TEMA 1 - INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS Y DEFINICIONES

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1 ÍNDICE EMA - INRODUCCIÓN. CONCEPOS Y DEFINICIONES. CONCEPO Y AMPLIUD DE LA ERMODINÁMICA.... CIENÍFICOS PIONEROS DE LA ERMODINÁMICA.... CONCEPOS Y DEFINICIONES...4. SISEMA ipo de itema ipo de límite de lo itema La pared adiabática...5. PROPIEDAD Definición de propiedad ipo de propiedade Caracterítica matemática de una propiedad COEFICIENES ERMODINÁMICOS ESADO ERMODINÁMICO PROCESO FASE SUSANCIA PURA DIMENSIONES Y UNIDADES NOMENCLAURA DE MAGNIUDES INENSIVAS Y EXENSIVAS VOLUMEN, VOLUMEN ESPECÍFICO Y DENSIDAD PRESIÓN EMPERAURA Y LA LEY CERO EQUILIBRIO ÉRMICO LEY CERO EMPERAURA EMPÍRICA ESCALA DE EMPERAURAS DEL GAS IDEAL ORAS ESCALAS DE EMPERAURAS...7 BIBLIOGRAFÍA...7 EJEMPLOS DE CAMBIOS DE UNIDADES...8 EMA - LA ENERGÍA Y EL PRIMER PRINCIPIO. RABAJO EN SISEMAS MECÁNICOS.... RABAJO EN SISEMAS ERMODINÁMICOS.... CONCEPO DE RABAJO ERMODINÁMICO.... MEDIDA DEL RABAJO. CONVENIO DE SIGNOS Y NOACIÓN RABAJO EN UNA FRONERA MÓVIL RABAJO EN SISEMA COMPRESIBLE RABAJO EN PROCESOS CUASIESÁICOS RABAJO DISIPAIVO RABAJO EN OROS SISEMAS rabajo elático o de reorte Alargamiento de una lámina uperficial rabajo de torión rabajo eléctrico rabajo de polarización y magnetización....8 RESUMEN DE RABAJOS CUASIESÁICOS PRIMER PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA PROCESOS ADIABÁICOS EL PRIMER PRINCIPIO PROCESOS NO ADIABÁICOS RABAJO, CALOR Y ENERGÍA LA ENERGÍA INERNA...5

2 5. EL CALOR CONVENIO DE SIGNOS Y NOACIÓN MODOS DE RANSFERENCIA DE CALOR BALANCE DE ENERGÍA EN SISEMAS CERRADOS...7 BIBLIOGRAFÍA...9 PROBLEMAS PROPUESOS...0 EMA 3 - SISEMAS SIMPLES. EL POSULADO DE ESADO PROPIEDADES INDEPENDIENES Y DEPENDIENES EL POSULADO DE ESADO LA REGLA DE LAS FASES DE GIBBS ECUACIONES DE ESADO ECUACIONES DE ESADO ÉRMICAS ECUACIONES DE ESADO ENERGÉICAS: ENERGÍA INERNA Y ENALPÍA Significado fíico de la energía interna y entalpía Coeficiente calórico: definición Significado fíico de lo coeficiente calórico LA RELACIÓN P-V SUPERFICIE P-V PROYECCIONES DE LA SUPERFICIE P-V Diagrama de Fae (P-) Diagrama P-v Diagrama v CAMBIOS DE FASE VALORES DE LAS PROPIEDADES ERMODINÁMICAS ABLAS DE V,H,S F (P,) abla de aturación abla de Líquido y Vapore Etado de referencia APROXIMACIÓN DEL LÍQUIDO SUBENFRIADO MODELO DE SUSANCIA INCOMPRESIBLE ECUACIONES DE ESADO BIBLIOGRAFÍA APLICACIÓN DEL PRIMER PRINCIPIO A SISEMAS SIMPLES COMPRESIBLES PROBLEMAS PROPUESOS EMA 4 - EL GAS IDEAL. DEFINICIÓN DE GAS IDEAL ECUACIÓN DE ESADO ÉRMICA ECUACIÓN DE ESADO ENERGÉICA Experiencia de Joule Energía interna y entalpía de un Ga Ideal EL GAS PERFECO PROCESOS CUASIESÁICOS EN GASES IDEALES PROCESO ISOCORO PROCESO ISOBARO PROCESO ISOERMO PROCESO ADIABÁICO EL PROCESO POLIRÓPICO...4. BIBLIOGRAFÍA APLICACIÓN DEL PRIMER PRINCIPIO A GASES IDEALES...4.4

