Termodinámica y Energía: Conceptos Fundamentales

La termodinámica es la rama de la física que estudia los procesos de transferencia de energía en forma de calor y trabajo, así como las propiedades de las sustancias relacionadas con estos parámetros.

Conceptos Clave en Termodinámica

• Sistema: Cualquier grupo de átomos, moléculas, partículas u objetos bajo estudio termodinámico. Es la parte del universo u objeto que se analiza. Ejemplos: un tanque, una caldera, una campana, una bomba, etc.
• Alrededores: Todo lo que no pertenece al sistema; es lo que lo rodea. Puede haber intercambio de calor y energía, y se puede realizar trabajo entre el sistema y el ambiente.
• Líneas de frontera: Líneas imaginarias que delimitan el área de estudio.

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Los sistemas se clasifican según los procesos unitarios:

• Sistema Cerrado: No hay transferencia de masa (m) *ni* de energía (E) en un intervalo de tiempo determinado (puede haber transferencia de uno, pero no del otro).
• Sistema Abierto: Se transfiere tanto masa como energía a través de la frontera del sistema con los alrededores en todo instante.
• Sistema Aislado: Nunca intercambia masa (m), calor (Q) o trabajo (W) a través de la frontera del sistema con los alrededores. Los alrededores no afectan el comportamiento del sistema.

Clasificación de los Estudios Termodinámicos

Un estudio en tiempo y espacio de un proceso se clasifica según las características de la frontera:

• Rígida o Móvil: Determina si puede haber o no un cambio de volumen (V) en el sistema.
• Permeable, Semipermeable, Impermeable: Determina si puede haber o no un cambio en la presión entre el sistema y los alrededores.
• Adiabática: Determina si puede haber o no un cambio en la temperatura entre el sistema y los alrededores y, por ende, si se produce intercambio de calor.

Tipos de Procesos Termodinámicos

• Proceso Isobárico: La presión entre la entrada y la salida se mantiene constante (P = CTE).
• Proceso Isovolumétrico: El volumen entre las condiciones iniciales y finales permanece constante (V = CTE).
• Proceso Isotérmico: El proceso se lleva a cabo a temperatura constante.
• Proceso Adiabático: No hay transferencia de calor.
• Proceso Reversible: Las condiciones finales del sistema pueden volver a ser las condiciones iniciales. (Ejemplo: nevera, congelador). Debe cumplir tres condiciones:
  • No debe existir trabajo (W) realizado por fricción debido a la viscosidad ( ) y otras fuerzas disipativas que produzcan calor.
  • No debe existir transferencia de calor, incluso si hay variaciones de temperatura.
  • El proceso se lleva a cabo casi en equilibrio (proceso cuasiestático).
• Proceso Irreversible: Las condiciones finales no pueden ser iguales a las iniciales.

Conceptos de Temperatura, Calor y Calor Específico

• Temperatura: Magnitud medible en tiempo y espacio.
• Calor (Q): Flujo de energía a través de la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores.
• Calor Específico (Ce): Calor necesario para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado. Se expresa en Joule / Kg ºK (MKS), cal / gr ºC (CGS), Btu / lb ºF (Inglés).

Cambios de Estado

Se logran mediante la adición o sustracción de energía al sistema. Son cambios físicos, ya que ocurren sin que se formen nuevos materiales, es decir, sin alterar sustancialmente la naturaleza y propiedades del sistema.

Características de los cambios de estado:

• Se producen por transferencia de energía de un sistema a otro.
• No se producen nuevos materiales.
• Durante el cambio, la temperatura se mantiene constante, ya que el calor que absorbe o cede el sistema se utiliza para realizar el cambio de estado.

Estado de Equilibrio

Un sistema está en estado de equilibrio cuando las variables macroscópicas (P, V, T) no cambian. La relación entre estas variables se conoce como ecuación de estado. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando sus propiedades permanecen constantes a través del tiempo y, por lo tanto, pueden ser medidas.

Tipos de equilibrio:

• Estable: Se mantiene en su estado de equilibrio a pesar de perturbaciones externas. (Ejemplo: un cono sobre su base).
• Indiferente: Existen varios estados de equilibrio equivalentes.
• Metaestable o Inestable: El equilibrio se rompe con cualquier pequeña perturbación. (Ejemplo: un cono apoyado sobre su punta).

Balance de Materia y Energía

Se basa en la ley de conservación de la materia y la energía, que establece que la masa y la energía de un sistema cerrado permanecen constantes, independientemente de los procesos que ocurran dentro del mismo.

