Termodinámica

Magnitudes termodinámicas

El coeficiente de actividad es un número que expresa el factor de actividad química de una sustancia en su concentración molar. Se designa normalmente con la letra griega ${\displaystyle \gamma }$ (gamma).

La concentración medida de una sustancia no puede ser un indicador preciso de su eficacia química como se representa por la ecuación de una reacción particular; en dichos casos, la actividad es calculada al multiplicar la concentración por el coeficiente de actividad.

En los solutos, el coeficiente de actividad es una medida de cuanto la solución difiere de una disolución ideal.

La compresibilidad es una propiedad de la materia a la cual hace que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros.

Animación: compresibilidad de un gas a temperatura constante.

Compresibilidad en sólidos, líquidos y gases

En general para un sistema estable, la compresibilidad es un número positivo, lo que significa que cuando se aumenta la presión sobre el sistema, este disminuye su volumen. El caso contrario se puede observar en sistemas inestables por ejemplo en un sistema químico cuando la presión inicia una explosión. Los sólidos a nivel molecular son muy difíciles de comprimir, ya que las moléculas que tienen los sólidos están muy pegadas y existe poco espacio libre entre ellas como para acercarlas sin que aparezcan fuerzas de repulsión fuertes. Esta situación contrasta con la de los gases los cuales tienen sus moléculas muy separadas y que en general son altamente compresibles bajo condiciones de presión y temperatura normales. Los líquidos bajo condiciones de temperatura y presión normales son también bastante difíciles de comprimir aunque presenta una pequeña compresibilidad mayor que la de los sólidos.

Compresibilidad en termodinámica

En termodinámica se define la compresibilidad de un sistema termodinámico como el cambio relativo de volumen frente a una variación de la presión. En principio la magnitud de la compresibilidad depende de las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo la compresión o descompresión del sistema, por lo que a menos que se especifique el modo en que se lleva a cabo esa operación la compresibilidad de un valor u otro según las cantidades de calor intercambiadas con el exterior. Debido a esa dependencia de la compresibilidad de las condiciones se distingue entre la compresibilidad isoterma y la compresibilidad adiabática.

Compresibilidad isoterma

Es una medida de la compresibilidad de un cuerpo o sistema termodinámico cuando se somete a un proceso termodinámico de transformación cuasiestática de presión mientras su temperatura se mantiene constante y uniforme, viene dada por (en la notación española suele representarse como ${\displaystyle k_{T}}$, pero no confundir con el módulo de compresibilidad isotermo ${\displaystyle {\frac {1}{k_{T}}}}$) :

${\displaystyle \beta _{T}=-{\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial p}}\right)_{T}}$

En un proceso de variación de presión a temperatura constante, el cuerpo habrá intercambiado una cierta cantidad de calor con el exterior por lo que su energía total, que puede obtenerse como suma del trabajo realizado sobre el cuerpo y del calor intercambiado por el mismo no permanecerá constante.

Compresibilidad adiabática

Es una medida de la compresibilidad de un cuerpo o sistema termodinámico cuando se somete a una transformación cuasiestática de presión en condiciones de aislamiento térmico perfecto, viene dada por (en la notación española suele representarse como ${\displaystyle k_{S}}$, pero no confundir con el módulo de compresibilidad adiabático ${\displaystyle {\frac {1}{k_{S}}}}$) :

${\displaystyle \beta _{S}=-{\frac {1}{V}}\left({\frac {\partial V}{\partial p}}\right)_{S}}$

En un proceso adiabático de variación de presión, el cuerpo experimentará algún cambio de temperatura. Todos los fluidos son compresibles, incluyendo los líquidos. Cuando estos cambios de volumen son demasiado grandes se opta por considerar el flujo como compresible (que muestran una variación significativa de la densidad como resultado de fluir), esto sucede cuando la velocidad del flujo es cercano a la velocidad del sonido. Estos cambios suelen suceder principalmente en los gases ya que para alcanzar estas velocidades de flujo en líquidos, se precisa de presiones del orden de 1000 atmósferas, en cambio un gas sólo precisa una relación de presiones de 2:1 para alcanzar velocidades sónicas. La compresibilidad de un flujo es básicamente una medida en el cambio de la densidad. Los gases son en general muy compresibles, en cambio, la mayoría de los líquidos tienen una compresibilidad muy baja. Por ejemplo, una presión de 500 kPa provoca un cambio de densidad en el agua de solamente 0,024% (a temperatura ambiente). En cambio, esta misma presión aplicada al aire provoca un cambio de densidad de 250%. Por esto normalmente al estudio de los flujos compresibles se le conoce como dinámica de gases, siendo esta una nueva rama de la mecánica de fluidos, la cual describe estos flujos.

