Diagrama de presión y volumen

Termodinámica
La clásica máquina térmica de Carnot
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Leyes Cero Primero Segundo Tercero
Sistemas Sistema cerrado Sistema abierto Sistema aislado Estado Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Controlar el volumen Instrumentos Procesos Isobárico Isochoric Isothermal Adiabatic Isentropic Isenthalpic Quasistatic Polytropic Free expansion Reversibility Irreversibility Endoreversibility Cycles Heat engines Heat pumps Thermal efficiency
System properties Note: Conjugate variables in italics Property diagrams Intensive and extensive properties Process functions Work Heat Functions of state Temperature / Entropy (introduction) Pressure / Volume Chemical potential / Particle number Vapor quality Reduced properties
Material properties Property databases Specific heat capacity  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibility  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Thermal expansion  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equations Carnot's theorem Clausius theorem Fundamental relation Ideal gas law Maxwell relations Onsager reciprocal relations Bridgman's equations Table of thermodynamic equations
Potentials Free energy Free entropy Internal energy ${\displaystyle U(S,V)}$ Enthalpy ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz free energy ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs free energy ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
History Culture History General Entropy Gas laws "Perpetual motion" machines Philosophy Entropy and time Entropy and life Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories Caloric theory Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

Un diagrama de presión-volumen (o diagrama PV , o bucle de volumen-presión ) ^[1] se utiliza para describir los cambios correspondientes en el volumen y la presión en un sistema. Se utilizan comúnmente en termodinámica , fisiología cardiovascular y fisiología respiratoria .

Los diagramas PV, originalmente llamados diagramas indicadores , se desarrollaron en el siglo XVIII como herramientas para comprender la eficiencia de las máquinas de vapor .

Un diagrama PV representa gráficamente el cambio de presión P con respecto al volumen V para uno o varios procesos. Normalmente, en termodinámica, el conjunto de procesos forma un ciclo , de modo que al completarse el ciclo no se ha producido ningún cambio neto en el estado del sistema; es decir, el dispositivo vuelve a la presión y el volumen iniciales. ^{[ cita requerida ]}

La figura muestra las características de un diagrama PV idealizado. Muestra una serie de estados numerados (del 1 al 4). El camino entre cada estado consiste en algún proceso (del A al D) que altera la presión o el volumen del sistema (o ambos).

Una característica clave del diagrama es que la cantidad de energía gastada o recibida por el sistema como trabajo se puede medir porque el trabajo neto está representado por el área encerrada por las cuatro líneas. En la figura, los procesos 1-2-3 producen una salida de trabajo, pero los procesos de 3-4-1 requieren una entrada de energía menor para volver a la posición/estado inicial; por lo tanto, el trabajo neto es la diferencia entre los dos. Esta figura está altamente idealizada, en la medida en que todas las líneas son rectas y las esquinas son ángulos rectos. Un diagrama que muestre los cambios en la presión y el volumen en un dispositivo real mostrará una forma más compleja que encierra el ciclo de trabajo. ^{[ cita requerida ]} (§ Aplicaciones).

El diagrama PV, entonces llamado diagrama indicador, fue desarrollado en 1796 por James Watt y su empleado John Southern . ^[2] El volumen se trazaba mediante una placa que se movía con el pistón, mientras que la presión se trazaba mediante un manómetro cuyo indicador se movía en ángulo recto con el pistón. Se utilizó un lápiz para dibujar el diagrama. ^{[ cita requerida ]} Watt utilizó el diagrama para realizar mejoras radicales en el rendimiento de la máquina de vapor.

^[3] En concreto, el diagrama registra la presión del vapor en función del volumen de vapor en un cilindro , a lo largo del ciclo de movimiento de un pistón en una máquina de vapor. El diagrama permite calcular el trabajo realizado y, por lo tanto, puede proporcionar una medida de la potencia producida por la máquina. ^[4]

Para calcular con exactitud el trabajo realizado por el sistema es necesario calcular la integral de la presión con respecto al volumen. A menudo, se puede calcular rápidamente esto utilizando el diagrama PV, ya que es simplemente el área encerrada por el ciclo. ^{[ cita requerida ]}

Tenga en cuenta que en algunos casos se representará gráficamente el volumen específico en el eje x en lugar del volumen, en cuyo caso el área bajo la curva representa el trabajo por unidad de masa del fluido de trabajo (es decir, J/kg). ^{[ cita requerida ]}