3 PROBLEMAS PROPUESOS EMA 5 - EL VOLUMEN DE CONROL. RANSICIÓN DE MASA DE CONROL A VOLUMEN DE CONROL CONSERVACIÓN DE LA MASA EN UN VOLUMEN DE CONROL DESARROLLO DEL BALANCE DE MAERIA EXPRESIÓN DEL CAUDAL MÁSICO FLUJO UNIDIMENSIONAL BALANCE DE MAERIA EN ESADO ESACIONARIO CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA EN UN VOLUMEN DE CONROL RABAJO EN SISEMAS ABIEROS. RABAJO ÉCNICO EXPRESIÓN DEL BALANCE DE ENERGÍA BALANCES DE ENERGÍA EN ESADO ESACIONARIO ANÁLISIS DE VOLÚMENES DE CONROL EN ESADO ESACIONARIO OBERAS Y DIFUSORES DISPOSIIVOS DE ESRANGULACIÓN URBINAS, COMPRESORES Y BOMBAS INERCAMBIADORES DE CALOR ANÁLISIS DE RANSIORIOS LLENADO DE DEPÓSIOS VACIADO DE DEPÓSIOS...5. BIBLIOGRAFÍA...5. EJEMPLOS DE SISEMAS ABIEROS...5. PROBLEMAS PROPUESOS EMA 6 - EL SEGUNDO PRINCIPIO. INRODUCCIÓN PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES CARACERÍSICAS DE UN PROCESO REVERSIBLE IPOS DE IRREVERSIBILIDADES MÁQUINAS ÉRMICAS CICLOS DE POENCIA CICLOS INVERSOS FORMULACIONES DEL SEGUNDO PRINCIPIO ENUNCIADO DE CLAUSIUS ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK EQUIVALENCIA DE AMBOS ENUNCIADOS FORMULACIÓN ANALÍICA DEL ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK CONSECUENCIAS DEL SEGUNDO PRINCIPIO COROLARIOS DEL SEGUNDO PRINCIPIOS PARA CICLOS LA ESCALA KELVIN DE EMPERAURA RENDIMIENO MÁXIMO DE MÁQUINAS ÉRMICAS EL CICLO DE CARNO CICLO DE CARNO CON GAS IDEAL, SISEMA CERRADO CICLO DE CARNO CON GAS IDEAL, SISEMA ABIERO CICLO DE CARNO CON FLUIDO BIFÁSICO, SISEMA ABIERO BIBLIOGRAFÍA EJEMPLOS DESARROLLADOS PROBLEMAS PROPUESOS...6.7

4 EMA 7 - ENROPÍA. LA DESIGUALDAD DE CLAUSIUS DEFINICIÓN DE LA VARIACIÓN DE ENROPÍA CALOR EN PROCESOS INERNAMENE REVERSIBLES VARIACIÓN DE ENROPÍA EN PROCESOS IRREVERSIBLES PRINCIPIO DE AUMENO DE ENROPÍA VALORES NUMÉRICOS DE LA ENROPÍA (SUSANCIA PURA, SIMPLE Y COMPRESIBLE) ABLAS DIAGRAMAS ECUACIONES DS GAS IDEAL SUSANCIA INCOMPRESIBLE BALANCE DE ENROPÍA EN SISEMAS CERRADOS BALANCE DE ENROPÍA EN VOLÚMENES DE CONROL...7. BIBLIOGRAFÍA...7. EJEMPLOS DESARROLLADOS...7. PROBLEMAS PROPUESOS EMA 8 - APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY. RABAJO EN PROCESOS DE EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN CÁLCULO DEL RABAJO RABAJO DE BOMBAS DE LÍQUIDOS COMPRESORES DE GASES EFECIVIDAD DE PROCESOS ADIABÁICOS RABAJO Y CALOR EN PROCESOS ISOERMOS PROCESOS ISOERMOS REVERSIBLES EN SISEMA CERRADO PROCESOS ISOERMOS REVERSIBLES EN VOLUMEN DE CONROL EFECIVIDAD DE INERCAMBIADORES DE CALOR ES DE IMPOSIBILIDAD DE PROCESOS BIBLIOGRAFÍA PROBLEMAS PROPUESOS EMA 0 - MEZCLAS DE GASES IDEALES. AIRE HÚMEDO. PROPIEDADES DE MEZCLAS GASEOSAS FRACCIÓN MOLAR Y FRACCIÓN MÁSICA ECUACIÓN DE ESADO DE MEZCLAS DE GASES IDEALES Preión parcial: regla de Dalton Volumen parcial: regla de Amagat PROPIEDADES EXENSIVAS: LEY DE GIBBS MEZCLAS GASEOSAS CON UN COMPONENE CONDENSABLE AIRE HÚMEDO EMPERAURAS CARACERÍSICAS DEL AIRE HÚMEDO EMPERAURA DE ROCÍO EMPERAURA DE SAURACIÓN ADIABÁICA EMPERAURA DE BULBO HÚMEDO DIAGRAMA PSICROMÉRICO PROCESOS CON AIRE HÚMEDO CALENAMIENO ENFRIAMIENO Y DESHUMIDIFICACIÓN...0.6

