Sistemas con volumen como único parámetro y sistemas simples
Introducción
¡Hola!
¡Qué emoción volvernos a encontrar! Espero que sigas con ese mismo ímpetu de la primera clase y sigas aprendiendo, por lo tanto te invito a iniciar la segunda parte del curso con esta séptima clase titulada Sistemas con volumen como único parámetro y sistemas simples del curso de Termodinámica.
El análisis de los sistemas termodinámicos se apoya mucho en la selección adecuada de un volumen de control. Dado que este procedimiento delimita el sistema y permite analizarlo desde el punto de vista de entradas y salidas de energía, la correcta elección de un volumen de control es imprescindible para que los flujos que pasan por el sistema en cuestión sean plenamente identificados y con ello, el planteamiento del problema sea el correcto.
En esta clase se abordarán temas como funciones características, propiedades independientes, propiedades intensivas y extensivas, la implicación de una partición y la dependencia de las propiedades intensivas. Cabe mencionar que en clases previas ya se establecieron las diferencias entre propiedades intensivas y extensivas e incluso se presentó la definición de potencial termodinámico, lo cual es lo mismo que una función característica, es por ello que en esta sesión se tomará como repaso lo revisado con anterioridad.
Te invito a que sigas esforzándote para continuar con este curso ya que las aplicaciones de la Termodinámica son bastas y la selección de un adecuado volumen de control facilitará la solución de problemas, además de que será de mucha utilidad para que se comprendan los conceptos de balance de masa y energía que se han revisado en clases previas. Finalmente, el concepto de la dependencia de propiedades intensivas será de utilidad para que puedas comprender mejor los fenómenos físicos y se puedan relacionar sin problemas los diferentes tipos de variables, además de se revisará lo que implica una partición en un sistema termodinámico.
¡No esperemos más y continuemos!
Desarrollo del tema
Propiedades independientes y función característica
Como se mencionó con anterioridad, las funciones características proporcionan una descripción completa del estado termodinámico de un sistema. En el caso de sistemas compresibles simples en los que son necesarias dos variables independientes para identificar su estado, las funciones características pueden tomar cualquiera de las siguientes formas:
Tomando en cuenta que los fluidos reales tienen propiedades físicas similares y sabiendo que la principal diferencia entre ellos depende únicamente en sus comportamientos dados la presión y la temperatura y en el caso de una mezcla, su composición, se toman estas tres últimas como las propiedades independientes a partir de las cuales se calculan las demás propiedades.
Propiedades intensivas y extensivas
Las propiedades termodinámicas son utilizadas para dar una descripción de un sistema de manera macroscópica. Una propiedad termodinámica es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio. En general, las propiedades termodinámicas se pueden dividir en dos clases generales:
A) Propiedades intensivas; y
B) Propiedades extensivas.
Las propiedades intensivas son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. Algunos ejemplos de propiedades intensivas son:
- Compresibilidad
- Densidad
- Entalpía específica
- Entropía específica
- Capacidad calorífica específica
- Presión
- Temperatura
- Conductividad térmica
- Expansión térmica
- Calidad de vapor
- Volumen específico
Por otro lado, las propiedades extensivas dependen de la cantidad de masa presente o del tamaño o extensión de un sistema. Ejemplos de propiedades extensivas son:
- Entalpía
- Entropía
- Energía libre de Gibbs
- Capacidad calorífica
- Energía interna
- Masa
- Volumen
Cabe mencionar que a las propiedades extensivas por unidad de masa se les llama propiedades específicas.
Dependencia de las propiedades intensivas
Las propiedades intensivas características son las que permiten la identificación de una sustancia por un valor determinado específico de ellas, por ejemplo, el punto de ebullición y el calor específico de una sustancia.
Existen propiedades intensivas generales que pueden ser comunes a muchas sustancias, por ejemplo el color. Muchas sustancias pueden compartir un mismo color, por lo que éste no sirve para identificarlas; aunque puede ser parte de un conjunto de características de una sustancia o material.
Cada una de las partes del sistema tiene el mismo valor para cada una de las propiedades intensivas. Además, las propiedades intensivas, por las razones expuestas no son aditivas.
Si se divide una propiedad extensiva de una sustancia como lo es la masa entre otra propiedad extensiva como lo es el volumen, se obtendrá una propiedad intensiva llamada densidad.
A manera de complemento, revisar los siguientes enlaces:
- Propiedades intensivas: características y ejemplos.
- Propiedades
- Propiedades termodinámicas
- ¿Qué es la propiedad termodinámica? Definición.
Conclusión
Para concluir, en esta clase digital se presentó el concepto de función característica y propiedades independientes. Mencionando que básicamente se pueden definir tres como las propiedades independientes en Termodinámica: Temperatura, Presión y Composición.
Se describieron ejemplos de propiedades intensivas y extensivas y se revisó la importancia que tiene cada una de estas propiedades en el cálculo de estados termodinámicos. En relación a la función característica, proporciona una descripción completa del estado termodinámico de un sistema y es con esta definición con la que se parte para evaluar el comportamiento de sistemas termodinámicos. Cabe mencionar que, tanto las propiedades extensivas como las intensivas con la caracterización más general de las propiedades en Termodinámica son la base para que se pueda determinar cualquier estado termodinámico de un fluido.
Finalmente, la dependencia de las propiedades intensivas es importante considerarla en el área de Termodinámica, ya que son estas propiedades las que incluso son generadas a partir de propiedades extensivas. Además, una de las características de las propiedades intensivas es que no son aditivas, por lo que no se pueden sumar unas con otras a diferencia de las propiedades extensivas. Se mencionó el ejemplo de la generación de la densidad, como aquella en la cual se divide la masa entre el volumen, siendo esta una de las características de las propiedades intensivas.
Hemos llegado al final de la sesión y no me resta más que felicitarte por llegar hasta esta parte del curso. Te invito a que continúes con tu proceso formativo realizando la tarea asignada y mandarla como corresponde. Sigue explorando el mundo de la Termodinámica para que vayas relacionando procesos en equilibrio en donde se puede aplicar lo revisado en esta clase y pueda ser complementado con las lecturas propuestas al final de esta sesión. Te encuentro próximamente.
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