En un flujo usualmente hay cambios en la presión, asociados con cambios en la velocidad. En general, estos cambios de presión inducirán a cambios de densidad, los cuales influyen en el flujo, si estos cambios son importantes los cambios de temperatura presentados son apreciables. Aunque los cambios de densidad en un flujo pueden ser muy importantes hay una gran cantidad de situaciones de importancia práctica en los que estos cambios son despreciables.

El flujo de un fluido compresible se rige por la primera ley de la termodinámica en los balances de energía y con la segunda ley de la termodinámica, que relaciona la transferencia de calor y la irreversibilidad con la entropía. El flujo es afectado por efectos cinéticos y dinámicos, descritos por las leyes de Newton, en un marco de referencia inercial –aquel donde las leyes de Newton son aplicables-. Además, el flujo cumple con los requerimientos de conservación de masa. Es sabido que muchas propiedades, tales como la velocidad del fluido en un tubo, no son uniformes a lo largo de la corriente.

La capacidad que tiene la materia de disminuir su volumen cuando se aumenta la presión sobre ella manteniendo la temperatura constante, recibe el nombre de compresibilidad.

El factor de compresibilidad es un número positivo en los sistemas estables  ya que cuando aumenta la presión siempre disminuye el volumen; en los sistemas inestables se puede observar un efecto contrario.

Dependiendo del estado de agregación de la materia el factor de compresibilidad, que es la relación que existe entre el aumento de presión y disminución de volumen, varía, siendo mayor en el estado gaseoso y menor en el estado sólido. Esto significa que un gas disminuye más su volumen al aplicar una pequeña presión y un sólido requiere de una gran presión  para disminuir un poco su volumen.

Ejemplo de compresibilidad:

Cuando se sumerge en agua una lata llena de aire: conforme va aumentando su profundidad la lata disminuye su volumen debido a la presión que el agua ejerce sobre ella.

Los tanques de buceo son un ejemplo de compresibilidad: se llenan de aire comprimido, decir se aplica presión para  que pueda entrar una mayor cantidad de aire en un mismo volumen.

Cuando se llena un tanque de gas de uso doméstico (gas LP): se introduce en los tanques a altas presiones de tal manera que entre una mayor cantidad de gas en el volumen del tanque.

Cuando un avión vuela a velocidades superiores a la velocidad del sonido: la presión que ejerce sobre el aire es lo suficientemente grande para comprimir el aire que se encuentra frente a él, creando ondas de choque.

Si se llena un recipiente con arena y se ejerce una presión sobre ella: ésta se comprime disminuyendo su volumen por lo que es posible introducir más arena en el recipiente.

Un neumático se llena de aire si se introduce con alta presión: por lo que al disminuir el volumen del aire en el neumático es posible meter más cantidad de aire inflándolo.

URL del artículo: http://www.ejemplode.com/37-fisica/3155-ejemplo_de_compresibilidad.html
Nota completa: Ejemplo de Compresibilidad

La difusividad térmica en los problemas de transferencia de calor, es valor obtenido de la conductividad térmica de un cierto material dividida entre el producto del valor de su densidad y la capacidad calorífica específica del mismo. En unidades del sistema internacional se expresa como m²/s, siendo habitual emplear el cm²/s. Es un índice que expresa la velocidad de cambio, y flujo de temperaturas, en un material hasta que alcanza el equilibrio térmico. Es por esta razón que un material A, con difusividad térmica mayor que otro B, alcance el equilibrio en menor tiempo. La difusividad térmica es igualmente un parámetro para averiguar la capacidad que tiene un material para difuminar la temperatura en su interior.

La difusividad térmica mide la velocidad a la que la temperatura cambia dentro de una sustancia. Dicho de otra forma, es la tasa de cambio con que un material aumenta de temperatura, al ser puesto en contacto con una fuente de calor.