5 6.3 HUMIDIFICACIÓN DE AIRE HÚMEDO MEZCLA DE CORRIENES DE AIRE HÚMEDO ORRES DE ENFRIAMIENO NOA SOBRE LA HUMEDAD EN SÓLIDOS...0. BIBLIOGRAFÍA...0. PROBLEMAS PROPUESOS EMA - MEZCLAS REACIVAS Y COMBUSIÓN. EL PROCESO DE COMBUSIÓN.... CARACERÍSICAS GENERALES.... COMBUSIBLES COMBURENE: EL AIRE PRODUCOS DE COMBUSIÓN...5. ESEQUIOMERÍA DE LOS PROCESOS DE COMBUSIÓN...6. REACCIÓN EÓRICA...6. REACCIÓN REAL PARÁMEROS PARA DESCRIBIR LA ESEQUIOMERÍA COMBUSIÓN EN RÉGIMEN ESACIONARIO PRIMER PRINCIPIO Calor de reacción Etado etándar Calor de reacción etándar Calor de combutión Potencia calorífica Balance general de reacción química emperatura de llama SEGUNDO PRINCIPIO COMBUSIÓN A VOLUMEN CONSANE...0 BIBLIOGRAFÍA... PROBLEMAS RESUELOS... PROBLEMAS PROPUESOS...8 EMA - LA ENERGÍA DISPONIBLE. LA EXERGÍA. ENERGÍA UILIZABLE Y DISPONIBILIDAD.... EXERGÍA DE UNA MASA DE CONROL.... AMBIENE.... ESADO MUERO....3 CÁLCULO DE LA EXERGÍA Exergía aboluta Variación de exergía rabajo real y trabajo perdido en proceo reale BALANCE DE EXERGÍA EN SISEMAS CERRADOS EXERGÍA DE UN FLUJO ESACIONARIO CÁLCULO DE LA EXERGÍA DE FLUJO COMPONENES DE LA EXERGÍA FÍSICA BALANCE DE EXERGÍA EN VOLÚMENES DE CONROL...6 BIBLIOGRAFÍA...7 PROBLEMAS PROPUESOS...8 EMA 3 - ANÁLISIS EXERGÉICO. EL ANÁLISIS EXERGÉICO...3.

6 . EJEMPLOS DE ANÁLISIS EXERGÉICO (SISEMAS CERRADOS) BALANCE DE EXERGÍA EN SISEMAS CERRADOS ADICIÓN DE ENERGÍA A UN SISEMA CERRADO CALENAMIENO ELÉCRICO DIRECO INERCAMBIO DE ENERGÍA ENRE SUSANCIAS INCOMPRESIBLES EJEMPLOS DE ANÁLISIS EXERGÉICO (VOLÚMENES DE CONROL) BALANCE DE EXERGÍA EN VOLÚMENES DE CONROL URBINAS COMPRESORES Y BOMBAS OBERAS ESRANGULACIÓN INERCAMBIADORES DE CALOR SIN MEZCLA INERCAMBIO DE ENERGÍA POR MEZCLA DE FLUIDOS PUROS BIBLIOGRAFÍA PROBLEMAS PROPUESOS EMA 4 - CICLOS DE POENCIA CON VAPOR. CICLOS DE RANKINE RENDIMIENOS DE MÁQUINAS BIERMAS FLUIDOS EMPLEADOS EN CICLOS DE VAPOR Criterio de elección del fluido Fluido empleado CICLO DE RANKINE SIMPLE Ciclo ideal teórico Ciclo ideal práctico: Ciclo de Rankine Irreveribilidade en un ciclo real FACORES QUE AFECAN AL RENDIMIENO AUMENO DE PRESIÓN EN CALDERA SOBRECALENAMIENO DEL VAPOR REDUCCIÓN DE PRESIÓN EN CONDENSADOR MODIFICACIONES PARA MEJORAR EL RENDIMIENO CICLOS CON RECALENAMIENO CICLOS REGENERAIVOS Regeneradore abierto Calentadore cerrado Calentadore múltiple...4. BIBLIOGRAFÍA...4. PROBLEMAS RESUELOS...4. PROBLEMAS PROPUESOS EMA 5 - CICLOS FRIGORÍFICOS. BIBLIOGRAFÍA PROBLEMAS RESUELOS PROBLEMAS PROPUESOS ANEXO - ES (HE EXPER SYSEM FOR HERMODYNAMICS) WELCOME NAVIGAION ALGORIHM ES-CODE

