Este documento define los conceptos básicos de la termodinámica, incluyendo sistema, frontera, entorno, clasificación de sistemas, variables termodinámicas, estado de un sistema, procesos termodinámicos, equilibrio termodinámico y la ley cero de la termodinámica. Explica que un sistema es la parte del universo que se estudia, definida por su frontera, y que puede ser abierto, cerrado o aislado dependiendo de su interacción con el entorno. También define variables extensivas e
Termoquímica: Términos básicos.
• Primer principio de la Termodinámica
– Calor, trabajo, energía interna
– Entalpía
– Calores de reacción
– Ley de Hess
• Segundo principio de la Termodinámica
– Espontaneidad
– Entropía
– Energía libre
• Espontaneidad de las reacciones químicas
1)La Termoquímica estudia los intercambios de energía que acompañan a las reacciones químicas. Es un hecho experimental que en toda reacción química hay una variación de energía, manifestada normalmente por la emisión o absorción de calor
2)Ecuaciones químicas:
En termoquímica las reacciones químicas se escriben como ecuaciones donde además de las
fórmulas de los componentes se especifica la cantidad de calor implicada a la temperatura de la
reacción, y el estado físico de los reactivos y productos mediante símbolos "s" para sólidos, "g" para gases, "l" para líquidos y "ac" para fases acuosas
3)Leyes de la termoquímica:
*Primera ley: El calor necesario para descomponer una sustancia en sus elementos es igual, pero de sentido contrario, al que se necesita para volver a formarla.
*Segunda ley: El calor de una reacción es independiente del número de etapas que constituyen su mecanismo y, por lo tanto, depende sólo de los productos (estado final) y reaccionantes (estado inicial) La ley de Hess aplicada a la reacción global resultante de la suma del conjunto de etapas que explican su mecanismo, permite calcular el calor de reacción estimando la diferencia entre la suma de los calores totales de formación de los productos y la suma de los calores totales de formación de los reaccionantes
*Entalpías de combustión: Son los calores generados cuando se queman hidrocarburos (que contienen C e H) en presencia de O2 (g) para dar CO2 (g) y H2O (l), y la combustión es completa.
Termoquímica: Términos básicos.
• Primer principio de la Termodinámica
– Calor, trabajo, energía interna
– Entalpía
– Calores de reacción
– Ley de Hess
• Segundo principio de la Termodinámica
– Espontaneidad
– Entropía
– Energía libre
• Espontaneidad de las reacciones químicas
1)La Termoquímica estudia los intercambios de energía que acompañan a las reacciones químicas. Es un hecho experimental que en toda reacción química hay una variación de energía, manifestada normalmente por la emisión o absorción de calor
2)Ecuaciones químicas:
En termoquímica las reacciones químicas se escriben como ecuaciones donde además de las
fórmulas de los componentes se especifica la cantidad de calor implicada a la temperatura de la
reacción, y el estado físico de los reactivos y productos mediante símbolos "s" para sólidos, "g" para gases, "l" para líquidos y "ac" para fases acuosas
3)Leyes de la termoquímica:
*Primera ley: El calor necesario para descomponer una sustancia en sus elementos es igual, pero de sentido contrario, al que se necesita para volver a formarla.
*Segunda ley: El calor de una reacción es independiente del número de etapas que constituyen su mecanismo y, por lo tanto, depende sólo de los productos (estado final) y reaccionantes (estado inicial) La ley de Hess aplicada a la reacción global resultante de la suma del conjunto de etapas que explican su mecanismo, permite calcular el calor de reacción estimando la diferencia entre la suma de los calores totales de formación de los productos y la suma de los calores totales de formación de los reaccionantes
*Entalpías de combustión: Son los calores generados cuando se queman hidrocarburos (que contienen C e H) en presencia de O2 (g) para dar CO2 (g) y H2O (l), y la combustión es completa.
