PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS. José Agüera Soriano

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1 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS José Agüera Soriano 0

2 José Agüera Soriano 0 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS INTRODUCCIÓN CONCEPTOS PRELIMINARES PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA CÁLCULO DE LAS FUNCIONES DE ESTADO

3 José Agüera Soriano 0 3 INTRODUCCIÓN Definición del autor (5ª edición 993 y 6ª edición 999) La Termodinámica es una consecuencia lógica de dos axiomas físicos elementales: la ley de la conseración y la ley de la degradación de la energía. La Termodinámica en su rimer rinciio aorta a la ley de la conseración dos nueas formas de energía: el calor y la energía interna; y en su segundo rinciio aorta a la ley de la degradación la herramienta (entroía) mediante la cual uede calcularse la energía que se degrada en cualquier roceso. Así ues, la Termodinámica, que nació como una necesidad ara el erfeccionamiento y desarrollo de los motores térmicos, se ha conertido en una base de conocimiento de toda la Física.

4 José Agüera Soriano 0 4 Quiero decir que a esar de aoyarse la Termodinámica en axiomas tan simles, y siendo oco o nada deendiente de concetos reios a otras ramas de la Ciencia, le ermite deducir y/o redecir resultados en todos aquellos rocesos en los que se resentan intercambios de energía; ya sea en las máquinas térmicas, en la ingeniería química o en la transformación de materiales.

5 INTRODUCCIÓN La energía que interiene en un roceso real ierde calidad. Esta érdida de calidad reresenta un coste económico. FLUJO CALIENTE 3 FLUJO FRÍO 4 José Agüera Soriano 0 5

6 José Agüera Soriano 0 6 INTRODUCCIÓN Hay energías 00% transformables en trabajo. El calor y la energía interna son arcialmente transformables en trabajo: Exergía la arte transformable Anergía la no-transformable. En todo roceso energético existe destrucción de exergía

7 José Agüera Soriano 0 7 INTRODUCCIÓN Fijándonos como meta del segundo rinciio de la Termodinámica el cálculo de la exergía destruida, la entroía, que ha estado enuelta durante mucho tiemo de un halo misterioso, aarece de forma natural: como una función necesaria ara que dicho cálculo sea osible en cualquier tio de roceso energético.

8 José Agüera Soriano 0 8 INTRODUCCIÓN La exergía destruida en un roceso industrial tiene mayor coste económico a medida que se aanza hacia el roducto acabado. Su aloración es ues esencial ara el análisis económico del roceso. Así nace una nuea ciencia: la Termoeconomía.

9 José Agüera Soriano 0 9 Equilibrio térmico Se dice que dos sistemas están en equilibrio térmico cuando tienen la misma temeratura. Llamaremos ared adiabática a aquella que imide el equilibrio térmico entre dos sistemas límites del sistema A límites del sistema B T A SISTEMA A SISTEMA B T B

10 José Agüera Soriano 0 0 Equilibrio mecánico Dos sistemas están en equilibrio mecánico cuando tienen la misma resión. Si están a distinta resión y se onen en contacto, buscan esontáneamente el equilibrio, si la ared que los seara lo ermite. I II A > B SISTEMA A Sistema A Sistema B SISTEMA B

11 José Agüera Soriano 0 Medio exterior Al conjunto de sistemas que esté influyendo sobre el sistema en estudio. La influencia uede ser térmica debida a una diferencia de temeraturas y/o mecánica debida a una diferencia de resiones.

12 Clasificación de sistemas Sistema cerrado Es aquel cuya masa no aría durante un cambio de situación; or ejemlo, de la osición I a la II del émbolo h recetor mecánico SISTEMA S S F I II José Agüera Soriano 0

13 Sistema abierto, o flujo Es aquel que se muee, o fluye, con relación a un contorno olumen de control Sistema adiabático Es aquel que tiene sus límites adiabáticos. José Agüera Soriano 0 3

14 José Agüera Soriano 0 4 PROPIEDADES DE UN SISTEMA Estado de un sistema Proiedades de un sistema son aquellas magnitudes físicas cuyos alores definen la situación en que aquél se encuentra. Si se conoce el alor de dos roiedades, uede calculase el de las demás, y en consecuencia el estado quedará definido. Cada tres roiedades están ues relacionadas entre sí.