7 ema - INRODUCCIÓN. CONCEPOS Y DEFINICIONES ÍNDICE. CONCEPO Y AMPLIUD DE LA ERMODINÁMICA.... CIENÍFICOS PIONEROS DE LA ERMODINÁMICA.... CONCEPOS Y DEFINICIONES...4. SISEMA ipo de itema ipo de límite de lo itema La pared adiabática...5. PROPIEDAD Definición de propiedad ipo de propiedade Caracterítica matemática de una propiedad COEFICIENES ERMODINÁMICOS ESADO ERMODINÁMICO PROCESO FASE SUSANCIA PURA DIMENSIONES Y UNIDADES NOMENCLAURA DE MAGNIUDES INENSIVAS Y EXENSIVAS VOLUMEN, VOLUMEN ESPECÍFICO Y DENSIDAD PRESIÓN EMPERAURA Y LA LEY CERO EQUILIBRIO ÉRMICO LEY CERO EMPERAURA EMPÍRICA ESCALA DE EMPERAURAS DEL GAS IDEAL ORAS ESCALAS DE EMPERAURAS BIBLIOGRAFÍA EJEMPLOS DE CAMBIOS DE UNIDADES...8 En ete primer capítulo, tra una breve introducción hitórica, e definen alguno concepto que e emplearán durante todo el curo (itema, propiedad, etado y proceo); y e preentan la tre variable má importante: preión, volumen y temperatura, eta última con má detalle. Ete tema e de referencia: habrá que volver durante el curo a la definicione aquí preentada.. CONCEPO Y AMPLIUD DE LA ERMODINÁMICA Dede lo tiempo prehitórico, el hombre e encontró compartiendo u vida con lo cuatro elemento que mucho má tarde conideraba Aritótele la bae del Univero: la tierra, el agua, el aire y el fuego. Ete último comenzó pronto a manejarlo, producirlo y utilizarlo. Al principio ólo CAMPUS ECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA. NAFARROAKO UNIBERSIAEKO CAMPUS EKNOLOGIKOA Paeo de Manuel Lardizábal Donotia-San Sebatián. el.: Fax: informacion@ceit.e omá Gómez-Acebo, tgacebo@tecnun.e, eptiembre 00

8 . ema - Introducción. Concepto y Definicione para calentare, depué para cambiar u herramienta de piedra por metálica, combinando aí la combutión con la poibilidad de tranformacione de la materia, reaccione química, lo cual hizo poible lentamente, la contrucción de u vivienda, y de u herramienta. Al principio ólo manejó, como ayuda a u efuerzo mucular y al de lo animale, la fuerza del viento y de la corriente de agua, y tuvo que remontare hata hace uno treciento año, para crear la máquina que trajo en la hitoria la revolución indutrial. La ENERGÍA, palabra griega que ignifica fuerza en acción, o capacidad para producir trabajo, e el protagonita principal de la diciplina de la ermodinámica que pretendemo etudiar. Sabemo que la materia poee energía tanto por u mima naturaleza, energía interna, como por u relación con un medio externo referencial; aí conocemo la energía potencial relacionada con la poición en un campo externo, gravitatorio, eléctrico o magnético y también la energía cinética relacionada con el movimiento de tralación o de rotación. Etamo perfectamente familiarizado con lo concepto de energía térmica, mecánica, eléctrica, magnética, química, uperficial y conocemo de u poible tranferencia y también de u tranformacione de una forma en otra. La ERMODINÁMICA tiene como objetivo el entender la interrelacione entre lo fenómeno mecánico, térmico y químico. Por ello e puede definir como la Ciencia que etudia toda la tranformacione o converión de una forma de energía en otra y también la tranmiión o tranferencia de determinada clae de energía. En u entido etimológico, podría decire que trata del calor y del trabajo, pero por extenión, de toda aquella propiedade de la utancia que guardan relación con el calor y el trabajo. La ermodinámica e dearrolla a partir de cuatro Principio o Leye: Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad. Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conervativa. Segundo Principio: define la entropía como medida de la dirección de lo proceo. ercer Principio: interpretación fíica de la entropía como orden de lo itema; e ua en termoquímica. El dearrollo hitórico de eta ciencia no ha ido ciertamente lineal.. CIENÍFICOS PIONEROS DE LA ERMODINÁMICA Entre lo numeroo científico que han intervenido en el dearrollo de la termodinámica podríamo eñalar ei a lo que e puede atribuir la bae de eta ciencia: El primero de ello debemo coniderar a Antoine Laurent Lavoiier (Francia, ) que con u numeroo trabajo cabe atribuirle la fundación de la química moderna. Etudió la etequiometría de la reaccione, el conocimiento de la combutión, la compoición del aire y del agua; interviene en la nomenclatura de elemento y compueto químico... Su vida fue egada prematura- Peter William Atkin ha expueto aí la cronología de la leye termodinámica (he Second Law, Scientific American Library 984): "here are four law. he third of them, the Second Law, wa recognized firt; the firt, the Zeroth Law, wa formulated lat; the Firt Law wa econd; the hird Law might not even be a law in the ame ene a the other. Happily, the content of the law i impler than their chronology, which repreent the difficulty of etablihing propertie of intangible."