En fisiología cardiovascular , el diagrama se aplica a menudo al ventrículo izquierdo y se puede relacionar con eventos específicos del ciclo cardíaco . Los estudios de bucles de PV se utilizan ampliamente en la investigación básica y las pruebas preclínicas para caracterizar el rendimiento del corazón intacto en diversas situaciones (efecto de fármacos, enfermedades, caracterización de cepas de ratones ) ^{[ cita requerida ]}

La secuencia de eventos que ocurren en cada ciclo cardíaco es la siguiente. La figura de la izquierda muestra un bucle PV de un experimento real; las letras se refieren a puntos.

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  Ejemplo de diagrama de bucle PV del ventrículo izquierdo de un ratón
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  Corazón humano

• A es el punto diastólico final ; es el punto donde comienza la contracción. La presión comienza a aumentar, se vuelve rápidamente superior a la presión auricular y la válvula mitral se cierra. Como la presión también es inferior a la presión aórtica, la válvula aórtica también se cierra.
• El segmento AB es la fase de contracción. Como tanto la válvula mitral como la aórtica están cerradas, el volumen es constante. Por este motivo, esta fase se denomina contracción isovolumétrica.
• En el punto B , la presión se vuelve más alta que la presión aórtica y la válvula aórtica se abre, iniciando la eyección.
• La fase de eyección es la fase de eyección, el volumen disminuye. Al final de esta fase, la presión vuelve a bajar y cae por debajo de la presión aórtica. La válvula aórtica se cierra.
• El punto C es el punto sistólico final .
• El segmento CD es la relajación isovolumétrica. Durante esta fase, la presión continúa disminuyendo. La válvula mitral y la válvula aórtica se vuelven a cerrar, por lo que el volumen se mantiene constante.
• En el punto D la presión cae por debajo de la presión auricular y la válvula mitral se abre, iniciando el llenado ventricular.
• DA es el período de llenado diastólico . La sangre fluye desde la aurícula izquierda hacia el ventrículo izquierdo. La contracción auricular completa el llenado ventricular.

Como se puede observar, el bucle fotovoltaico tiene una forma aproximadamente rectangular y cada bucle se forma en sentido antihorario.

Se puede obtener información muy útil mediante el examen y análisis de bucles individuales o series de bucles, por ejemplo:

• La distancia horizontal entre la esquina superior izquierda y la esquina inferior derecha de cada bucle es el volumen sistólico ^[5]
• La línea que une la esquina superior izquierda de varios bucles es el estado contráctil o inotrópico . ^[6]

Consulte los enlaces externos para obtener una representación mucho más precisa.

• Diagrama de indicadores
• Diagrama de temperatura y entropía
• Diagrama de Wiggers
• Volumen sistólico
• Proceso cíclico
• Experimentos de bucle de presión-volumen
• Análisis del circuito de presión-volumen en cardiología

• Cardwell, DSL (1971). De Watt a Clausius: el auge de la termodinámica en la era industrial temprana . Heinemann: Londres. pp. 79–81. ISBN 0-435-54150-1.
• Miller, DP (2011). "El misterioso caso del indicador de vapor "1785" de James Watt: ¿falsificación o folclore en la historia de un instrumento?". Revista internacional de historia de la ingeniería y la tecnología . 81 : 129–150. doi :10.1179/175812110x12869022260231. S2CID  109538193.
• Pacey, AJ y Fisher, SJ (1967) "Daniel Bernoulli y la vis viva del aire comprimido", The British Journal for the History of Science 3 (4), pág. 388-392, doi :10.1017/S0007087400002934
• Comisión Británica de Transporte (1957) Manual para maquinistas de locomotoras de vapor de ferrocarril , Londres: BTC, pág. 81, (copia facsímil publicada por Ian Allan (1977), ISBN 0-7110-0628-8 ) 

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• Walter, John. "El indicador del motor. Una guía para coleccionistas sobre diseños mecánicos y ópticos/mecánicos, desde 1800 hasta la fecha". Museo Canadiense de la Fabricación.
• Diagrama en cvphysiology.com
• Demostración interactiva en davidson.edu
• Lohff B (1999). "1899: la primera descripción matemática del diagrama de presión-volumen por Otto Frank (1865-1944)". Sudhoffs Arch . 83 (2): 131–51. PMID  10705804.