Definición

La difusividad suele representarse con la letra ${\displaystyle \alpha }$ (en algunas ocasiones también con la letra mayúscula ${\displaystyle D}$) y es una propiedad característica de un material. La expresión matemática que relaciona la conductividad térmica (expresada como ${\displaystyle k}$), el calor específico (expresado como ${\displaystyle \mathbb {C} _{p}}$ y denominado igualmente como capacidad de calor), y su densidad (${\displaystyle \rho }$) es:

${\displaystyle \alpha ={k \over {\rho c_{p}}}}$

O dicho de otra forma, la difusividad térmica es directamente proporcional a la conductidvidad térmica de un material, e inversamente proporcional a su densidad y calor específico. El denominador (producto de la densidad por la capacidad calorífica) puede ser considerado como la capacidad calorífica volumétrica. Por regla general los metales tienen un coeficiente de difusión térmica mucho mayor que los materiales aislantes. De igual forma los gases poseen una difusión térmica casi nula por su baja conductividad y escasa densidad.

En cierta forma es una medida de la inercia térmica de un material.¹ En un material con alta difusividad térmica el calor se propaga con rapidez y los cambios de temperatura se producen con dinámica elevada. Es por esta razón por la que aparece en uno de los términos de la ecuación del calor.

Medida

Se suele averiguar el cociente de la difusividad térmica mediante la técnica de Flash Láser (LFA).² Uno de los métodos más clásicos consistía en calentar un hilo y comprobar la tasa de cambio de temperatura, y mediante la ecuación del calor comprobar el valor de ${\displaystyle \alpha }$. Este método aparece en la literatura como el método del hilo caliente.^3 4 Variantes del método empleando planchas calientes, en lugar de hilos, se popularizó en los años 80. El método más empleado actualmente en la industria es la técnica de Flash Láser (LFA),² y consiste en la medida de cambio de temperatura en un material (generalmente una muestra cilíndrica) al ser expuesto a un pulso láser de gran intensidad.

El conocimiento de las propiedades de transporte de calor de sólidos y líquidos es cada vez más crucial. Tiene muchos campos de aplicación como ser la industria automotriz, aviación, aeroespacial, pero también la generación de energía, la industria energética, o la industria de la cerámica, materiales de la construcción, la industria del vidrio y muchas otras, las que necesitan información precisa sobre el comportamiento térmico de los materiales utilizados. La gestión del calor se está convirtiendo en algo muy importante, por ejemplo en la industria de la construcción, dados los altos costos de la energía o en la industria de los semiconductores, sin pensamos en los dispositivos con carga integrada. Es por eso que se están realizando muchas investigaciones y desarrollos en este campo. Linseis tiene mucha experiencia en la medición de propiedades térmicas y abarca una gama muy amplia de conductividad térmica, difusividad térmica y sistemas de medición de calor específicos.

1. LFA - Laser Flash / XFA - flash de Xenón:

La técnica Laser Flash demostró ser las más rápida y confiable cuando hablamos de mediciones de conductividad térmica y mediciones de difusividad térmica. Esto permite una determinación desde -125°C hasta 600°C (Flash Xenón) o desde -125°C hasta los increíbles 2800°C (Laser Flash) en un rango de 0.1 W/mk ... 2000 W/mK. Adicionalmente, para cada muestra (películas delgadas desde 80 nm hasta 20 µm) desarrollamos el Linseis TF-LFA (Thin Film LaserFlash Apparatus) utilizando la técnica de medición de dominio de tiempo Termoreflectante que complementa esta serie de Flashes.

Correspondencia con normas internacionales. El LINSEIS Laser Flash (LFA) y el Flash Xenon (XFA) operan de acuerdo con normas internacionales como: ASTM E-1461, DIN 30905 y DIN EN 821.

2. THB - Puente Caliente Transitorio

Esta técnica permite la conductividad térmica, difusividad técnica y medición de calor específicas en un rango de temperaturas desde -50 hasta 200°C. El rango de medición desde 0.01 hasta 500 W/m*K complementario al Analizador Laser Flash. Se puede utilizar para medir sólidos, geles, pastas así como también líquidos obteniendo una medición muy precisa, de manera automática y en minutos. También contamos con una gran cantidad de sensores patentados para un campo de aplicación amplio.

3. HFM - Medidor de Flujo de Calor

Proporciona un uso rápido y fácil para determinar las propiedades de la conductividad térmica de materiales aislantes de baja conductividad térmica así como también otros materiales con un alto nivel de precisión. El instrumento está diseñado bajo las normas ASTM C518, JIS A1412, ISO 8301 y DIN 12667. El principio de medición es ubicar una muestra entre una placa fría y una caliente para medir el flujo de calor.