9 Concepto y amplitud de la ermodinámica.3 mente por la guillotina en la época del terror de la revolución francea. Con u célebre frae nada e crea, nada e pierde preenta y demuetra la ley de la conervación de la materia, precurora de la ª ley de la termodinámica de la conervación de la energía. Nicolá Léonard Sadi Carnot (Francia, ) dede la preentación ante la Academia Francea de u trabajo obre la potencia del fuego, abre el campo al análii de la máquina térmica. Su nombre no acompañará durante todo ete curo. El rendimiento de u famoo ciclo ideal, el llamado factor de Carnot, deberemo emplearlo incluo en el análii má moderno de lo itema termodinámico. Rudolf J. Clauiu (Alemania, 8-888), entre u trabajo eñalamo la introducción de una nueva propiedad termodinámica, la entropía. E el artífice de la formulación matemática del egundo principio. William homon, Lord Kelvin (Ecocia, ), del que detacaremo la creación de la ecala de temperatura que lleva u nombre y la definición de la llamada energía diponible de un itema. Jame Precott Joule (Inglaterra, ), cervecero y experto en el uo de lo termómetro, deduce la equiparación entre la energía térmica y el trabajo. La unidad de la energía toma u nombre. Y por último Joia Willard Gibb (USA, ). Fue un hombre modeto, trabajó en Yale durante nueve año in recibir nada por u trabajo hata que fueron reconocida u aportacione, que abren el camino de la termodinámica moderna y de la mecánica etadítica. Su célebre Regla de la fae y u numeroa ecuacione fundamentale entre la propiedade termodinámica, abrieron el pao a toda la moderna química e ingeniería indutrial. 3 Figura. Joia Willard Gibb ( ). Reflexion ur la Puiance motrice du feu. 3 E famoo el comentario de una prima de Gibb al ver una copia de u artículo de ermodinámica má famoo: It look full of hard word and ign and number, not very entertaining or undertandable looking, and I wonder whether it will make people wier or better (cit. por O. Levenpiel, Undertanding Engineering hermo, Prentice Hall, 996).

10 .4 ema - Introducción. Concepto y Definicione. CONCEPOS Y DEFINICIONES Vocabulario termodinámico: SISEMA, y u entorno. MAGNIUDES o propiedade, inteniva y exteniva. COEFICIENES DEL SISEMA. ESADO, ecuación de etado. PROCESO, reverible e irreverible. EQUILIBRIO, mecánico, químico, térmico, termodinámico.. SISEMA Sitema e una porción del univero objeto de etudio. Un itema e una región retringida, no neceariamente de volumen contante, ni fija en el epacio, en donde e puede etudiar la tranferencia y tranmiión de maa y energía. odo itema queda limitado por un contorno, parede, frontera o límite del itema, que pueden er reale o imaginario. ambién e llaman uperficie de control. El medio rodeante o entorno e la parte del univero próxima al itema y que e ve afectada en alguna medida por lo proceo que ocurren en el itema... ipo de itema En función de lo límite, un itema puede er: Cerrado: e una región de maa contante; a travé de u límite ólo e permite la tranferencia de energía. Se denomina maa de control. Abierto: en un itema abierto e poible la tranferencia de maa y de energía a travé de u límite; la maa contenida en él no e neceariamente contante. Se denomina volumen de control; la uperficie limitante, que por lo meno en parte debe er permeable o imaginaria, e llama uperficie de control. Ailado: un itema ailado no puede tranferir materia ni energía con el medio rodeante. El univero en u totalidad e puede coniderar como un itema ailado. Se denomina fae a cierta cantidad de materia, homogénea en compoición química y etructura fíica. Un itema que contiene una ola fae e denomina homogéneo, y i conta de do o má fae e un itema heterogéneo. Una fae puede etar compueta de una utancia pura o de vario componente.

11 .. ipo de límite de lo itema Adiabático, cuando no pueden er atraveado por el calor. Diatérmico, i permiten la tranferencia del calor. Rígido, i no permiten el cambio de volumen. Concepto y definicione.5 Permeable o emipermeable, cuando a travé de la parede del itema puede paar cualquier clae o ólo determinada utancia repectivamente...3 La pared adiabática El concepto de pared adiabática e puede ilutrar con un experimento encillo. Se dipone de un itema cerrado y rígido en el que e tiene un dipoitivo para la medida de u temperatura empírica. El itema e rodea de otro con una temperatura empírica mayor. Si el itema inicial etá contruido de cobre, la evolución de la temperatura erá emejante a la de la curva de la Figura.. La curva, 3, 4 y 5 reultarían i el itema etá contruido de acero, vidrio, polietileno, alúmina, repectivamente. Eto reultado e baan en el concepto intuitivo de lo valore decreciente de la conductividad térmica dede el cobre a la alúmina. emperatura empírica Pared diatérmica 3 Pared adiabática 4 5 B 6 A t 0 iempo Figura. Comportamiento temperatura-tiempo para vario materiale. Se muetran como límite el comportamiento de la pared diatérmica y adiabática. Finalmente, i el recipiente etá rodeado de un vao Dewar ailado con doble pared (lo recipiente que e emplean para almacenar líquido a muy baja temperatura), la variación de la temperatura con el tiempo ería muy pequeña (curva 6). La pared adiabática e un concepto idealizado, repreentado como el cao limitante de la curva A de la Figura.. En la práctica, mucho itema e conideran rodeado de parede adiabática, epecialmente cuando el proceo ocurre muy rápido.

