Procesos termodinámicos

Proceso adiabático.

En este proceso el sistema ni gana ni pierde calor. Se puede realizar este proceso rodeando el sistema con una capa gruesa de material aislante, o realizando rápidamente el proceso. El flujo de calor requiere un tiempo finito, por lo que un proceso suficientemente rápido será, para efectos prácticos, adiabático. Aplicando la primera ley tenemos:

Es decir, la variación de energía interna en un proceso adiabático es a igual en magnitud al trabajo realizado por el sistema. Además, se deduce que cuando W es positivo, como en el caso de un sistema que se expande, la energía interna del sistema disminuye. La comprensión de la mezcla de vapor de gasolina y aire que tiene lugar durante la carrera de comprensión de un motor de explosión es un ejemplo aproximado de un proceso adiabático que implica una elevación de temperatura. La expansión de los productos de combustión durante la carrera de trabajo del motor es aproximadamente un ejemplo de proceso adiabático, el cual implica una disminución en la temperatura. Esto es, un aumento de la variación de energía interna tiene asociado un aumento de temperatura.

Proceso isocóro.

En este proceso no hay variación de volumen en el sistema que lo realiza, ΔV=0, y por lo tanto no hay realización de trabajo por parte del sistema, W=0. Un ejemplo de este es un gas encerrado en un cilindro de volumen constante, al cual se le suministra un flujo calorífico y el causa variaciones en la temperatura y en la presión. Al igual que la preparación de café o la cocción de alimentos.

Todo calor añadido al sistema es empleado en aumentar la energía interna de éste.

Proceso isotermo.

En este proceso la temperatura es constante, y por tanto las variaciones de presión y volumen se efectúan muy lento a fin de que el estado alcance el equilibrio térmico. Un ejemplo de este son en gran parte todas las actividades celulares, de igual  forma, en toda reacción química que logre el equilibrio térmico, realiza un proceso isotermo. Generalmente ninguna de las magnitudes Q,W, o ΔU es nula. Sólo en algunos casos la energía interna del sistema depende de la temperatura, y  no de la presión o del volumen. Estos son, un gas ideal y un cristal paramagnético ideal. Cuando uno de estos pasa por un proceso isotermo, su energía interna no varía, pues Q=W.

Proceso isobárico.

En este proceso la presión permanece constante. Un ejemplo es el cilindro dentro de los motores, pues el gas se expande al calentarse y por tanto empuja un cilindro, variando así el volumen. O la ebullión del agua en un recipiente sin tapa, siendo la presión atmosférica la ejercida.

Una expresión (ya vista en el blog) para este proceso es:

tenemos entonces:

Aplicando la primera ley termodinámica:

Ahora, introduciremos un nuevo concepto al cual llamaremos Entalpía (H), y la definiremos como el flujo de energía calorífica en un proceso químico efectuado a presión constante.

H=U+PV

Siendo en un proceso isobárico igual al calor suministrado al sistema.

Proceso de estrangulación.

Un proceso de Estrangulación es aquel en el cual un fluido, inicialmente a presión elevada constante, pasa a través de una válvula a una región de presión inferior constante sin que tenga lugar transferencia de calor. Este proceso obedece el efecto Joule-Thomson el cual consiste en que la temperatura de un sistema se eleva o disminuye al permitir que el sistema se expanda libremente, manteniendo la entalpía constante. El proceso consiste en dos cilindros adibáticos separados por un tabique poroso.

Se miden las presiones en los dos recipientes e igualmente sus temperaturas. Los volúmenes de los recipientes son determinados de tal manera que las presiones P1 y P2 no varíen, además, para que P1 sea mayor que P2. Se empieza por comprimir el fluido hasta P1.

Debido a la comprensión del cilindro el fluido aumenta de temperatura, y debido a que el fluido se empieza expandir en el cilindro derecho disminuye su temperatura.

El trabajo neto efectuado es la diferencia entre el trabajo hecho para empujar el pistón de la derecha hacia afuera, y el realizado al obligar a entrar al pistón de la izquierda. Sean V1 y V2 los volúmenes inicial y final. Debido a que el fluido de baja presión pasa de un volumen cero a V2 a la presión constante P2 tenemos:

En el caso del fluido a alta presión, pasa de V1 a un volumen cero a la presión P1, el trabajo realizado es:

El trabajo neto realizado por el sistema es:

Como el proceso es adiabático Q=0, por tanto, en virtud de la primera ley tenemos:

Este resultado es de gran importancia en la Ingeniería de vapor y en la refrigeración. Como ya hemos mencionado, U+PV es entalpía. El proceso descrito, el de Estrangulación es la base teórica del frigorífico, pues es el proceso que origina la caída de temperatura necesaria para la refrigeración.