Contenido Programático de la Unidad
1. Conceptos
1.1. Sistemas, alrededores y universo.
1.2. Tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.
1.3. Trabajo. Función de estado.
1.4. Calor. Capacidad calorífica y calor específico.
1.5. Procesos exotérmicos y endotérmicos.
1.6. Energía interna.
2. Trabajo de expansión
2.1. A presión constante.
2.2. Ejercicios.
3. Relación energía, calor y trabajo
3.1. Primera ley de la termodinámica.
3.2. Sistemas con volumen constante.
3.3. Ejercicios.
4. Calor a presión constante
4.1. Entalpía. Definición.
4.2. Entalpía y energía interna. ΔH y ΔE.
4.3. Variación de entalpía en una reacción química.
4.4. Ecuación termoquímica. Definición.
4.5. Aplicación de la estequiometria a los calores de reacción.
4.6. Variación de entalpía en un cambio de estado.
4.7 Entalpías de formación estándar.
4.8. Entalpías de reacción estándar.
4.9. Ejercicios.
5. Desorden de un sistema
5.1. Segunda ley de la termodinámica.
5.2. Entropía. Definición.
5.3. Procesos espontáneos y no espontáneos.
5.4. Variación de la entropía en el universo.
5.5. Variación de la entropía a temperatura constante. Cambio de estado físico.
5.6. Entropía absoluta. Tercera ley de la termodinámica.
. 5.7. Entropía molar estándar.
5.8. Entropía de reacción estándar.
5.9. Ejercicios.
6. Energía libre de Gibbs
6.1. Definición.
6.2. Energía libre estándar de formación.
6.3. Energía libre estándar de reacción.
6.4. La temperatura y los cambios espontáneos.
6.5. Ejercicios.
Una forma de trabajo mecánico frecuentemente encontrada
en la práctica es aquella asociada con la expansión o
compresión de un gas en dispositivo cilindro-pistón. Durante
este proceso, parte de la frontera (cara interior del pistón) se
mueve y el trabajo asociado con el movimiento de dicha
frontera se conoce como trabajo de frontera móvil o
simplemente trabajo de frontera.
ENERGÉTICA AVANZADA - 1Conceptos Básicos de Termodinámica.pdfElderMarinoMendozaOr
12. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES
12.1 Línea de alta tensión y acometida.
La función principal de la red subterránea de Alta Tensión es la de alimentar al
centro de transformación, desde la red eléctrica de la compañía suministradora, la cual
suministra energía al edificio cuando la instalación eléctrica funcione en un régimen
normal de funcionamiento. Esta línea está comprendida entre la Red de Distribución
Publica y el Centro de Transformación.
Se dispone de dos líneas para la acometida subterránea, ambas líneas de
entrada/salida, ya que así lo requiere la compañía suministradora según las Normas
Particulares y Condiciones Técnicas y de seguridad de la empresa distribuidora de
energía eléctrica, Endesa Distribución.
Cada línea se dispondrá con una terna de tres cables unipolares del tipo AL
Voltalene o similar, de aluminio, aislamiento de polietileno reticulado (XLPE), con
sección de 240 mm2 y de pantalla de 16 mm2 (equivalente en cobre) y una tensión de
servicio de 18/30 kV, los cuales van bajo tubo PE de doble capa con pared interior lisa y
160 mm de diámetro, cumpliendo con la norma de Endesa Distribución DND001 y las
especificaciones técnicas de materiales 670002.
Memoria descriptiva
12
FIGURA 12.1: Composición del cable del tipo AL VOLTALENE.
Para la proyección y ejecución de esta red subterránea se ha seguido todo lo
dictado en Reglamento Eléctrico de Líneas de Alta Tensión, más concretamente la
instrucción ITC-LAT-06.
Para la elección de los dispositivos de corte y protección, se tienen en cuenta las
condiciones dadas por el Reglamento Electrotécnico de BT.
La naturaleza de los servicios es de corriente alterna trifásica a 20 kV a una
frecuencia de 50Hz.
En cuanto a las intensidades de cortocircuito que podrá soportar la línea, estas
serán de 16 kA durante 1 segundo (intensidad de cortocircuito térmica), y de 40 kA
(intensidad de cortocircuito dinámica) para el valor de cresta, en redes de AT ante un
cortocircuito entre fases.