12 .6 ema - Introducción. Concepto y Definicione El cao contrario de la pared adiabática e la pared diatérmica (curva B), en la que el cambio de temperatura empírica e muy rápido comparado con la ecala de tiempo del experimento (e decir, la temperatura termométrica de lo do itema e iempre idéntica).. PROPIEDAD.. Definición de propiedad Propiedad e cualquier caracterítica evaluable de un itema, cuyo valor depende de la condicione de éte. La propiedade de un itema definen u "etado". La lita de eta propiedade e puede reducir, i e conidera que no toda on ignificativa para un análii determinado. Por ejemplo, el color de un avión no erá ignificativo para analizar la caracterítica de u depegue, pero í puede erlo para u etado etético y para u análii comercial. Por ello e agrupan la propiedade en clae ignificativa egún lo tipo de análii, y por ello e proponen diferente tipo de etado. De acuerdo con ello, la caracterítica del depegue del avión puede depender de u geometría, etado geométrico; u velocidad y altitud erán caracterítica de u etado cinético; la temperatura, preión y humedad de la cabina relacionarán u etado termodinámico. La termodinámica gira alrededor de la energía y por ello la propiedade termodinámica erán aquella que e relacionan con la energía, y definen u etado termodinámico... ipo de propiedade Alguna propiedade interna o termodinámica on: la maa m, preión P, temperatura, volumen V, energía interna U, entropía S, y ademá lo factore térmico o coeficiente termoelático, lo calore latente, preión de vapor, capacidade calorífica, denidad, etc. Para itema compreible cerrado eta propiedade on la apropiada. Para itema abierto, o cerrado en movimiento, hay ademá un egundo tipo de propiedade, que on la externa o mecánica; dependen del movimiento o de la poición del itema en el campo gravitatorio: la velocidad c y la altura z, e decir, de la energía cinética y potencial. E evidente que i el itema e una pila eléctrica, ni la P ni el V, erán propiedade ignificativa para u análii, que erán utituida por la f.e.m. o potencial de la pila ε y por la carga conumida q. Cuando tratemo de etudiar la termodinámica de una uperficie elática deberemo coniderar u tenión uperficial σ y el área A. A vece e denominan coordenada termodinámica aquella propiedade fundamentale o ignificativa de la cuale fácilmente pueden deducire la demá. Hemo de eñalar que la y la S on propiedade univerale que deben er coniderada en cualquier itema. La propiedade de etado e llaman también variable de etado o funcione de etado (pue una propiedade dependen de otra). Propiedade exteniva: Son aquella que dependen de la maa del itema, por ejemplo el volumen, y toda la clae de energía. Si un itema etá contituido por N ubitema, el valor de una propiedad exteniva X para el itema total, vendrá dado por

13 Concepto y definicione.7 X N X i i [.] iendo X i la propiedad exteniva del ubitema i. E decir, la propiedade exteniva on aditiva. Para deignar la propiedade exteniva e utilizan letra mayúcula (la maa m e una excepción importante). Propiedade inteniva: Son independiente del tamaño, maa o magnitud del itema, por ejemplo la preión, temperatura, vicoidad y altura. La propiedade exteniva e convierten en inteniva i e exprean por unidad de maa (propiedad epecífica), de mole (propiedad molar) o de volumen (denidad de propiedad). La propiedade inteniva e repreentan con letra minúcula, con la excepción de la temperatura...3 Caracterítica matemática de una propiedad Una propiedad o función de etado e una función de variable de etado. Para que una función Φ ea una función de etado, e neceario y uficiente que la diferencial dφ ea una diferencial exacta. La iguiente afirmacione on equivalente; i una de ella e cumple, la otra tre también e cumplen: Φ e una función de etado; dφ e una diferencial exacta; d Φ 0 ; [.] d Φ Φ Φ. [.3] La condición para que una diferencial ea exacta e la iguiente: i una función Φ depende de do variable de etado x e y, e decir, ΦΦ(x,y), para un cambio elemental de Φ e cumple Φ Φ dφ M ( x, y) dx + N( x, y) dy dx + dy [.4] x y entonce dφ e diferencial exacta i y ólo i cumple la regla de Schwartz de la egunda derivada cruzada: M ( x, y) y N ( x, y) y Φ y x Φ x y [.5].3 COEFICIENES ERMODINÁMICOS Lo coeficiente termodinámico on relacione entre propiedade termodinámica. Matemáticamente on derivada parciale de una variable repecto de otra. Alguno ejemplo:

