Los diagramas termodinámicos son diagramas utilizados para representar los estados termodinámicos de un material (típicamente fluido ) y las consecuencias de manipular este material. Por ejemplo, se puede utilizar un diagrama de temperatura- entropía ( diagrama T-s ) para demostrar el comportamiento de un fluido cuando lo cambia un compresor.
Especialmente en meteorología se utilizan para analizar el estado real de la atmósfera derivado de las mediciones de radiosondas , obtenidas normalmente con globos meteorológicos . En dichos diagramas, los valores de temperatura y humedad (representados por el punto de rocío ) se muestran con respecto a la presión . Así, el diagrama muestra a primera vista la estratificación atmosférica real y la distribución vertical del vapor de agua. Un análisis más detallado proporciona la base real y la altura superior de las nubes convectivas o posibles inestabilidades en la estratificación.
Suponiendo la cantidad de energía debida a la radiación solar, es posible predecir la temperatura, la humedad y el viento a 2 m (6,6 pies ) durante el día, el desarrollo de la capa límite de la atmósfera, la aparición y desarrollo de las nubes y las condiciones. para vuelos elevados durante el día.
La característica principal de los diagramas termodinámicos es la equivalencia entre el área del diagrama y la energía. Cuando el aire cambia de presión y temperatura durante un proceso y prescribe una curva cerrada dentro del diagrama, el área encerrada por esta curva es proporcional a la energía ganada o liberada por el aire.
Los diagramas de propósito general incluyen:
Específicamente para los servicios meteorológicos, se utilizan principalmente tres tipos diferentes de diagramas termodinámicos:
Los tres diagramas se derivan del diagrama físico P-alfa que combina la presión ( P ) y el volumen específico ( alfa ) como coordenadas básicas. El diagrama P-alfa muestra una fuerte deformación de la rejilla según las condiciones atmosféricas y, por tanto, no es útil en ciencias atmosféricas . Los tres diagramas se construyen a partir del diagrama P-alfa mediante el uso de transformaciones de coordenadas apropiadas.
No es un diagrama termodinámico en sentido estricto, ya que no muestra la equivalencia energía-área, es el
Pero debido a su construcción más sencilla se prefiere en educación. [ cita necesaria ]
Otro diagrama ampliamente utilizado que no muestra la equivalencia energía-área es el diagrama θ-z (diagrama Theta-altura), ampliamente utilizado en meteorología de capa límite.
Los diagramas termodinámicos suelen mostrar una red de cinco líneas diferentes:
Se obtienen la tasa de caída , tasa de caída adiabática seca (DALR) y tasa de caída adiabática húmeda (MALR). Con la ayuda de estas líneas, parámetros como el nivel de condensación de las nubes , el nivel de convección libre y el inicio de la formación de nubes. etc. pueden derivarse de los sondeos.
El camino o serie de estados a través de los cuales un sistema pasa desde un estado de equilibrio inicial a un estado de equilibrio final [1] y se puede ver gráficamente en presión-volumen (PV), presión-temperatura (PT) y temperatura-entropía ( Ts) diagramas. [2]
Hay un número infinito de caminos posibles desde un punto inicial hasta un punto final en un proceso . En muchos casos el camino importa; sin embargo, los cambios en las propiedades termodinámicas dependen sólo de los estados inicial y final y no del camino. [3]
Considere un gas en un cilindro con un pistón flotante que descansa sobre un volumen de gas V 1 a una temperatura T 1 . Si el gas se calienta de modo que la temperatura del gas suba a T 2 mientras se permite que el pistón suba a V 2 como en la Figura 1, entonces la presión se mantiene igual en este proceso debido a que se permite que el pistón flote libremente. aumentar haciendo que el proceso sea un proceso isobárico o un proceso de presión constante. Esta ruta de proceso es una línea horizontal recta desde el estado uno al estado dos en un diagrama PV.
A menudo resulta valioso calcular el trabajo realizado en un proceso. El trabajo realizado en un proceso es el área debajo de la ruta del proceso en un diagrama PV. Figura 2 Si el proceso es isobárico, entonces el trabajo realizado sobre el pistón se calcula fácilmente. Por ejemplo, si el gas se expande lentamente contra el pistón, el trabajo realizado por el gas para elevar el pistón es la fuerza F multiplicada por la distancia d . Pero la fuerza es simplemente la presión P del gas multiplicada por el área A del pistón, F = PA . [4] Así
Ahora digamos que el pistón no pudo moverse suavemente dentro del cilindro debido a la fricción estática con las paredes del cilindro. Suponiendo que la temperatura aumenta lentamente, encontrará que la trayectoria del proceso no es recta y ya no es isobárica, sino que se someterá a un proceso isométrico hasta que la fuerza exceda la fuerza de fricción y luego se someterá a un proceso isotérmico de regreso al equilibrio. estado. Este proceso se repetiría hasta alcanzar el estado final. Ver figura 3 . El trabajo realizado sobre el pistón en este caso sería diferente debido al trabajo adicional requerido para la resistencia de la fricción. El trabajo realizado debido a la fricción sería la diferencia entre el trabajo realizado en estas dos rutas del proceso.
Muchos ingenieros ignoran la fricción al principio para generar un modelo simplificado. [1] Para información más precisa, la altura del punto más alto, o la presión máxima, para superar la fricción estática sería proporcional al coeficiente de fricción y la pendiente para volver a bajar a la presión normal sería la misma que en un proceso isotérmico. si la temperatura se aumentara a un ritmo suficientemente lento. [4]
Otro camino en este proceso es un proceso isométrico . Este es un proceso en el que el volumen se mantiene constante y se muestra como una línea vertical en un diagrama fotovoltaico. Figura 3 Dado que el pistón no se mueve durante este proceso, no se realiza ningún trabajo. [1]
