Volumen (termodinámica)

En termodinámica , el volumen de un sistema es un parámetro extensivo importante para describir su estado termodinámico . El volumen específico , una propiedad intensiva, es el volumen del sistema por unidad de masa . El volumen es función del estado y es interdependiente de otras propiedades termodinámicas como la presión y la temperatura . Por ejemplo, el volumen está relacionado con la presión y la temperatura de un gas ideal mediante la ley de los gases ideales . La región física que abarca un sistema puede o no coincidir con un volumen de control utilizado para analizarlo.

El volumen de un sistema termodinámico generalmente se refiere al volumen del fluido de trabajo, como, por ejemplo, el fluido dentro de un pistón. Los cambios en este volumen pueden realizarse mediante la aplicación de trabajo o pueden utilizarse para producir trabajo. Sin embargo, un proceso isocórico opera a volumen constante, por lo que no se puede producir trabajo. Muchos otros procesos termodinámicos darán como resultado un cambio en el volumen. Un proceso politrópico , en particular, provoca cambios en el sistema de tal manera que la cantidad${\displaystyle pV^{n}}$es constante (donde${\displaystyle p}$es presión,${\displaystyle V}$es volumen, y${\displaystyle n}$es el índice politrópico, una constante). Tenga en cuenta que para índices politrópicos específicos, un proceso politrópico será equivalente a un proceso de propiedad constante. Por ejemplo, para valores muy grandes de${\displaystyle n}$Al aproximarse al infinito, el proceso se convierte en un proceso de volumen constante.

Los gases son compresibles , por lo que sus volúmenes (y volúmenes específicos) pueden variar durante los procesos termodinámicos. Los líquidos, en cambio, son prácticamente incompresibles, por lo que sus volúmenes suelen considerarse constantes. En general, la compresibilidad se define como el cambio de volumen relativo de un fluido o sólido en respuesta a la presión, y puede determinarse para sustancias en cualquier fase. De manera similar, la dilatación térmica es la tendencia de la materia a cambiar de volumen en respuesta a un cambio de temperatura.

Muchos ciclos termodinámicos se componen de diversos procesos, algunos de los cuales mantienen un volumen constante y otros no. Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor , por ejemplo, sigue una secuencia en la que el fluido refrigerante transita entre los estados líquido y gaseoso de la materia .

Las unidades típicas de volumen son${\displaystyle \mathrm {m^{3}} }$( metros cúbicos ),${\displaystyle \mathrm {l} }$( litros ), y${\displaystyle \mathrm {ft} ^{3}}$( pies cúbicos ).

El trabajo mecánico realizado sobre un fluido de trabajo provoca un cambio en las restricciones mecánicas del sistema; en otras palabras, para que se produzca trabajo, el volumen debe modificarse. Por lo tanto, el volumen es un parámetro importante para caracterizar muchos procesos termodinámicos en los que interviene un intercambio de energía en forma de trabajo.

El volumen es una de un par de variables conjugadas , siendo la otra la presión. Como ocurre con todos los pares conjugados, el producto es una forma de energía. El producto${\displaystyle pV}$es la energía que se pierde en un sistema debido al trabajo mecánico. Este producto es uno de los términos que componen la entalpía.${\displaystyle H}$:

${\displaystyle H=U+pV,\,}$

dónde${\displaystyle U}$es la energía interna del sistema.

La segunda ley de la termodinámica describe las limitaciones en la cantidad de trabajo útil que se puede extraer de un sistema termodinámico. En sistemas termodinámicos donde la temperatura y el volumen se mantienen constantes, la medida del trabajo "útil" alcanzable es la energía libre de Helmholtz ; y en sistemas donde el volumen no se mantiene constante, la medida del trabajo útil alcanzable es la energía libre de Gibbs .

De manera similar, el valor apropiado de capacidad calorífica para un proceso determinado depende de si este produce un cambio de volumen. La capacidad calorífica es función de la cantidad de calor que se añade al sistema. En el caso de un proceso a volumen constante, todo el calor afecta a la energía interna del sistema (es decir, no hay trabajo pV y todo el calor afecta a la temperatura). Sin embargo, en un proceso sin volumen constante, el calor añadido afecta tanto a la energía interna como al trabajo (es decir, a la entalpía); por lo tanto, la temperatura varía en una magnitud diferente a la del caso de volumen constante y se requiere un valor de capacidad calorífica distinto.

Volumen específico (${\displaystyle \nu }$) es el volumen ocupado por una unidad de masa de un material. ^{[ 1 ]} En muchos casos, el volumen específico es una magnitud útil para determinar porque, como propiedad intensiva, puede utilizarse para determinar el estado completo de un sistema junto con otra variable intensiva independiente . El volumen específico también permite estudiar sistemas sin referencia a un volumen de operación exacto, que puede no ser conocido (ni significativo) en algunas etapas del análisis.

El volumen específico de una sustancia es igual al recíproco de su densidad de masa . El volumen específico puede expresarse en${\displaystyle {\frac {\mathrm {m^{3}} }{\mathrm {kg} }}}$,${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {lb} }}}$,${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {slug} }}}$, o${\displaystyle {\frac {\mathrm {ml} }{\mathrm {g} }}}$.

${\displaystyle \nu ={\frac {V}{m}}={\frac {1}{\rho }}}$

dónde,${\displaystyle V}$es el volumen,${\displaystyle m}$es la masa y${\displaystyle \rho }$es la densidad del material.

Para un gas ideal ,

${\displaystyle \nu ={\frac {{\bar {R}}T}{P}}}$

dónde,${\displaystyle {\bar {R}}}$es la constante específica de los gases ,${\displaystyle T}$es la temperatura y${\displaystyle P}$es la presión del gas.

El volumen específico también puede referirse al volumen molar .

• Caudal volumétrico