14 .8 ema - Introducción. Concepto y Definicione Coeficiente de dilatación lineal, α L L L P L 0 L Calor epecífico iobaro, C P δ Q m P h P m Q Coeficiente de compreibilidad iotermo, κ V V P V 0 V P.4 ESADO ERMODINÁMICO Etado termodinámico e una condición del itema definida por determinado valore de u coordenada termodinámica. Etado idéntico de un itema, preentan lo mimo valore en u propiedade, independientemente del proceo o tranformacione que haya podido efectuar para alcanzarlo. Etado de Equilibrio: un itema etá en equilibrio cuando no tiene tendencia por í mimo para cambiar u etado, y por tanto u propiedade. Para comprobar i un itema etá en equilibrio habría que ailarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por í olo. P Figura.3 Ejemplo de equilibrio mecánico. El punto P tiene una poición de equilibrio que viene dada por la magnitud de la tre maa y la ditancia entre la polea (leye de la etática: balance de fuerza). El punto no cambia de poición i no interviene alguna interacción dede el exterior. Una pequeña perturbación (un pequeño aumento δm de una de la maa, o un cambio δx de la poicione de la polea) deplaza la poición de P, pero i cea la acción dede el exterior el punto vuelve a u poición de equilibrio. Si un itema no poee en u interior fuerza alguna no equilibrada y la que ejerce a travé de u frontera (i éta no on rígida) e equilibran con la del exterior que actúan obre él, e encontrará en equilibrio mecánico (Figura.3); i la temperatura e uniforme en la totalidad del itema y e la mima que la de u medio rodeante (cuando u parede ean diatérmica) e encontrará en equilibrio térmico; cuando la compoición química de un itema permanece in alteración lo tendremo

15 Concepto y definicione.9 en equilibrio químico; i no hay flujo de carga eléctrica a travé de u parede y u carga interna e contante habrá equilibrio electrotático. Equilibrio ermodinámico: Un itema etá en equilibrio termodinámico cuando atiface la condicione de todo lo equilibrio parciale. En el itema no habrá flujo de energía, materia, ni carga, etc.., permaneciendo ella y la compoición, contante en el interior. Cuando e produce una variación de una o de varia o de toda la propiedade del itema, e dice que e da un cambio de etado o proceo..5 PROCESO Un itema experimenta un proceo, cuando e verifica un cambio de etado. El cambio de etado puede coneguire por ditinto proceo. Proceo cíclico: Cuando el itema a travé de una erie de cambio de etado, finalmente vuelve a u etado inicial. Proceo cuaietático: Aquel que e verifica a travé de uceivo etado de equilibrio. Realmente no exite, e ideal o teórico. Puede aproximare tanto má cuanto la caua o potencial dirigente del proceo varía en cantidade cada vez má pequeña. Entonce cada nuevo etado producido, puede coniderare de equilibrio y viene definido por u coordenada y puede aplicárele la ecuacione que la liguen. La repreentación en un diagrama vendrá dada por una curva continua. Proceo no etático: Cuando no cumple la condicione anteriore. Son lo proceo de igualación. Proceo reverible: E un proceo cuaietático, que puede er llevado de nuevo al etado inicial paando por lo mimo etado intermedio que el proceo directo, y in que al final, ni en el itema ni en el medio rodeante, quede ningún efecto reidual que pueda revelar que e ha verificado el proceo. Para que eto último uceda, no debe haber rozamiento ni deformacione, lo que e llaman efecto diipativo. Por último, adelantaremo, que no habrá degradación de la energía y por ello ninguna generación o producción de entropía. 4 Proceo irreverible: Son lo proceo reale. En ello iempre habrá degradación de energía y generación de entropía. Pueden er de do tipo: a) Cuando e verifiquen por cambio no etático (proceo de igualación), tengan o no efecto diipativo. b) Cuando haya efecto diipativo, aunque e verifiquen a travé de cambio cuaietático. 4 "oute le opération ci-deu décrite peuven être exécutée dan un ordre invere. Le réultat de operation invere et la conommation de la puiance motrice produite et le retour du calorique du corp B au corp A: de orte que ce deux uite d'operation 'annullen, e neutraliant en quelque ort l'une l'autre". Sadi Carnot (796-83), Réflexion ur la puiance motrice du feu (nacimiento del concepto de proceo reverible, 84).

