Proceso termodinámico

passage of a system from an initial state to a final state of thermodynamic equilibrium

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
Leyes Zeroth Primero Segundo Tercero
Sistemas Sistema cerrado Sistema aislado Expresar Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Control de volumen Instrumentos Procesos Isobárico Isocórico Isotermo Adiabático Isentrópico Isenthalpic Cuasiestático Politrópico Expansión libre Reversibilidad Irreversibilidad Endoreversibilidad Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiencia térmica
Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabaja Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compresibilidad  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Expansión térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía gratis Entropía libre Energía interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpía ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energía libre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energía libre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
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Científicos Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson Van der Waals Waterston
Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
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La termodinámica clásica considera tres tipos principales de procesos termodinámicos : (1) cambios en un sistema, (2) ciclos en un sistema y (3) procesos de flujo.

(1) Un cambio en un sistema se define por el paso de un estado inicial a un estado final de equilibrio termodinámico.. En la termodinámica clásica, el curso real del proceso no es la preocupación principal y, a menudo, se ignora. Un estado de equilibrio termodinámico perdura sin cambios a menos que sea interrumpido por una operación termodinámica que inicie un proceso termodinámico. Cada uno de los estados de equilibrio está completamente especificado respectivamente por un conjunto adecuado de variables de estado termodinámicas, que dependen únicamente del estado actual del sistema, no de la ruta tomada por los procesos que producen el estado. En general, durante el curso real de un proceso termodinámico, el sistema puede pasar por estados físicos que no se pueden describir como estados termodinámicos, porque están lejos del equilibrio termodinámico interno. Termodinámica de desequilibrio, sin embargo, considera procesos en los que los estados del sistema están cerca del equilibrio termodinámico, y tiene como objetivo describir el paso continuo a lo largo del camino, a tasas definidas de progreso.

Como caso límite teórico útil, pero no físicamente realizable, se puede imaginar que un proceso tiene lugar de manera prácticamente infinitamente lenta o lo suficientemente suave como para permitir que se describa mediante una trayectoria continua de estados termodinámicos de equilibrio, cuando se denomina un proceso " cuasi-estático". " proceso. Este es un ejercicio teórico de geometría diferencial, en contraposición a una descripción de un proceso físico realmente posible; en este caso idealizado, el cálculo puede ser exacto.

Un proceso termodinámico realmente posible o real, considerado de cerca, implica fricción. Esto contrasta con los procesos cuasiestáticos teóricamente idealizados, imaginados o limitantes, pero no realmente posibles, que pueden ocurrir con una lentitud teórica que evita la fricción. También contrasta con los procesos idealizados sin fricción en el entorno, que puede considerarse que incluyen "sistemas puramente mecánicos"; esta diferencia se acerca a definir un proceso termodinámico. ^[1]

(2) Un proceso cíclico lleva al sistema a través de un ciclo de etapas, comenzando y completando en algún estado particular. Las descripciones de los estados por etapas del sistema no son la principal preocupación. La principal preocupación son las sumas de entrada y salida de materia y energía al ciclo. Los procesos cíclicos fueron dispositivos conceptuales importantes en los primeros días de la investigación termodinámica, mientras se desarrollaba el concepto de variable de estado termodinámico.

(3) Definido por los flujos a través de un sistema, un proceso de flujo es un estado estable de flujos que entran y salen de un recipiente con propiedades de pared definidas. El estado interno del contenido del recipiente no es la principal preocupación. Las cantidades de interés principal describen los estados de los materiales de entrada y salida y, por otro lado, las transferencias de calor, trabajo y energías cinética y potencial para el recipiente. Los procesos de flujo son de interés en ingeniería.

Tipos de proceso

Proceso cíclico

Definido por un ciclo de transferencias dentro y fuera de un sistema, un proceso cíclico se describe por las cantidades transferidas en las diversas etapas del ciclo. Las descripciones de los estados por etapas del sistema pueden tener poco o ningún interés. Un ciclo es una secuencia de un pequeño número de procesos termodinámicos que, indefinidamente, devuelven repetidamente el sistema a su estado original. Para ello, no necesariamente se describen los estados escalonados en sí mismos, porque son las transferencias las que son de interés. Se razona que si el ciclo puede repetirse indefinidamente a menudo, se puede suponer que los estados permanecen invariables de forma recurrente. La condición del sistema durante los varios procesos por etapas puede ser incluso de menor interés que la naturaleza precisa de los estados recurrentes. Si acaso,los varios procesos por etapas son idealizados y cuasi-estáticos, luego el ciclo se describe mediante un camino a través de una progresión continua de estados de equilibrio.

Proceso de flujo

Definido por los flujos a través de un sistema, un proceso de flujo es un estado estable de flujo dentro y fuera de un recipiente con propiedades de pared definidas. El estado interno del contenido del recipiente no es la principal preocupación. Las cantidades de interés principal describen los estados de los materiales de entrada y salida y, por otro lado, las transferencias de calor, trabajo y energías cinética y potencial para el recipiente. Los estados de los materiales de entrada y salida consisten en sus estados internos y en sus energías cinética y potencial como cuerpos completos. Muy a menudo, las cantidades que describen los estados internos de los materiales de entrada y salida se estiman asumiendo que son cuerpos en sus propios estados de equilibrio termodinámico interno. Dado que se permiten reacciones rápidas, el tratamiento termodinámico puede ser aproximado, no exacto.