Ecuaciones importantes:

• Q = ΔU + W (Primera Ley de la Termodinámica)
• Q = m * Ce * ΔT (Primera Ley para la Energía)
• Q cedido = Q ganado (Cuando los cuerpos están en contacto)

Trabajo y Energía

• Trabajo (W): Se realiza sobre un cuerpo mediante una fuerza que produce un desplazamiento. W = Fuerza x Desplazamiento = Newton x Metro = Joule.
• Energía (E): Capacidad de los sistemas para cambiar sus propiedades o las de otros sistemas.
• Energía Interna (U): Relacionada con la energía cinética y potencial de las moléculas (Teoría Cinética Molecular).

Teoría Cinética Molecular

Establece la clasificación de la energía de los sistemas en dos formas básicas: energía cinética y energía potencial. Sus postulados principales son:

1. Los cuerpos están constituidos por moléculas que interactúan entre sí.
2. Entre las moléculas hay espacios.
3. Los movimientos de las moléculas son incesantes y desordenados (Entropía – S).

Fluidos: Definición y Características

Un fluido es una sustancia que se deforma fácilmente al sufrir un esfuerzo cortante (aquel que interrumpe el flujo). Se representa con la letra «S». Tanto los gases como los líquidos son fluidos. En general, un fluido es todo cuerpo que carece de elasticidad y adopta la forma del recipiente que lo contiene.

Características de los fluidos:

1. La posición relativa de sus moléculas puede cambiar continuamente.
2. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado.
3. Poseen viscosidad (μ).
4. La velocidad de flujo depende de la viscosidad: a mayor viscosidad, menor velocidad, y viceversa. La temperatura (T) juega un papel crucial: si T aumenta, μ disminuye en líquidos; si T aumenta, μ aumenta en gases.
5. La viscosidad es independiente de la densidad (ρ).

Clasificación de los Fluidos

1. Fluidos Newtonianos: Viscosidad constante. Su esfuerzo es directamente proporcional al gradiente de velocidad. Ejemplos: agua, aceite, aire.
2. Fluidos No Newtonianos (Verdaderos): Viscosidad variable con la tensión superficial (σ) aplicada. No tienen un valor de viscosidad definido. Ejemplos: sangre, salsa.
3. Fluidos No Viscosos (Ideales): Se desprecia la fricción interna entre las partes del fluido.
4. Fluido Incompresible: La densidad del fluido permanece constante con el tiempo.
5. Fluido Irrotacional: No presenta torbellinos al desplazarse sobre un obstáculo cuando el flujo es turbulento.

Propiedades de los Fluidos

1. Intensivas: No dependen de la masa. Ejemplo: temperatura.
2. Extensivas: Dependen de la masa. Ejemplo: cantidad de movimiento.
3. Otras propiedades: Color, olor, sabor, peso específico, densidad, viscosidad y tensión superficial.

Mecánica de Fluidos

Es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos que los utilizan. Se subdivide en:

1. Estática de Fluidos (Hidrostática): Estudia los fluidos en reposo.
2. Hidrodinámica: Estudia los fluidos en movimiento. El término se aplica al flujo de líquidos o gases a baja velocidad, donde se considera que el gas es incompresible.

Conceptos Clave en Mecánica de Fluidos

• Presión: Cantidad escalar (solo magnitud, no dirección). Se mide en Pascal.
• Densidad: Razón de la masa al volumen.
• Tensión Superficial: Trabajo requerido por unidad de área para incrementar el área de la superficie de un líquido.
• Capilaridad (c): Habilidad de un fluido para subir dentro de un tubo de diámetro interior pequeño, violando aparentemente la ley de gravedad.
• Presión Hidrostática: Presión normal en todos los puntos de las paredes de un recipiente en contacto con un líquido, independientemente de la forma del recipiente (τ «tau»).

Principios Fundamentales de la Mecánica de Fluidos

• La fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas las direcciones. Si fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante. La presión que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente es perpendicular a la pared en cada punto.
• Principio de Pascal: La presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas las direcciones y a todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debido al peso del fluido y a la profundidad.
• Principio de Arquímedes: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. El punto donde se considera que actúan todas las fuerzas que producen la flotación se llama centro de flotación y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.

Hidrodinámica

Principio de Euler

Euler fue el primero en reconocer que las leyes dinámicas para los fluidos solo pueden expresarse de forma sencilla si el fluido es incompresible e ideal (se desprecian los efectos del rozamiento y la viscosidad). Sin embargo, como esto nunca ocurre en los fluidos reales, los resultados solo sirven como estimación para flujos donde los efectos de la viscosidad son pequeños.

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