Principio de estado de equilibrio estable
Introducción
¡Hola!
Me siento muy feliz al saber que sigues aprovechando este curso, espero que lo sigas disfrutando, por lo tanto te invito a comenzar nuestra quinta clase con el tema: Principio de estado de equilibrio estable.
En la clase digital 2, se revisó el principio de estado. Se mencionó que para conocer el estado termodinámico de una sustancia se requieren al menos dos propiedades independientes. Por otro lado, en la clase digital 1 se mencionó la existencia de las escalas de temperatura y se habló de manera superficial sobre los tipos de presión y su definición. En esta quinta sesión, se revisará a fondo el tema de la presión y temperatura y se planteará una metodología para la solución de ejercicios para el cálculo de la presión en manómetros.
También se revisará el concepto de temperatura y cómo influye esta variable en algunos procesos termodinámicos. Tanto la presión como la temperatura son variables intensivas independientes y son las más utilizadas para la determinación de propiedades termofísicas de manera experimental. Parámetros como volumen específico, energía interna, entalpía y entropía, están en función de estas dos variables intensivas. La determinación de propiedades se puede realizar mediante el uso de Tablas Termodinámica o de un software especializado, considerando por lo general temperatura y presión.
Finalmente, se revisará el concepto de potencial termodinámico y se mostrará su definición a partir de una fórmula y las variables naturales que están asociadas a éste. Esta quinta sesión tiene como principal objetivo que el estudiante se familiarice con las variables de temperatura y presión y con ello comprenda el alcance que tienen para el planteamiento y solución de problemas que demandan el cálculo de estados termodinámicos. Es así que, como parte del complemento para esta clase, se dejará como consigna, que revises el uso de software especializado para la determinación de propiedades termofísicas.
Una vez revisado lo anterior, ¿qué te parece sí entramos en materia?
Desarrollo del tema
En Termodinámica, uno de los aspectos fundamentales a considerar es que se trabaja con estados de equilibrio. El equilibrio se define como un estado de balance, es decir, donde no se experimentan cambios cuando el sistema es aislado de sus alrededores.
Existen diversos tipos de equilibrio como lo son el equilibrio térmico, el equilibrio mecánico, el equilibrio químico, por mencionar algunos. A continuación, se menciona la definición de cada uno de estos tipos de equilibrio.
- Equilibrio térmico: Este tipo de equilibrio se da cuando el sistema tiene una temperatura homogénea.
- Equilibrio mecánico: El equilibrio mecánico se relaciona con la presión, y un sistema que tiene equilibrio mecánico cuando transcurre el tiempo, no presenta cambio en la presión en ninguno de sus puntos, es decir, mantiene presión homogénea.
- Equilibrio químico: Se dice que un sistema está en equilibrio químico, si su composición química no cambia con el tiempo, es decir, si mantiene composición química homogénea invariable con el tiempo.
Principio de estado y relación y relación fundamental
Como se mencionó en la introducción de esta quinta sesión, ya se revisó previamente el principio de estado termodinámico en la clase 2 de este curso, por lo cual en este apartado se abordará únicamente la relación fundamental para no repetir información.
En Termodinámica, la relación fundamental se expresa generalmente como cambio microscópico de la energía interna en términos de cambios microscópicos de entropía y de volumen de un sistema cerrado en equilibrio térmico de la manera siguiente:
Aquí:
U es la energía interna
T es la temperatura absoluta
S es la entropía
P es la presión y
V es el volumen
Temperatura
La temperatura de un cuerpo está asociada con su energía térmica. Así, cuando un objeto está muy caliente, se dice que tiene temperatura elevada, por el contrario, si el objeto está muy frío, entonces se sabe que está a baja temperatura. Por lo anterior, esta variable podría definirse como la cantidad de energía de un cuerpo, sin embargo, se debe recordar que la energía se mide en Joules y, por el contrario, la temperatura tiene diferentes escalas de medida. Es así que, asociar un concepto como el de la temperatura con la energía resulta un poco confuso, por lo que una definición sin tanta confusión podría ser la siguiente.
La temperatura es el grado de energía térmica que tiene un cuerpo u objeto. Existen diferentes escalas de temperatura, mismas que se vieron ya en la clase digital 1 y por obvias razones, no se volverán a revisar aquí.
Presión
Otra de las variables intensivas independientes que permiten determinar el estado termodinámico de una sustancia es la presión. En la clase digital 1 se mencionó un poco sobre esta variable y aquí se ahondará un poco más sobre este concepto.
La presión se puede medir con un manómetro o sensor de presión, cuando se mide esta variable en un fluido con un aparato para medir presión, se dice que se está midiendo la presión manométrica, es decir, la presión que mide el equipo en tiempo real es la presión manométrica.
