Entalpía y Entropía

Entalpía Termodinámica

• La entalpía, simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor,

• Es calculada en joules en el sistema internacional de unidades o también en kcal o, si no, dentro del sistema anglo: "BTU”

• Es una variable de estado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.

Entalpía Termodinámica

• La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente.

• El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido o cedido por el sistema durante dicho proceso.

Entalpía Termodinámica

• La entalpía se define mediante la siguiente fórmula:

H = U + pV

• Donde:

– H es la entalpía (en joules).

– U es la energía interna (en joules).

– p es la presión del sistema (en pascales).

– V es el volumen del sistema (en metros cúbicos).

Un caso:

• Debemos considerar que los procesos de transferencia térmica en un sistema, deben estar contenidos en un ambiente, como por ejemplo: el circuito cerrado de un fluido dentro de las cañerías de un sistema de refrigeración como los de los frigoríficos y el ambiente donde se acondiciona la temperatura que debe estar aislado del medio exterior.

• Dentro del sistema el fluido pasa por diferentes estados físicos tomando como referencia la salida de alta presión del compresor tenemos;

Un caso:

a. A un fluido refrigerante el compresor le adiciona energía comprimiéndolo a alta presión en estado gaseoso, las variables son:

1. estado del fluido = Gaseoso,

2. Presión del fluido = Alta,

3. Volumen del fluido = grande,

4. Densidad del fluido = baja,

5. Temperatura = Alta.

Un caso:

b. En un medio que permite la transferencia térmica llamado condensador, el fluido realiza un trabajo cediendo energía calórica al medio ambiente, es decir se enfría y cambia de estado gaseoso al estado líquido, las variables son:

1. estado del fluido = gaseoso a la entrada del intercambiador de calor y líquido a la salida del intercambiador de calor;

2. presión del fluido = muy alta;3. volumen del fluido líquido = mínimo,4. densidad del fluido = grande o máximo. El

fluido líquido se junta en un depósito.

Un caso:c. Con un medio de control adecuado llamado

válvula de expansión termostática se regula el caudal del fluido líquido.

d. Nuevamente el fluido en estado líquido se inyecta en un medio que permite la transferencia térmica llamado evaporador, realizando ahora un trabajo inverso es decir el líquido proveniente del depósito y a presión alta es regulado por la válvula de expansión por diferencia de presiones, disminuyendo bruscamente de presión lo que origina que se expanda, esto precipita su evaporación para lo que requiere extraer calor del entorno (por lo que decimos que se está enfriando ya que se siente helado al tacto, pues nos "roba calor", calor que utiliza para cambiar de estado líquido a gaseoso),

Un caso:

d. los productos que están en el compartimiento del evaporador realizan un trabajo cediendo ese calor, este calor calienta el evaporador y el fluido refrigerante por ende absorbe calor expandiéndose (y evaporándose) más, las variables son:

1. estado del fluido = líquido a la entrada del intercambiador de calor o evaporador y gaseoso a la salida del intercambiador de calor.

2. Presión del fluido = mínima o muy baja.

3. Volumen del fluido gasificado = Máximo.

4. Densidad del fluido = Mínimo.

5. Temperatura del fluido refrigerador muy baja.

Un caso:

• Después de esta etapa se vuelve otra vez al ciclo iniciado en el punto A repitiendo (en teoría) infinitamente el ciclo completo.

• Debemos observar que en este sistema hay 4 importantes elementos que combinados adecuadamente hacen posible la refrigeración mecánica, hoy indispensable en la vida del hombre moderno.

1.El primer elemento es el compresor que suministra potencia o adiciona energía mecánica externa al sistema al comprimir el fluido gaseoso interno, de tal manera que la presión (y como consecuencia la temperatura) del mismo aumentan.

Un caso:

2. El segundo elemento es el medio difusor de energía calorífica, llamado intercambiador de calor que permite liberar el calor del fluido desde este al entorno próximo a través de las paredes de los tubos y aletas del condensador . De esta forma el fluido refrigerante a alta presión en el interior del condensador por efecto del enfriamiento del mismo cambia de estado gaseoso a fase líquido sin disminuir (idealmente) su presión. El refrigerante ahora más frío, líquido y a alta presión (10 kg/cm² -15 kg/cm²) es incompresible por lo tanto se debe recolectar en un tubo o depósito.

Un caso:

3. El fluido guardado en el depósito en estado líquido es transferido al tercer elemento del sistema llamado la válvula de expansión (válvula de temperatura estable) que regulará el caudal o flujo másico del líquido refrigerante entregándolo al cuarto elemento del sistema, un nuevo intercambiador de calor que ahora funcionará inversamente, por lo que su nombre varía al de evaporador (ya que el refrigerante se evapora en su interior), es decir captará el calor del aire del medio ambiente o entorno que lo rodea a través de sus paredes hacia el refrigerante.

Un caso:

3. Es por esto que al ir recorriendo el interior de los tubos del evaporador el fluido se va calentando, con lo que las moléculas del refrigerante en estado líquido al incrementar su energía interna aumentan su frecuencia vibratoria (La cantidad de calor de un cuerpo a nivel molecular se manifiesta como mayor o menor vibración, en donde la inamovilidad atómica y molecular representa ausencia total de calor, 0 kelvin o cero absoluto) llegando a un punto que es tan grande la velocidad de estas que se escapan cambiando de estado de líquido a gaseoso

Conclusión• Este ciclo en teoría se repite infinitamente, como se podrá

observar el funcionamiento de este ingenio llamado máquina de refrigeración se puede extractar en dos pasos;A. Etapa de alta presión que estará compuesta por el compresor,

condensador y depósito acumulador.B. Etapa de baja presión compuesta por la válvula termostática y el

evaporador.

• El modo de funcionamiento sería de la siguiente forma;• En un ambiente acondicionado por su hermeticidad las cosas

guardadas en esta cámara (freezer, congelador, cámara frigorífica, etc) ceden energía (bajando su temperatura) a través de un intercambiador de calor llamado evaporador, hacia el fluido refrigerante, propiciando su cambio de estado de líquido a gas, el que a su vez de acuerdo a la disposición del circuito cede energía (bajando la temperatura del fluido) al medio ambiente exterior (el aire que nos rodea) a través de otro intercambiador de calor llamado condensador.

Entropía

• En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

• Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural.

• La palabra entropía procede del griego y significa evolución o transformación.

Entropía

• Por ejemplo, si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que eventualmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, logrando al final una temperatura uniforme. Sin embargo, el proceso inverso, el trozo caliente calentándose y el trozo frío enfriándose es muy improbable a pesar de conservar la energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía.

Entropía

• La función termodinámica entropía, S, es central para la segunda Ley de la Termodinámica. La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Puesto que un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.

Entropía

• La entropía, coloquialmente, puede considerarse como el desorden de un sistema, es decir, cuán homogéneo está el sistema. Un ejemplo doméstico, sería el de lanzar un vaso de cristal al suelo, este tenderá a romperse y esparcirse mientras que jamás conseguiremos que lanzando trozos de cristal se forme un vaso.

Entropía• Cuando no se produce variación de temperatura (proceso

isotérmico):

• Donde– S es la entropía,– Q12 la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y

el entorno– T la temperatura absoluta en kelvin.– Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y

finales de un sistema termodinámico.

• El significado de esta ecuación es el siguiente:• Cuando un sistema termodinámico pasa, en un proceso

reversible e isotérmico, del estado 1 al estado 2, el cambio en su entropía es igual a la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.