12.2 Centro de transformación
La acometida al mismo será subterránea, alimentando al centro mediante una
red de Alta Tensión, y el suministro de energía se efectuara a una tensión de servicio de
20 kV y una frecuencia de 50 Hz, siendo la Compañía Eléctrica suministradora Endesa
Distribución.
12.2.1. Características del material.
El centro de transformación objeto del presente proyecto será de tipo interior,
empleando para su aparellaje celdas prefabricadas bajo envolvente metálica según
norma UNE-EN 60298.
12.2.1.1. Local.
El Centro está ubicado en una caseta independiente destinada únicamente a esta
finalidad.
Memoria descriptiva
13
La caseta será de construcción prefabricada de hormigón tipo EHC-3T1D con
una puerta peatonal de Merlin Gerin, de dimensiones 7,500 x 2,500 y altura útil 2,535
mm., cuyas características se describen en esta memoria.
El acceso al C.T. esta restringido al personal de la Compañía Eléctrica
suministradora y al personal de mantenimiento especialmente autorizado. Se dispondrá
2. Sistema, frontera y entorno.
Para el estudio Termodinámico lo primero que debemos definir es el
SISTEMA, el cual se entiende como la parte del universo cuyas
propiedades se desean investigar. Está confinado a un lugar en el
espacio definido por la frontera (real o hipotética) y el resto del
universo se denomina entorno.
Clasificación de Sistema
Según su interacción con el entorno, el sistema se clasifica como:
• Sistema Abierto: interacciona con el entorno intercambiando
materia y energía.
• Sistema Cerrado: intercambia energía con el entorno, mas no
materia.
• Sistema Aislado: No intercambian en lo absoluto con el entorno.
Constituye una idealización de mucha ayuda en la
Termodinámica.
3. Según las fases que lo constituyen, los sistemas también se clasifican
como:
• Homogéneos: sistemas constituidos por una sola fase. Las
propiedades termodinámicas tienen el mismo valor en todos los
puntos del sistema.
• Heterogéneo: el sistema está constituido por varias fases
separadas entre sí por una interface. Las propiedades
termodinámicas no son las mismas en todos los puntos del
sistema.
Variables o Propiedades Termodinámicas
Para describir un sistema termodinámico debemos conocer los valores de
una serie de propiedades observables macroscópicamente, llamadas
variables o propiedades termodinámicas, por ejemplo, presión (P),
temperatura (T), densidad (ρ), volumen (V), entre otros. No todas las
variables termodinámicas son independientes, ya que una vez definidas
algunas de ellas las otras pueden obtenerse en función de estas, mediante
una ecuación de estado.
Las variables termodinámicas pueden clasificarse en:
• Extensivas: son aquellas que dependen de la cantidad de materia.
Por ejemplo el volumen, ya que el volumen que representa a un
kilo de agua, es direfente alvolumen que representa diez kilos de
agua.
• Intensivas: son las independientes de la cantidad de materia. Por
ejemplo el punto de ebullición, ya que si se tiene un litro de agua,
su punto de ebullición es 100°C (a la presión de 1atm). Si se
agrega otro litro de agua, el nuevo sistema, formado por dos litros
de agua, tiene el mismo punto de ebullición que el sistema
original.
En general el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da una
magnitud intensiva, por ejemplo la división entre la masa y el volumen
nos da la densidad.
4. Estado de un Sistema
El estado de un sistema, es la condición del mismo en un momento dado
y queda definido cuando cada una de sus propiedades tiene un valor
definido. Si un sistema en dos momentos distintos presenta los mismos
valores de sus propiedades, se dice que estuvo en el mismo estado en
ambos instantes.
Ahora bien, si un sistema en dos momentos distintos presenta variación
en al menos una de sus propiedades, se dice que ha ocurrido un cambio
de estado. Este cambio de estado que se verifica en el sistema está
totalmente definido cuando se especifican los estados inicial y final, en
términos de las propiedades que lo definen.