Un ciclo de procesos cuasi-estáticos

Artículo principal: ciclo de Stirling

Un ejemplo de un ciclo de procesos termodinámicos idealizados que componen el ciclo de Stirling

Se puede visualizar un proceso termodinámico cuasiestático trazando gráficamente la trayectoria de los cambios idealizados en las variables de estado del sistema . En el ejemplo, se muestra un ciclo que consta de cuatro procesos cuasi-estáticos. Cada proceso tiene un comienzo y un final bien definidos en el espacio de estado de presión-volumen . En este ejemplo particular, los procesos 1 y 3 son isotérmicos , mientras que los procesos 2 y 4 son isocóricos . El diagrama PV es una visualización particularmente útil de un proceso cuasi estático, porque el área bajo la curva de un proceso es la cantidad de trabajo realizado por el sistema durante ese proceso. Por lo tanto, el trabajo se considera una variable de proceso., ya que su valor exacto depende de la ruta particular tomada entre los puntos inicial y final del proceso. De manera similar, el calor puede transferirse durante un proceso y también es una variable de proceso.

Procesos de variables conjugadas

A menudo es útil agrupar procesos en pares, en los que cada variable mantenida constante es un miembro de un par conjugado .

Presión - volumen

El par conjugado presión-volumen se ocupa de la transferencia de energía mecánica como resultado del trabajo.

• Se produce un proceso isobárico a presión constante. Un ejemplo sería tener un pistón móvil en un cilindro, de modo que la presión dentro del cilindro sea siempre la presión atmosférica, aunque esté separada de la atmósfera. En otras palabras, el sistema está conectado dinámicamente , mediante un límite móvil, a un depósito de presión constante.
• Un proceso isocórico es aquel en el que el volumen se mantiene constante, con el resultado de que el trabajo fotovoltaico mecánico realizado por el sistema será cero. Por otro lado, el trabajo se puede realizar de manera isocórica en el sistema, por ejemplo, mediante un eje que impulsa una paleta giratoria ubicada dentro del sistema. De ello se deduce que, para el sistema simple de una variable de deformación, cualquier energía térmica transferida al sistema externamente será absorbida como energía interna. Un proceso isocórico también se conoce como proceso isométrico o isovolumétrico.proceso. Un ejemplo sería colocar una lata de material cerrada en el fuego. En una primera aproximación, la lata no se expandirá y el único cambio será que el contenido gane energía interna, evidenciado por el aumento de temperatura y presión. Matemáticamente, . El sistema está aislado dinámicamente , mediante un límite rígido, del medio ambiente.${\displaystyle \delta Q=dU}$

Temperatura - entropía

El par conjugado temperatura-entropía se ocupa de la transferencia de energía, especialmente para un sistema cerrado.

• Se produce un proceso isotérmico a temperatura constante. Un ejemplo sería un sistema cerrado sumergido y conectado térmicamente con un gran baño de temperatura constante. La energía ganada por el sistema, a través del trabajo realizado en él, se pierde en el baño, por lo que su temperatura permanece constante.
• Un proceso adiabático es un proceso en el que no hay transferencia de materia ni de calor, porque una pared aislante térmica separa el sistema de su entorno. Para que el proceso sea natural, o (a) se debe trabajar en el sistema a una tasa finita, de modo que la energía interna del sistema aumente; la entropía del sistema aumenta aunque esté aislado térmicamente; o (b) el sistema debe trabajar en el entorno, que luego sufre un aumento de entropía, además de obtener energía del sistema.
• Un proceso isentrópico se define habitualmente como un proceso adiabático reversible cuasiestático idealizado, de transferencia de energía como trabajo. De lo contrario, para un proceso de entropía constante, si el trabajo se realiza de manera irreversible, es necesaria la transferencia de calor, de modo que el proceso no sea adiabático y sea necesario un mecanismo de control artificial preciso; por lo tanto, no se trata de un proceso termodinámico natural ordinario.

Potencial químico - número de partículas

Los procesos anteriores han supuesto que los límites también son impermeables a las partículas. De lo contrario, podemos asumir límites que son rígidos, pero permeables a uno o más tipos de partículas. Consideraciones similares son válidas para el par conjugado potencial químico - número de partículas , que se ocupa de la transferencia de energía a través de esta transferencia de partículas.

• En un proceso de potencial químico constante, el sistema está conectado por transferencia de partículas , mediante un límite permeable a las partículas, a un depósito de µ constante.
• El conjugado aquí es un proceso de número de partículas constante. Estos son los procesos descritos anteriormente. No se agrega ni se resta energía del sistema por transferencia de partículas. El sistema está aislado por transferencia de partículas de su entorno por un límite que es impermeable a las partículas, pero que permite transferencias de energía como trabajo o calor. Estos procesos son los que definen el trabajo termodinámico y el calor, y para ellos se dice que el sistema está cerrado .

