Volumen (termodinámica)

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 a este volumen se pueden hacer a través de una aplicación de trabajo, o se pueden usar para producir trabajo. Sin embargo, un proceso isocórico funciona a un volumen constante, por lo que no se puede producir ningún trabajo. Muchos otros procesos termodinámicos darán como resultado un cambio en el volumen. Un proceso politrópico, en particular, causa cambios en el sistema para que la cantidad ${\displaystyle pV^{n}}$sea 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 propiedades constantes. Por ejemplo, para valores muy grandes de ${\displaystyle n}$que se aproximan al infinito, el proceso se convierte en un volumen constante.

Los gases son compresibles, por lo que sus volúmenes (y volúmenes específicos) pueden estar sujetos a cambios durante los procesos termodinámicos. Sin embargo, los líquidos son casi incompresibles, por lo que sus volúmenes a menudo se pueden tomar como constantes. En general, la compresibilidad se define como el cambio de volumen relativo de un fluido o sólido como respuesta a una presión, y puede determinarse para sustancias en cualquier fase. De manera similar, la expansión térmica es la tendencia de la materia a cambiar de volumen en respuesta a un cambio de temperatura.

Muchos ciclos termodinámicos se componen de procesos variables, algunos que mantienen un volumen constante y otros que 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 vapor de la materia.

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

El trabajo mecánico realizado en un fluido de trabajo provoca un cambio en las restricciones mecánicas del sistema; en otras palabras, para que el trabajo ocurra, el volumen debe ser alterado. Por lo tanto, el volumen es un parámetro importante en la caracterización de muchos procesos termodinámicos donde se trata de un intercambio de energía en forma de trabajo.

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

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

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

La segunda ley de la termodinámica describe restricciones en la cantidad de trabajo útil que se puede extraer de un sistema termodinámico. En los 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 que se puede alcanzar es la energía libre de Gibbs.

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

El 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 cantidad útil para determinar porque, como propiedad intensiva, se puede utilizar para determinar el estado completo de un sistema junto con otra variable intensiva independiente. El volumen específico también permite que los sistemas se estudien sin hacer 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. Se puede expresar volumen específico en ${\displaystyle {\frac {\mathrm {m^{3}} }{\mathrm {kg} }}}$, ${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {lb} }}}$, ${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {slug} }}}$, o ${\displaystyle {\frac {\mathrm {mL} }{\mathrm {g} }}}$.

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

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

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

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

El volumen específico también puede referirse al volumen molar.