15 José Agüera Soriano 0 5 Ecuación de estado f (,, T ) = 0 Funciones de estado f ( u,, T ) = 0 Cualquier magnitud física que ueda exresarse en función de dos roiedades será también una roiedad del sistema.

16 José Agüera Soriano 0 6 Proiedades intensias Las que no deenden de la cantidad de masa: resión temeratura T iscosidad µ y/o ν elocidad del sonido a Proiedades extensias Las que sí deenden de la cantidad de masa: olumen V () energía interna U (u) entalía H (h) entroía S (s) exergía E (e) caacidad calorífica C (c)

17 José Agüera Soriano 0 7 El alor de una roiedad extensia no informa del estado del sistema, a menos que se conozca la masa (m). Diidiendo or m se obtiene su alor esecífico V = m

18 José Agüera Soriano 0 8 Características de las funciones de estado La ariación que sufre el alor de las roiedades sólo deende del alor de los estados inicial y final. Si tenemos una exresión del tio, dz = X ( x, y) dx + Y ( x, y) dy, x e y son roiedades del sistema, uede ocurrir, a) dz uede integrarse (total exacta): z = z( x, y) z es una nuea roiedad.

19 José Agüera Soriano 0 9 b) dz no uede integrarse como no sea a traés de un camino, y = y(x). Hay eces que multilicando dz no exacta or una función, la conertimos en exacta: es lo que ocurrirá con la entroía

20 José Agüera Soriano 0 0 PROCESOS Y CAMBIOS DE ESTADO Estados de equilibrio Cuando el alor de sus roiedades es el mismo en todos sus untos. Cuando un sistema asa de un estado a otro, los estados intermedios no serán en rigor de equilibrio. Sin embargo: hay ocasiones en que casi lo son otras en que no odrán considerarse.

21 José Agüera Soriano 0 Libre exansión Un sistema sufre una libre exansión si la fuerza interior S es mayor que la exterior F. I II A > B SISTEMA A S A Sistema A B S Sistema B SISTEMA B en una libre exansión los estados intermedios no son ni ueden considerarse de equilibrio.

22 José Agüera Soriano 0 Máxima libre exansión Un sistema sufre una máxima libre exansión cuando la fuerza exterior F es nula. I II sistema S F = 0 acío A sistema V B acío

23 Exansión resistida Cuando la diferencia de fuerzas interior y exterior es equeña, se hablará de exansión resistida. Es lo que ocurre en máquinas de émbolo. h recetor mecánico SISTEMA S S F I II rácticamente los estados intermedios son de equilibrio, y así lo amos a considerar José Agüera Soriano 0 3

24 José Agüera Soriano 0 4 Calentamiento o enfriamiento de un sistema En realidad sólo son de equilibrio los estados inicial y final; sin embargo, en la ráctica: el calentamiento o enfriamiento de un sistema uede considerarse como una sucesión de estados en equilibrio.

25 José Agüera Soriano 0 5 Mezcla de sistemas iguales con distintas resiones y/o temeraturas, diferentes con las mismas resión y/o temeratura, diferentes con distintas resiones y/o temeraturas. sistema sistema A A V sistema B en un roceso de mezcla los estados intermedios no son ni ueden considerarse de equilibrio.

26 José Agüera Soriano 0 6 Transformaciones y rocesos termodinámicos Se llama transformación termodinámica a la sucesión de estados or los que un sistema asa cuando se le somete a un cambio. Una determinada transformación uede realizarse de infinitas formas; cada una de ellas es un roceso termodinámico. La transformación termodinámica sólo afecta a un determinado sistema, con indeendencia de su medio exterior; en cambio, el roceso imlica a todos los sistemas que interienen en el mismo.