Además de la presión manométrica existe la presión absoluta, la cual se definió en la clase digital 1. Otro tipo de presión es la presión atmosférica, la cual es la que se tiene en el ambiente. La presión por debajo de la atmosférica se le conoce como presión de vacío. Por lo general, la presión atmosférica no varía mucho sobre el nivel del mar y la Tabla 1 muestra valores muy específicos de esta variable y que se pueden utilizar a menudo.
La presión arterial se mide en mmHg. A los valores que tomamos en un aparato para medir la presión arterial se le llaman sistólica (valor más alto) y diastólica (valor más bajo). La Tabla 2 muestra valores de presión arterial, así como la categoría en la que se encontraría una persona que presenta los valores de dicha tabla.
El principio que caracteriza la presión en un sistema es conocido como el principio de Pascal, el cual dice lo siguiente:
La presión ejercida sobre un fluido incompresible dentro de un recipiente rígido se transmite íntegramente a todos los puntos del mismo con el mismo valor.
Este principio se puede expresar a manera de ecuación mediante:
O bien,
Determinación de propiedades termodinámicas
El uso de tablas termodinámicas se hace para la determinación de propiedades termofísicas, a partir de un estado termodinámico de presión y temperatura.
Existen en las tablas termodinámicas valores como volumen específico, entalpía específica, entropía específica y energía interna específica, como líquido saturado (en las tablas se expresa con un subíndice f), volumen específico como vapor saturado (en las tablas se expresa con un subíndice g) o como mezcla (en las tablas se expresa como fg). También hay tablas para vapor sobrecalentado y para líquido subenfriado.
Otra herramienta para el cálculo de las propiedades termofísicas es el uso de un software especializado. Aquí hay diferentes tipos, pero todos ellos tienen la misma característica y es que, para obtener una propiedad, es necesario alimentar el software con dos valores de propiedades intensivas independientes tal y como lo marca el principio de estado revisado con anterioridad.
Manómetros
Para el cálculo de la presión mediante manómetros, es importante aclarar que, en un manómetro, la altura del fluido marcará un equilibrio estático y por tanto, la presión en el fluido se determina como:
En el caso de que el manómetro tenga más fluidos con diferentes densidades, entonces la presión se determina como:
Potenciales totales
En Termodinámica, un potencial termodinámico es una variable de estado asociada a un sistema termodinámico que tiene dimensiones de energía. El adjetivo de «potencial» se debe a que en cierto sentido describe la cantidad de energía potencial disponible en el sistema termodinámico sujeta a ciertas restricciones (relaciones con las variables naturales del potencial). Además, los potenciales sirven para predecir bajo las restricciones impuestas qué cambios termodinámicos serán espontáneos y cuáles necesitarán un aporte energético.
Los potenciales corresponden a diferentes tipos de restricciones sobre el sistema. Los cuatro potenciales más comunes se enlistan en la tabla 3.
Dónde:
T = Temperatura
S = Entropía
P = Presión
V = Volumen
Ni = Es el número de partículas
A manera de complemento revisa los siguientes documentos:
Ahora consulta el siguiente enlace:
Finalmente, ve el siguiente video:
Conclusión
En resumen, en esta quinta clase se abordaron temas como el equilibrio, la temperatura, la presión y los potenciales totales. Se revisó cada uno de estos elementos a detalle a manera de complemento, por ejemplo, para la clase digital 1, donde se habían visto con anterioridad los conceptos de Temperatura y Presión.
Se revisó la importancia de estas dos últimas variables para el cálculo de propiedades termofísicas y se presentaron las herramientas que se pueden utilizar para calcular una propiedad termofísica a partir de la aplicación del principio de estado.
Se revisaron los diferentes tipos de presiones y se mostró una tabla con valores de la presión atmosférica para diferentes unidades. También se mencionó sobre la presión arterial y las unidades de medida.
Es importante mencionar que, con relación a los potenciales totales, se deben tomar en cuenta las variables con las cuales se definen dichos potenciales, ya que, si no están claras, puede prestarse a una confusión.
Por lo anterior, esta quinta clase digital dejó aprendizajes nuevos y es importante que vayas haciendo un formulario de las ecuaciones que utilizarás, así como de algunas equivalencias, mismas que fueron mostradas en esta sesión.
La invitación continúa abierta para que sigas indagando más acerca de las variables termofísicas empleadas en la solución de problemas relacionados a sistemas termodinámicos.
Es así como se concluye pues con esta quinta sesión. ¡Felicitaciones por tu esfuerzo y dedicación! Recuerda que lo revisado aquí, servirá como base para las sesiones futuras, tomando siempre en cuenta las unidades de medida en las que se está resolviendo determinado problema. No olvides realizar y mandar en tiempo y forma tu tarea, hasta luego.
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
- Cómo leer una tabla de presión arterial para determinar tu riesgo de hipertensión.