontera: Se trata de la superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores.
• Sistema adiabático: Aquel en el que la transferencia de energía con los alrededores es NULA.
• Sistema aislado: Aquel en el que se impide que la energía cruce la frontera.
• Sistema abierto: Es una región elegida apropiadamente en el espacio.
• Sistema cerrado: Aquel que consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera.

Propiedades y estados

Una vez que se revisó el concepto de sistema, es necesario establecer los estados termodinámicos por los cuales pasará una sustancia. Ello conlleva al conocimiento de las propiedades termofísicas de dicha sustancia y además, a la implementación del postulado de estado para saber de manera precisa, el número de propiedades requeridas para determinar un estado termodinámico. A continuación, se presenta de manera textual este postulado (Cengel&Boles, 2019).

«El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes.»

Para que una propiedad pueda ser independiente, ésta debería permanecer constante mientras la otra esté variando, por lo cual es importante identificar esta característica, ya que no será posible utilizar propiedades que no sean independientes para fijar un estado termodinámico.

Por otro lado, a manera de introducir el concepto de equilibrio en un sistema, se puede mencionar que éste se define como un estado de balance. En el estado de equilibrio no existe una diferencia entre potenciales y no se presentan cambios en las propiedades físicas del sistema.

Procesos

El cambio que sufre una sustancia de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema se le llama proceso. Los procesos tienen un estado inicial y uno final, así como una trayectoria. 

Existen procesos dinámicos, estáticos y cuasiestáticos siendo los últimos aquellos en los que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca del estado de equilibrio. Este tipo de procesos son lo suficientemente lentos para establecer que las propiedades en el sistema no cambian con una velocidad considerable.

Otra clasificación de los procesos se da mediante la dependencia al tiempo, siendo los de flujo estacionario y transitorio los más representativos.

El proceso de flujo estacionario se define como aquel durante el cual un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control, es decir, en donde las propiedades termofísicas del fluido no cambian respecto del tiempo. Por otra parte, en el proceso de flujo transitorio, las propiedades si se ven afectadas al variar el tiempo.

A partir de los conceptos mencionados en esta sesión, podrás discernir entre los diferentes tipos de sistemas y procesos a los que te enfrentas cuando tengas que resolver un determinado tipo de problema. Es importante que comprendas la diferencia entre proceso estacionario y transitorio ya que, en ocasiones, si los conceptos no están bien comprendidos, se pueden presentar confusiones al momento de plantear los problemas a resolver.

Estados de agregación de la materia

Los estados de agregación de la materia, de manera muy general son 3: Sólido, líquido y gaseoso, los cuales se consiguen bajo ciertas condiciones de temperatura y presión. Una de las sustancias más utilizadas en ingeniería para la realización de procesos es el agua, por lo cual es importante conocer los estados por los cuales esta sustancia pasa cuando se varía la temperatura. En la siguiente figura, se presenta un esquema donde se observan los estados por los que pasa el agua así como los procesos que se llevan a cabo para que el agua cambie de estado o fase.

Por otro lado, la siguiente figura muestra los nombres que reciben los procesos para transitar de un estado a otro, tomando como base que dichos estados son sólido, líquido y gaseoso.

En la siguiente figura se presenta el diagrama de fases de una sustancia pura donde, entre otros puntos, se identifica el punto triple donde coexisten las tres fases al mismo tiempo y el punto crítico se identifica con una presión y temperatura crítica y cuya importancia desde el punto de vista de la Termodinámica radica en que, a partir de dicho punto, en la sustancia se tienen propiedades físicas como un gas, pero características de transferencia de calor como las de un líquido. El dióxido de carbono (CO₂) es un fluido muy especial cuyo punto crítico se alcanza de manera muy rápida, ya que su temperatura crítica es de 31°C, lo cual es un valor muy común en varias zonas del mundo.

A manera de complemento revisa el siguiente documento:

• Thermophysical properties of fluids- dynamic viscosity and thermal conductivity

Finalmente ve el siguiente video:

Conclusión

En resumen, los procesos son transiciones que sufre una sustancia desde un estado a otro. Es gracias a estas transiciones que se obtienen diferencias de energía en los sistemas termodinámicos. Los diferentes tipos de sistemas utilizados en Termodinámica se presentan en diversas situaciones en la vida cotidiana, por lo cual es importante tener en claro los conceptos revisados en esta sesión.

Las propiedades más comúnmente utilizadas para la determinación de los estados termodinámicos de una sustancia son la temperatura y presión, sin embargo, en esta sesión no se limitó solo a estas dos propiedades, sino que se estableció la condición de que se pueden utilizar otras, siempre y cuando éstas sean independientes.

Los estados de agregación de la materia también fueron presentados en esta segunda sesión, siendo la temperatura, la principal variable para alcanzar cada uno de los estados termodinámicos. Se presentó un diagrama de fases en donde se ubicaron puntos particulares como el punto triple y el punto crítico, los cuales tienen ciertas peculiaridades. Uno de los elementos a tomar en cuenta es que, cada fluido o sustancia posee un punto crítico. Particularmente, para el caso del CO₂, su punto crítico es muy bajo y se mostró que sin problema se puede sobrepasar dicho punto en algunas zonas del mundo, ya que la temperatura de 31°C es fácilmente alcanzable en el ambiente, sobre todo en zonas del mundo cálidas.

Finalmente, los sistemas termodinámicos están expuestos a sufrir cambios o procesos, es por ello que resulta importante conocer la definición de estos y las características que cada uno de ellos tiene para poder ser identificados.

Has llegado al final de la segunda clase ¡Te felicito por tu esfuerzo! Para concluir la sesión te pido que realices la tarea asignada y la mandes como corresponde. Te encuentro en la próxima sesión. Hasta entonces.

Fuentes de información

• Cengel, Y. A., A. Boles A. M. & Mehmet, K. (2019). Termodinámica, (9a ed.). McGraw Hill Editores.
• Moran, J. M., & Shapiro, N. H. (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. (6a ed.). John Willey & Sons, Inc.