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      Capítulo 1

      Termodinámica y transmisión de calor

1. Introducción

      La termodinámica es una rama de la física que trata el estudio de las transformaciones energéticas y las relaciones existentes entre las diferentes propiedades físicas de las sustancias que sufren dichas transformaciones. El origen de esta ciencia se remonta al uso del calor para la creación de trabajo, mediante las llamadas máquinas térmicas.

      Aunque la termodinámica es una ciencia que puede entenderse sin un conocimiento muy profundo de física, a lo largo del capítulo se expondrán conceptos básicos tales como unidades, sistemas de conversión, escalas termométricas, etc.

      Para establecer la eficiencia energética de un sistema, es necesario el estudio de la termodinámica desde un punto de vista práctico, que nos permita relacionar conceptos teóricos aplicados a una instalación. De la aplicación de los principios termodinámicos, debemos ser capaces de calcular, a través de las mediciones obtenidas de una instalación existente, la eficiencia de la misma, además de evaluar la posibilidad de la mejora en el rendimiento de los procesos y la disminución de las pérdidas.

2. Conceptos básicos de termodinámica

      Para estudiar un proceso termodinámico de una instalación, deben establecerse los límites del sistema. El sistema termodinámico es la parte del espacio que se encuentra separado del resto del entorno mediante un límite definido, aunque pueda permitir el intercambio de energía y materia.

       Ejemplo

      Una tubería es un ejemplo de sistema termodinámico, ya que en una sección de esta, las paredes de la tubería aíslan el interior respecto del entorno; sin embargo, estas pueden intercambiar materia (agua, gas, aceite...) y energía (calor) con el entorno.

      El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos. Los límites pueden permitir el intercambio de materia y energía. Clases de sistemas:

      1 Cerrado: donde la masa o materia es constante y solo se intercambia energía.

      2 Abierto: donde, además de energía, también se intercambia materia con el entorno.

      3 Aislado: entre el sistema y el entorno no se produce intercambio de materia ni energía.

       Actividades

      1. Busque en su entorno tres ejemplos distintos de sistemas, diferencie cuáles son sus límites e identifique de forma razonada de qué clase de sistema se trata.

      2.1. Unidades y conversión

      El estado de un sistema se determina por el conocimiento de una serie de propiedades expresadas en unidades. Estas propiedades pueden relacionarse entre ellas, por lo que es necesario establecer sistemas de conversión.

       Definición

       Estado de un sistema

      Es la situación termodinámica en la que se encuentra dicho sistema en el momento de estudio.

      Mediante las propiedades, podemos calcular los cambios de energía que se producen en un sistema. Se pueden encontrar dos clases de propiedades:

      1 Las que dependen de la masa: propiedades extensivas.

      2 Las que no dependen de la masa del sistema: propiedades intensivas.

       Presión

      La presión es una propiedad intensiva de un sistema termodinámico, cuya unidad en el Sistema Internacional (SI) se expresa mediante Pascales (Pa). Presión es el resultado de aplicar una determinada fuerza (Newton), en una superficie (m²).

      Donde:

       P = Presión (Pa).

       F = Es la fuerza aplicada para ejercer dicha presión (N).

       A = Es la superficie de aplicación de la presión (m2).

      Aunque siempre se deben expresar las unidades en SI, existen situaciones en las que resulta más cómodo convertirlas a otras unidades equivalentes.

	bar	N/mm2	kp/m2
1 Pa (N/m2)	10-5	10-6	0,102

      Por otra parte, una atmósfera (atm) es igual a:

      1 atm = 101.325 Pa = 760 mmHg

      Donde mmHg es la presión medida en milímetros de Mercurio.

       Ejemplo

      Vamos a estudiar dos métodos para convertir unidades:

      1 ¿Cuántos Pascales son 350 · 10-5 N/mm2?Partiendo de 1 Pa = 10-6 N/mm2 Multiplicamos en cruz: 10-6 N/mm2 = 1 Pa 350 · 10-5 N/mm2 = X PaPartiendo de 1 Pa = 1 N/m2 y de 1 m2 = 1.000.000 mm2 = 1 · 106 mm2 Convertimos los N/mm2 en N/m2 350 · 10-5 N/mm2 = 350 · 10-5 N * 106 mm2Donde los mm2 se anulan y nos queda: 3500 N/m2 = 3500 Pa

      2 ¿Cuántos Pascales son 0,052 mmHg? Partiendo de 760 mmHg = 101.325 Pa 0,052 mmHg = X Pa

       Temperatura

      La temperatura es un parámetro que nos permite cuantificar la variación de calor que sufre un determinado sistema. Al igual que la presión, se trata de una propiedad intensiva y sus unidades se expresan en grados Kelvin (°K).

       Densidad

      La densidad es una propiedad termodinámica de carácter intensiva. La densidad es la cantidad de masa existente en un sistema dentro del volumen determinado por el mismo, sus unidades en el SI son Kg/m³.

       Volumen

      Se entiende por volumen el espacio encerrado dentro de

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