Los diagramas termodinámicos son diagramas que se utilizan para representar los estados termodinámicos de un material (normalmente un fluido ) y las consecuencias de manipular este material. Por ejemplo, un diagrama de temperatura- entropía ( diagrama T-s ) se puede utilizar para demostrar el comportamiento de un fluido a medida que lo modifica un compresor.
En meteorología, se utilizan sobre todo para analizar el estado real de la atmósfera , obtenido a partir de las mediciones de radiosondas , normalmente obtenidas con globos meteorológicos . En estos diagramas se muestran los valores de temperatura y humedad (representados por el punto de rocío ) en relación con la presión . De este modo, el diagrama muestra a primera vista la estratificación atmosférica real y la distribución vertical del vapor de agua. Un análisis posterior proporciona la altura real de la base y de la cima 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 durante el día, el desarrollo de la capa límite de la atmósfera, la aparición y desarrollo de nubes y las condiciones para el vuelo a vela 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 que ha ganado o liberado el aire.
Los diagramas de propósito general incluyen:
En el ámbito de 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 cuadrícula para las condiciones atmosféricas y, por lo tanto, no es útil en las ciencias atmosféricas . Los tres diagramas se construyen a partir del diagrama P-alfa mediante el uso de transformaciones de coordenadas adecuadas.
No es un diagrama termodinámico en sentido estricto, ya que no muestra la equivalencia energía-área.
Pero debido a su construcción más sencilla, se prefiere en educación. [ cita requerida ]
Otro diagrama ampliamente utilizado que no muestra la equivalencia energía-área es el diagrama θ-z (diagrama Theta-altura), ampliamente utilizado en la meteorología de capa límite.
Los diagramas termodinámicos suelen mostrar una red de cinco líneas diferentes:
Se obtienen el gradiente adiabático seco (DALR) y el gradiente adiabático húmedo (MALR). Con la ayuda de estas líneas, se pueden derivar parámetros como el nivel de condensación de nubes , el nivel de convección libre , el inicio de la formación de nubes, etc., a partir de los sondeos.
El camino o serie de estados a través de los cuales un sistema pasa de un estado de equilibrio inicial a un estado de equilibrio final [1] y puede visualizarse gráficamente en diagramas de presión-volumen (PV), presión-temperatura (PT) y temperatura-entropía (Ts). [2]
Existe una cantidad infinita de caminos posibles desde un punto inicial hasta un punto final en un proceso . En muchos casos, el camino es importante, sin embargo, los cambios en las propiedades termodinámicas dependen únicamente de los estados inicial y final y no del camino. [3]
Considere un gas en un cilindro con un pistón flotante que reposa sobre un volumen de gas V 1 a una temperatura T 1 . Si el gas se calienta de modo que su temperatura 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 flotante suba, lo que hace que el proceso sea un proceso isobárico o un proceso de presión constante. Esta ruta de proceso es una línea recta horizontal 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 trayectoria 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] Por lo tanto
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 se incrementó lentamente, se encontraría que la trayectoria del proceso no es recta y ya no es isobárica, sino que experimentaría un proceso isométrico hasta que la fuerza excediera la fuerza de fricción y luego experimentaría un proceso isotérmico de regreso a un estado de equilibrio. Este proceso se repetiría hasta que se alcanzara el estado final. Vea la figura 3. El trabajo realizado en 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 trayectorias de proceso.
Muchos ingenieros descuidan la fricción al principio para generar un modelo simplificado. [1] Para obtener 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 que vuelve a bajar hasta la presión normal sería la misma que la de un proceso isotérmico si la temperatura se incrementara 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, lo que se muestra como una línea vertical en un diagrama PV. Figura 3 Dado que el pistón no se mueve durante este proceso, no se realiza ningún trabajo. [1]
