Introducción a la Termodinámica

• La termodinámica aborda el estudio de la energía, las transformaciones que experimenta y su relación intrínseca con las propiedades macroscópicas de la materia.

Conceptos básicos de termodinámica

• Sistema termodinámico: Es una región del espacio delimitada para su análisis, clasificándose en abierto (intercambia masa y energía), cerrado (intercambia energía, pero no masa) o aislado (no intercambia ni masa ni energía).
• Estado termodinámico: Se refiere a la condición específica de un sistema, definida por sus propiedades medibles como presión, temperatura y volumen.
• Proceso termodinámico: Implica la transformación de un sistema de un estado a otro, modificando sus propiedades.
• Equilibrio termodinámico: Es un estado en el cual no se observan cambios macroscópicos dentro del sistema, ni flujos de energía o materia.
• Ley Cero de la Termodinámica: Establece que si dos sistemas están individualmente en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces los dos primeros también están en equilibrio térmico entre sí.
• Primera Ley de la Termodinámica: Postula que la energía interna de un sistema aislado permanece constante; el cambio en la energía interna es igual al calor añadido al sistema menos el trabajo realizado por el sistema (ΔU = Q - W).
• Segunda Ley de la Termodinámica: Indica que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta o, en el caso ideal de un proceso reversible, permanece constante.
• Tercera Ley de la Termodinámica: Afirma que la entropía de un sistema tiende a un valor mínimo conforme la temperatura se aproxima al cero absoluto.

Diagramas de Mollier

• Los diagramas de Mollier, también denominados diagramas de entalpía-entropía (h-s), son representaciones gráficas que muestran las propiedades termodinámicas de una sustancia, comúnmente un fluido de trabajo.
• Estos diagramas son ampliamente utilizados en la ingeniería termodinámica para el análisis y diseño de ciclos termodinámicos, tales como los ciclos de vapor en centrales eléctricas o los ciclos de refrigeración.
• En un diagrama de Mollier, la entalpía (h) se representa en el eje vertical, mientras que la entropía (s) se representa en el eje horizontal.
• Cada punto trazado en el diagrama corresponde a un estado termodinámico específico de la sustancia en cuestión.

Características del diagrama de Mollier

• Curva de saturación: Esta curva es esencial para delimitar las regiones de líquido subenfriado, vapor húmedo y vapor sobrecalentado dentro del diagrama.
  • El punto crítico se define en la curva de saturación como el estado en el que las fases líquida y vapor se vuelven imposibles de distinguir entre sí.
• Líneas de temperatura constante (isotermas): Estas líneas muestran cómo varía la entalpía con respecto a la entropía manteniendo la temperatura constante.
  • En la región de vapor sobrecalentado, las isotermas tienden a mostrar un comportamiento casi horizontal.
• Líneas de presión constante (isobaras): Estas líneas representan la relación entre la entalpía y la entropía cuando la presión se mantiene constante.
  • Dentro de la campana de saturación, las isobaras se representan como líneas horizontales, lo cual refleja la relación directa entre la presión y la temperatura durante el cambio de fase.
• Líneas de volumen específico constante (isócoras): Estas líneas indican el volumen que ocupa una unidad de masa de la sustancia.
• Líneas de calidad constante (título): Dentro de la región de vapor húmedo, estas líneas representan la fracción de la masa total que se encuentra en fase de vapor.
  • La calidad (x) varía desde 0, que representa el estado de líquido saturado, hasta 1, que indica vapor saturado.
• Región de líquido subenfriado: Esta región se encuentra ubicada a la izquierda de la línea que representa el líquido saturado.
• Región de vapor húmedo: Esta región se encuentra comprendida dentro de la campana de saturación.
• Región de vapor sobrecalentado: Esta región se encuentra ubicada a la derecha de la línea de vapor saturado.

Usos del diagrama de Mollier

• Determinación de propiedades termodinámicas: Facilita la obtención de valores de entalpía, entropía, presión, temperatura, volumen específico y calidad de una sustancia en un estado termodinámico dado.
• Análisis de ciclos termodinámicos: Permite visualizar y calcular los cambios de estado en ciclos como el de Rankine (para ciclos de vapor) y los ciclos de refrigeración.
• Cálculo de trabajo y calor: Facilita la determinación de las cantidades de trabajo y calor que intervienen en diversos procesos termodinámicos.
• Diseño de turbinas y compresores: Ayuda a optimizar el diseño de turbinas y compresores, permitiendo evaluar las condiciones de entrada y salida, así como el rendimiento de estos componentes.

Aplicaciones específicas

• Ciclo de Rankine: Para el análisis del ciclo de Rankine, utilizado en centrales termoeléctricas, el diagrama de Mollier es útil para determinar las entalpías en puntos clave del ciclo (bomba, caldera, turbina, condensador) y para calcular la eficiencia general del ciclo.
• Refrigeración: En los ciclos de refrigeración, Los diagramas de Mollier facilitan la visualización de los cambios de estado del refrigerante en componentes como el compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador, además de permitir el cálculo del coeficiente de rendimiento (COP).
• Acondicionamiento de aire: Los diagramas psicrométricos, que son una variación de los diagramas de Mollier, se utilizan para analizar y diseñar sistemas de acondicionamiento de aire, teniendo en cuenta las propiedades del aire húmedo.
• Turbinas de vapor: En el diseño y análisis de turbinas de vapor, el diagrama de Mollier es esencial para determinar la expansión del vapor y evaluar la eficiencia de la turbina.

Ventajas del diagrama de Mollier

• Visualización clara: Permite una representación gráfica de las propiedades termodinámicas, facilitando la comprensión de los procesos.
• Facilidad de uso: Simplifica los cálculos termodinámicos al proporcionar una herramienta visual para determinar las propiedades de una sustancia.
• Rapidez: Agiliza el análisis de ciclos termodinámicos al permitir la determinación rápida de las propiedades en diferentes puntos del ciclo.

Limitaciones del diagrama de Mollier

• Precisión limitada: La precisión de los valores obtenidos del diagrama depende de la escala y la calidad del gráfico.
• Especificidad de la sustancia: Cada sustancia tiene su propio diagrama de Mollier, por lo que no es una herramienta universal.
• Interpolación: La lectura de valores intermedios puede requerir interpolación, lo que introduce errores adicionales.