27 Diagramas de estado Se llama diagrama de estado a todo ar de ejes, reresentatios de dos roiedades del sistema. Cada unto en el lano define ues un estado del sistema. Una transformación termodinámica quedaría reresentada or una línea. Si sólo son de equilibrio los estados inicial y final los intermedios no odrán lógicamente reresentarse. Indicaremos esta situación uniendo los estados y mediante una recta de trazo discontinuo. M José Agüera Soriano 0 7

28 Transformaciones teóricas Isócoras, o a olumen constante = K Isobaras, o a resión constante = K límites del sistema = K G ' =K ' SISTEMA M José Agüera Soriano 0 8

29 Isotermas, o a temeratura constante T = To ; = (, To ) = (, T o ) José Agüera Soriano 0 9

30 Isotermas de gases erfectos = R T o T > T T=T T = T = K José Agüera Soriano 0 30

31 Adiabáticas el sistema ha de ser adiabático; no han de existir rozamientos internos γ = K M adiabática T = K gases monoatómicos, γ =,66 gases biatómicos, γ =,40 gases triatómicos, γ =,33 José Agüera Soriano 0 3

32 Politróicas Son transformaciones teóricas que sustituyen a las reales: n = K n (exonente olitróico) real olitróica José Agüera Soriano 0 3

33 ln n ln( n n = + n ln n = / = ) ln( ln( ln = ln( / / + n ln ) ) / ) ; José Agüera Soriano 0 33

34 José Agüera Soriano 0 34 Las transformaciones teóricas ueden considerarse un caso articular de las olitróicas: n = K Isobaras: = K n = 0 Isócoras: = K; /n = K' n = ± Isotermas de un gas erfecto: = K n = Adiabáticas ( γ = K) n = γ

35 José Agüera Soriano 0 35 EJERCICIO Calcular el exonente n de la olitróica -. Relación de olúmenes: / = 0 Presiones: = 6 bar, = bar. Solución n = n = ln6 ln0 ln( ln( = / / ) ),7759,3059 =,04

36 José Agüera Soriano 0 36 Relaciones entre dos estados olúmenes y resiones n n = ; Entre ambas se elimina o = / n temeraturas y olúmenes temeraturas y resiones Dos estados y de la olitróica ha de satisfacer tanto a la ecuación de la olitróica, como a la ecuación de estado: y n = K y f (,, T ) = 0

37 José Agüera Soriano 0 37 ; ; T R T R n n = = = = n T T n n T T = Gas erfecto R T K n y = = Entre dos estados y :

38 José Agüera Soriano 0 38 EJERCICIO Calcúlese la temeratura del estado y la relación de olúmenes del aire. Los datos son: = bar; t = 7 o C; = 0 bar. Solución T T γ,4 γ,4 = = 0 =,354 ; T = = γ = 0, 4 = 8, K

39 Cambios de fase de una sustancia ura José Agüera Soriano 0 39

40 José Agüera Soriano 0 40

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42 Comortamiento de los fluidos cura límite inferior LÍQUIDO A K VAPOR B A B VAPOR HÚMEDO GAS SOBRE CALEN 3 cura límite suerior isoterma crítica TADO T 4 T 3 T K T T 3 José Agüera Soriano 0 4

43 José Agüera Soriano 0 43 aire t k = 40,7 ºC k = 37,69 bar H t k = 39,9 ºC k =,97 bar O t k = 8,4 ºC k = 50,80 bar N t k = 47,0 ºC k = 33,90 bar H O t k = 374, ºC k =, bar CO t k = 40, ºC k = 35,00 bar CO t k = 3,0 ºC k = 73,90 bar

44 Reresentemos las isotermas en este otro diagrama de estado T K kj kmol R=8,343 isotermas Cada fluido tiene una familia de isotermas diferente, ero también conergen en un unto de la ordenada, y si además se toma como unidad el mol, el unto es el mismo: R (constante uniersal de los gases). 0 José Agüera Soriano 0 44

45 José Agüera Soriano 0 45 Constante molar de los gases. kj R = lím = 8,343 0 T kmol K Ecuación de los gases erfectos = R T gas erfecto es un gas imaginario, al cual tienden los gases reales a medida que su resión disminuye y/o a medida que su temeratura aumenta.

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