¿Cómo resolver problemas de termodinámica?

Técnica para resolver problemas

Hola, y bienvenidos a este primer posteo de esta serie de termodinámica técnica. Mi nombre es Germán Henderson y estoy muy contento de poder ayudarlos. Como el resto de las materias de Ingeniería Electromecánica, o alguna otra disciplina relacionada al estudio de la energía, ésta es muy importante por la base conceptual y el amplio rango de aplicaciones que se pueden realizar cuando uno logra comprender los conocimientos de esta ciencia.

Como ya habrán visto en las clases teóricas, la termodinámica es la ciencia de la energía. Van a estudiar qué es la energía, sus transformaciones y las relaciones entre las propiedades de la materia. Todos estos conocimientos los utilizaremos para resolver ejercicios prácticos, y es por ello que, en primer lugar, les voy a presentar una técnica sistematizada para resolver problemas de ingeniería, en general, y específicamente aquellos en los que intervenga la Termodinámica.

Esta metodología de resolución de problemas de ingeniería que te propongo, posee en total siete pasos fundamentales, los que te voy a intentar explicar a continuación. Destaco que si bien todos los pasos son importantes, en algunos casos puede que no apliquen todos ellos. Además, cuando adquieras práctica en la resolución de problemas podrás ingeniar tu propia metodología para la resolución de problemas. Por ahora, te recomiendo que sigas estos pasos y vas a disminuir las posibilidades de equivocarte.

1. Enunciar el problema con tus propias palabras

El primer paso para poder afrontar un problema es definirlo correctamente. Es necesario que expreses de manera breve y con tus propias palabras el problema que se te ha dado.

Hay información que te hará conocer qué tipo de sistema estas analizando (si uno abierto o uno cerrado) y qué tipo de sustancia y cuál es el objetivo a resolver.

La información que nos da el problema puede ser primaria o secundaria, y es importante que logres diferenciarla.

2. Realizar un esquema y agrupar las propiedades de cada estado y procesos

En el segundo paso, tienes que dibujar un esquema que debe parecerse al sistema real, y en el cual puedas indicar la información importante, como los diferentes estados y procesos de transformación que ocurren, si hay o no intercambio de calor y el tipo de sustancia que poseemos. Hay que tener en cuenta que el dibujo no debe ser complejo, sino que debe parecerse al sistema real y mostrar sus características importantes, dando lugar a una visión global del problema a resolver. Es bueno en este punto también, evaluar qué propiedades permanecerán constantes a lo largo de algún proceso e indicarlo.

3. Establecer las hipótesis para simplificar el problema

Luego de haber entendido el problema y haber logrado un esquema representativo, es momento de hacer las suposiciones que te permitirán simplificar el problema. He anotado algunas que comúnmente se utilizan en problemas sencillos de termodinámica, como por ejemplo, considerar un proceso adiabático; esto nos permitiría suponer que las pérdidas de calor en un dispositivo son cero. Estas suposiciones deben ser adecuadas, ya que si no los resultados podrían representar algo que está muy alejado de la realidad. Siempre que tengas dudas con alguna de las hipótesis, vuelve a plantearlas justificando su elección.

4. Establecer las leyes físicas que gobiernan al problema

A partir del planteo de las hipótesis y haber realizado el bosquejo del problema, y antes de que comiences a realizar cálculos intentando encontrar una solución rápida (que dudo que así la encuentres), es importante que realices este paso, que te hará ahorrar tiempo y te librará de dudas en el camino a la solución del problema, el cual trata de escribir las leyes y principios de la física que gobiernan a nuestro problema y que poseen las incógnitas que queremos hallar. Luego, tienes que realizar una simplificación de estas utilizando las simplificaciones del punto anterior, las hipótesis. Es bueno en este punto identificar a qué parte del problema corresponde cada ley, por ejemplo, es posible que estemos considerando una turbina adiabática, pero no será así en la caldera en donde el proceso de generación de vapor necesita calor para transformar el líquido en gas.

5. Determinación de las propiedades faltantes

Por otra parte, seguramente habrán propiedades que serán difíciles de encontrar o de suponerles algún valor, pero es necesario encontrar las estrategias que nos permitirán tener un conocimiento de todas las propiedades de cada estado de nuestro proceso o ciclo para poder luego aplicar sin inconvenientes las leyes físicas que nos permitirán resolver nuestras incógnitas. A partir de la experiencia irás mejorando las estrategias que puedes utilizar para encontrar algunas propiedades, como el uso de tablas, relaciones entre propiedades o bien algunos valores promedios que suelen andar bien como primeras aproximaciones. Es importante en este paso ser ordenado, teniendo en tablas o un sector de la hoja de cálculo las propiedades de cada estado todas juntas y cada una de ellas con la fuente de donde fue obtenida, ya que si luego algo sale mal sabremos de dónde buscar los errores.

6. Realizar los cálculos de forma ordenada y prolija

Una vez que sepas cómo vas a encontrar cada propiedad y conozcas las leyes que gobiernan tu problema, puedes comenzar a realizar cálculos sustituyendo los valores en las ecuaciones, siempre de manera ordenada y prolija. El proceso de cálculo suele ser muy desprolijo porque en general estarás apurado o porque te hará falta alguno que otro datos, pero es importante que respetes el espacio de resolución de cada cálculo que estés realizando, y si debes encontrar alguna incógnita que se te olvidó, lo marques al salto con un asterisco, numeral o símbolo. Es muy importante además, siempre utilizar las unidades. Muchos de los errores que hay en la resolución de problemas sencillos suelen ser por un mal uso de las unidades.

7. Interpretar los resultados

Como último paso está la interpretación. Tenes que asegurarte de que los resultados que obtuviste son razonables y si podes, llegar a los mismos resultados por diferentes caminos para comprobar que son correctos. Si alguna de las suposiciones es cuestionada por alguien o no te convence del todo, volvé a analizarla y justificala con una mayor base teórica. Siempre que sea necesario, volvé a realizar los cálculos.

Para finalizar, un mensaje que se aplica en general a los reportes técnicos de ingeniería: tener en cuenta que la persona que nos lee no tiene en mente todo lo que tuviste vos para resolver el problema, entonces es importante que la presentación sea limpia, ordenada e íntegra. La apariencia visual siempre da una expectativa de los resultados que vamos a ver, sean o no correctos estos.

Este método es utilizado en bibliografías como la de Yunus Cengel y lo utilizo yo también para resolver los problemas de termodinámica, sin embargo con la práctica seguro hallarás tus propias metodologías que te darán más seguridad en los resultados que encuentres y te harán resolver más rápido los problemas. Si estás comenzando con esta ciencia, te recomiendo al principio seguir estos pasos, siempre y cuando apliquen a la resolución. Hay veces que no todos los pasos que aquí te expuse son necesarios.

Mi nombre es Germán Henderson y espero que hayas disfrutado de este post y que sea útil para comenzar en el interesante mundo de la energía. También te invito a que te suscribas a mi canal de YouTube para recibir notificaciones sobre nuevos videos subidos y material sobre esta materia y otros. También te invito a que visites la página del Grupo Cliope, del cual formo parte, en donde te podrás enterar de temas relacionados con las energías renovables, el análisis de ciclo de vida y muchas otras cosas.

Un saludos, nos leemos en el próximo post.