Potenciales termodinámicos

Cualquiera de los potenciales termodinámicos puede mantenerse constante durante un proceso. Por ejemplo:

• Un proceso isentálpico no introduce cambios en la entalpía en el sistema.

Procesos politrópicos

Artículo principal: Proceso politrópico

Un proceso politrópico es un proceso termodinámico que obedece a la relación:

${\displaystyle PV^{\,n}=C,}$

donde P es la presión, V es el volumen, n es cualquier número real (el "índice politrópico") y C es una constante. Esta ecuación se puede utilizar para caracterizar con precisión los procesos de ciertos sistemas , en particular la compresión o expansión de un gas , pero en algunos casos, líquidos y sólidos .

Procesos clasificados por la segunda ley de la termodinámica

Según Planck, uno puede pensar en tres clases principales de proceso termodinámico: natural, fictivamente reversible e imposible o antinatural. ^{[2] [3]}

Proceso natural

Solo los procesos naturales ocurren en la naturaleza. Para la termodinámica, un proceso natural es una transferencia entre sistemas que aumenta la suma de sus entropías y es irreversible. ^[2] Los procesos naturales pueden ocurrir espontáneamente al eliminar una restricción, o sobre alguna otra operación termodinámica , o pueden desencadenarse en un sistema metaestable o inestable, como por ejemplo en la condensación de un vapor sobresaturado. ^[4] Planck enfatizó la ocurrencia de fricción como una característica importante de los procesos termodinámicos naturales que involucran la transferencia de materia o energía entre el sistema y el entorno.

Proceso fictivamente reversible

Para describir la geometría de superficies gráficas que ilustran las relaciones de equilibrio entre funciones termodinámicas de estado, se puede pensar ficticiamente en los llamados "procesos reversibles". Son objetos teóricos convenientes que trazan caminos a través de superficies gráficas. Se denominan "procesos" pero no describen los procesos que ocurren naturalmente, que siempre son irreversibles. Debido a que los puntos de las trayectorias son puntos de equilibrio termodinámico, se acostumbra pensar en los "procesos" descritos por las trayectorias como ficticiamente "reversibles". ^{[2] Los} procesos reversibles son siempre procesos cuasiestáticos, pero lo contrario no siempre es cierto.

Proceso antinatural

Los procesos antinaturales son lógicamente concebibles pero no ocurren en la naturaleza. Disminuirían la suma de las entropías si ocurrieran. ^[2]

Proceso cuasiestático

Artículo principal: proceso cuasiestático

Un proceso cuasiestático es un modelo idealizado o ficticio de un "proceso" termodinámico considerado en estudios teóricos. No ocurre en la realidad física. Puede imaginarse que sucede infinitamente lentamente, de modo que el sistema pasa por un continuo de estados que están infinitesimalmente cercanos al equilibrio .

Ver también

• Proceso de flujo
• Calor
• Transición de fase
• Trabajo (termodinámica)

Referencias

1. Reiss, H. (1965). Methods of Thermodynamics , Blaisdell, Nueva York, página 52: "Los sistemas sin fricción pueden denominarse sistemas puramente mecánicos, mientras que los que tienen fricción son sistemas termodinámicos".
2. Guggenheim, EA (1949/1967). Termodinámica. Un tratamiento avanzado para químicos y físicos , quinta edición revisada, Holanda Septentrional, Amsterdam, p. 12.
3. Tisza, L. (1966). Termodinámica generalizada , MIT Press, Cambridge MA, p. 32.
4. Planck, M. (1897/1903). Tratado de termodinámica , traducido por A. Ogg, Longmans, Green & Co., Londres , p. 82.

Lectura adicional

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los procesos termodinámicos .

• Física para científicos e ingenieros: con la física moderna (sexta edición), PA Tipler, G. Mosca, Freeman, 2008, ISBN  0-7167-8964-7
• Encyclopaedia of Physics (2.a edición), RG Lerner , GL Trigg, editores de VHC, 1991, ISBN 3-527-26954-1 (Verlagsgesellschaft), ISBN 0-89573-752-3 (VHC Inc.)  
• Enciclopedia de Física de McGraw Hill (segunda edición), CB Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3 
• Física con aplicaciones modernas , LH Greenberg, Holt-Saunders International WB Saunders and Co, 1978, ISBN 0-7216-4247-0 
• Principios esenciales de la física , PM Whelan, MJ Hodgeson, 2da edición, 1978, John Murray, ISBN 0-7195-3382-1 
• Termodinámica, de conceptos a aplicaciones (segunda edición), A. Shavit, C. Gutfinger, CRC Press (Taylor y Francis Group, EE. UU.), 2009, ISBN 9781420073683 
• Termodinámica química , DJG Ives, Química universitaria, Macdonald Technical and Scientific, 1971, ISBN 0-356-03736-3 
• Elementos de termodinámica estadística (segunda edición), LK Nash, Principios de química, Addison-Wesley, 1974, ISBN 0-201-05229-6 
• Física estadística (segunda edición), F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 9780471915331