Procesos Termodinámicos
Se entiende como proceso termodinámico al conjunto de
transformaciones que ocurren cuando un sistema evoluciona desde un
estado inicial hacia un estado final.
Algunos procesos se caracterizan por ocurrir bajo una restricción
impuesta durante la realización del mismo y por lo tanto se les asignan
un nombre especial.
• Procesos Isotérmicos: son aquellos en que la temperatura
permanece constante en el curso de las transformaciones.
• Procesos Isobáricos: la presión permanece constante durante el
proceso.
• Procesos Isocóricos: se lleva a cabo en un sistema de paredes rígidas
por lo tanto el volumen es constante.
• Procesos Adiabáticos: no hay absorción ni desprendimiento de calor
por parte del sistema. En otras palabras, no existe transferencia de
calor.
5. Equilibrio Termodinámico
Cuando las propiedades de estado toman un valor constante en el
tiempo, se dice que el sistema ha alcanzado el Estado de Equilibrio
Termodinámico.
Entonces podemos afirmar que un sistema está en equilibrio si, y solo
si, está en un estado desde el cual no es posible ningún cambio sin que
haya cambios netos en el entorno. Esto nos quiere decir, que todos los
sistemas tienden a un estado de equilibrio siempre y cuando se aíslen
de los alrededores suficiente tiempo.
El equilibrio Termodinámico implica tres equilibrios distintos y
simultáneos, estos son:
• Equilibrio Térmico: la temperatura es igual en cualquier punto del
sistema.
• Equilibrio Mecánico: la presión es la misma en todo el sistema.
• Equilibrio Químico: es cuando la composición química del sistema
no varía con el tiempo.
Se dice que un sistema en equilibrio es estable si luego de una
perturbación en las condiciones del sistema este vuelve a su estado
original, a diferencia del sistema inestable. En cambio un sistema meta
estable se comportará como un sistema estable siempre y cuando la
perturbación sobre el sistema no sea lo suficientemente grande.
Ley Cero de la Termodinámica
La ley cero de la Termodinámica establece que si dos cuerpos A y B
están en equilibrio térmico y a su vez B está en equilibrio térmico con
otro cuerpo C; entonces A y C están también en equilibrio térmico. De
esta definición podemos establecer entonces que el equilibrio térmico
es una propiedad transitiva.
Por definición tenemos entonces: dos sistemas en equilibrio térmico
entre sí tienen la misma temperatura; dos sistemas que no están en
6. equilibrio térmico entre sí tienen temperaturas diferentes. De esta
manera hemos definido la temperatura como la propiedad
termodinámica común en los sistemas de equilibrio térmico.
Ahora ¿cómo medimos la temperatura? Seguramente ya tienes la
respuesta a esto y sabes que es mediante los Termómetros; en la
industria encontramos comúnmente los termómetros de bulbo y las
termocuplas o termopares. Los primeros se basan en el hecho de que la
variación de volumen de los líquidos es en muchos casos proporcional a
la temperatura (esto es más acertado para los metales, de allí que el
mercurio sea el fluido más utilizado en los termómetros), los segundos
se fundamentan en el fenómeno de que si ciertos metales se ponen en
contacto en dos puntos a temperaturas diferentes se produce una
fuerza electromotriz (fem) que es proporcional a la diferencia de
temperatura.
En general, dada una propiedad que varíe con la temperatura, esta se
puede utilizar para construir un termómetro.
Bibliografía
• Castellan, G (1987). Fisicoquímica (2da.ed.). Juárez, México:
Addison Wesley Longman.
• Di Salvo, E (2002). Primera ley de la Termodinámica. [Multimedia
en CD]. Disponible: Universidad Pedagógica Experimental
Libertador IPMAR.
• Maron, S y Prutton, C (2004). Fundamentos de
Fisicoquímica. Balderas, México: Limusa.
• Müller, E (2002). Termodinámica Básica (2da.ed.). Caracas,
Venezuela: Consultora Kemiteknik.
• Levine, I (2005). Fisicoquímica. Volumen 1. Madrid, España:
McGRAW-HILL / Interamericana de España.