Los Procesos Termodinámicos

Elaborado por: Miguel A. Pacheco

Procesos Reversibles E Irreversibles

Un proceso reversible es aquel que se puede detener en cualquier etapa e invertirse su sentido mediante un cambio infinitesimal de las condiciones externas; es decir, el sistema y los alrededores se restauran “exactamente” a sus estados originales.Este proceso tiene las siguientes características:1. La ruta inversa debe pasar por los mismos estados recorridos

en la trayectoria hacia “adelante”.2. Cuando estos procesos se revierten no queda una historia de

eventos a sus alrededores (no queda huella del proceso).3. El sistema debe pasar a través de una serie de estados en

equilibrio.

Aunque, en realidad, nunca pueden realizarse, los procesos reversibles son importantes debido a que son los límites a los que se aproximan todos los procesos reales a medida que se hacen más pequeñas las pérdidas por fricción y de otras clases.Ningún proceso real es realmente reversible, pero algunos tienden a la reversibilidad, hasta una aproximación cercana.Algunos ejemplos de procesos casi reversibles son:• Electrólisis• Expansión o compresión isotérmica.• Expansión o compresión adiabática sin fricción de un

fluido.• Expansión o compresión de un resorte.• Expansión o compresión politrópica de un fluido.

Un proceso irreversible es aquel en el que el calor se transfiere a través de una temperatura finita.En palabras más sencillas, un proceso irreversible es aquel que no se puede invertir sin dejar atrás rastro de su existencia.Algunos ejemplos de procesos irreversibles son:• Combustión• Expansión libre• Deformación plástica• Transferencia de calor• Difusión • EstrangulamientoLos procesos naturales, reales o no ideales son irreversibles.

Procesos “Iso”

Son aquellos procesos en los cuales una de las magnitudes permanece constante.Se les asigna el prefijo iso- que significa igual.Ejemplos de estos procesos son:• El Isotérmico• El Isobárico• El isocórico/isométrico/isovolumétrico• El Isoentálpico• El Isentrópico/Isoentrópico

Primera Ley de la Termodinámica

Para un sistema cerrado:

1. Si no hay cambios de temperatura o de fase ni reacciones químicas en un sistema cerrado y si los cambios de presión son menores de unas cuantas atmosferas, entonces .

2. Si el sistema no tiene aceleración, Si el sistema no se eleva ni cae, entonces .

3. Si el sistema está perfectamente aislado, entonces .4. Si no hay partes móviles ni corrientes eléctricas ni

radiaciones en las fronteras del sistema, entonces .

Para los procesos que estudiaremos a continuación se considera un sistema en donde las energías cinética y potencial son nulas. Por lo que la Ecuación de la Primera Ley de la Termodinámica se reduce a:

Donde: es el aumento de la energía interna del sistema. es el calor absorbido por el mismo del ambiente que lo

rodea. es el trabajo realizado por el sisitema sobre el medio

ambiente.Recordemos que:

es una función de estado, por lo que no depende del trayecto.

y son funciones de trayectoria.

Proceso Isotérmico

Un proceso a temperatura constante se denomina proceso isotérmico. Cuando una sustancia de trabajo contenida en un sistema cilindro-pistón se expande desde una presión alta hasta una presión baja hay una tendencia de la temperatura a disminuir. En una expansión isotérmica se debe agregar calor de manera continua a fin de mantener la temperatura en el valor inicial. De manera similar, en una compresión isotérmica se debe remover calor de manera continua de la sustancia de trabajo durante el proceso.Recordamos que la Ley de Joule establece lo siguiente:

“La energía interna de un gas perfecto es una función sólo de la temperatura absoluta”

Si , entonces .Por lo tanto:

El trabajo realizado es:

(Área bajo la Isoterma)Según la Ley de los Gases Ideales:

Sustituyendo…

PRESIÓN

𝑉 1 𝑉 2

𝑃1

𝑃2

Isoterma

𝑨

𝑩

Diagrama de un proceso de expansión isotérmica

VOLUMEN

𝑸=𝑾

Sabiendo que:

Por lo tanto:

Queda claro que el trabajo se realizará a expensas del calor suministrado al sistema durante el proceso.

𝑸=𝑾=𝑛𝑅𝑇𝑙𝑛𝑉 2

𝑉 1

Proceso Isocórico o Isométrico

PRESIÓN

𝑽 𝟏=𝑽 𝟐

𝑃1

𝑃2

𝑨

𝑩

El trabajo realizado

ya que

Si se mantiene constante:

En un proceso a volumen constante la sustancia de trabajo esté contenida en un recipiente rígido; de aquí que las fronteras del sistema sean inmóviles y no se puede realizar trabajo en o por el sistema, que no sea la entrada de trabajo de la rueda de paletas. Se supondrá que el trabajo para este proceso es nulo a menos que se indique lo contrario.

Proceso Isobárico

Cuando un sistema toma parte en un proceso a presión constante, y el único trabajo realizado es el de expansión y compresión, se tiene, según la Primera Ley de la Termodinámica:

Como en Termodinámica se encuentran muchos de estos procesos, conviene simplificar la combinación de propiedades , utilizando el símbolo Esta propiedad se denomina contenido calorífico o entalpía, y para el proceso isobárico estudiado, es

El incremento del contenido calorífico del sistema es igual al calor absorbido por el mismo, durante un proceso isobárico, cuando el único trabajo realizado es el de compresión o expansión.Para un gas perfecto:

Si es constante

Sabemos que A B

P

V𝑽 𝟏

𝑽 𝟐

(𝑽 𝟐−𝑽 𝟏)

P

Proceso Adiabático Reversible

Ecuación General:Un sistema o proceso adiabático es aquel que no intercambia calor con el medio que lo rodea; es decir, . Este proceso puede ser reversible o irreversible. El proceso sin flujo adiabático reversible es el que se considerará en esta presentación.Por consiguiente, según la primera ley:

La ecuación anterior es válida para un proceso adiabático ya sea que el proceso sea reversible o no. En una expansión adiabática, el trabajo realizado por el fluido ocurre a costa de una reducción en la energía interna del fluido. De manera similar, en un proceso adiabático de compresión todo el trabajo realizado sobre el fluido es para aumentar la energía interna del fluido.Para que un proceso adiabático tenga lugar, el sistema debe disponer de un aislamiento térmico perfecto.

Cuando se aplica al gas perfecto, la ecuación anterior se convierte en:

Para un gas perfecto sometido a una expansión o compresión adiabática reversible.

Si consideramos que permanece constante, se obtiene

Sabiendo que

Obtenemos la expresión para el trabajo (W):

Los valores del Coeficiente de dilatación adiabática () son siempre mayores a la unidad.En general, los valores aproximados para son los siguientes:

Para gases monoatómicos ideales como el y el .Para gases biatómicos como el Para gases triatómicos como el y el

PRESIÓN

𝑉 1 𝑉 2

𝑃1

𝑃2

𝑷𝑽 𝜸=𝑪𝒕𝒆

𝑨

𝑩

VOLUMEN

∆𝑼=−𝑾

Diagrama de un proceso adiabático reversible para un gas perfecto