16 .0 ema - Introducción. Concepto y Definicione.6 FASE Una fae e una parte homogénea de una mezcla. Normalmente la homogeneidad e determina en el microcopio. A imple vita e comprueba que una mezcla de agua y hielo e bifáica. Lo mimo ocurre con la tre fae que componen el granito (cuarzo, mica y feldepato), pero generalmente e neceario emplear herramienta má avanzada (microcopio electrónico, difracción de rayo X, etc.), para ditinguir la diferente fae de una mezcla. Homogéneo no implica uniforme, pue la homogeneidad no excluye gradiente interno de magnitude inteniva..7 SUSANCIA PURA Sutancia pura e un material formado por un ólo contituyente, en opoición a una mezcla. Sutancia pura no ignifica utancia químicamente pura: a efecto práctico, llamamo utancia pura la que, en el intervalo de propiedade etudiado, no e epara en u componente. Por ejemplo, en proceo fíico (calentamiento o enfriamiento, compreión o expanión) a temperatura ambiente o uperior, el aire puede coniderae una utancia pura; pero en proceo químico (reaccione de combutión) o a baja temperatura (cuando e forma aire líquido), e neceario coniderar el aire como una mezcla de u componente. 3. DIMENSIONES Y UNIDADES 3. NOMENCLAURA DE MAGNIUDES INENSIVAS Y EXENSIVAS La magnitude exteniva, p.ej. V, E, U ó A (área), e exprean con mayúcula. La maa y el número de mole e denominan m y N 5. La magnitude inteniva epecífica, p.ej. v (volumen epecífico V/m), ρ (denidad m/v) ó u (energía interna epecífica U/m), e exprean en minúcula. La magnitude inteniva pura, preión y temperatura (P y ), en mayúcula. La magnitude inteniva molare, p.ej. v (volumen molar V/N), ρ (denidad molar N/V) ó u (energía interna molar U/N), e emplean en minúcula y con raya uperior. No obtante, con frecuencia e precindirá de la raya uperior, y la unidade (molar o epecífica) e deducen del contexto. 3. VOLUMEN, VOLUMEN ESPECÍFICO Y DENSIDAD Eta propiedade e pueden definir de la iguiente manera: Volumen (V) e el epacio que ocupa una utancia; e mide en metro cúbico (m 3 ). 5 Emplearemo N mayúcula para referirno al número de mole para evitar una coliión de notación con el llamado exponente politrópico n de proceo en gae (ema 4).

17 Dimenione y unidade. Volumen epecífico (v) e el epacio que ocupa la unidad de maa de una utancia; e mide en metro cúbico por kilogramo (m 3 /kg). Denidad (ρ) e la maa de la unidad de volumen de una utancia; e mide en kilogramo por metro cúbico (kg/m 3 ). De la definicione e deducen la iguiente relacione: v V m [.6] ρ m /V v ρ [.7] [.8] 3.3 PRESIÓN La preión e define como la fuerza por unidad de uperficie ejercida por un fluido obre una uperficie real o imaginaria, en dirección normal a la uperficie. En unidade SI la preión e mide en newton por metro cuadrado (N/m ), unidad denominada Pacal (Pa). En relación con la preión atmoférica, que e una referencia habitual, el N/m reulta una unidad demaiado pequeña, por lo que e uele utilizar el bar, donde bar 0 5 N/m 0, MPa 00 kpa atm 0 35 N/m,035 bar 0,35 kpa En el cao de un ga, la preión e el reultado de lo impacto de la molécula del ga contra la pared. Como la molécula e mueven en toda la direccione, la preión e la mima con independencia de la orientación de la pared donde e mide: la preión e una magnitud ecalar. Ga L Figura.4 - Manómetro para la medida de preione. La medida e baa en que lo punto y etán a la mima preión: P ga P P P atm + ρgl. Para gae formado por mezcla de varia utancia, e habla de preión parcial como la contribución de cada ga a la preión total de la mezcla. Puede coniderare que la preión parcial de un ga e el reultado de la coliione de la molécula de ee ga contra la pared del recipiente.

18 . ema - Introducción. Concepto y Definicione En el cao de líquido, la preión e debe a la fuerza de la gravedad (peo) del líquido: e denomina preión hidrotática. Atendiendo a la Figura.4, la preión en el punto erá la preión atmoférica P 0 má la fuerza ejercida por el peo de la columna de líquido, por unidad de área: P F mg ρvg P0 + P0 + P0 + P0 + A A A ρgl El término ρgl e el valor de la preión hidrotática del líquido. Conviene ditinguir entre preión aboluta y preión manométrica. En la Figura.4 e repreenta un manómetro para la medida de preione. La medida de la preión e baa en la igualdad de preión para punto ituado a la mima altura (P P, vao comunicante). La preión manométrica del ga e ρgl, iendo ρ la denidad del líquido del manómetro, g la aceleración de la gravedad y L la altura manométrica. L puede er negativo, luego la preión manométrica puede er negativa. La preión aboluta del ga e la manométrica má la atmoférica: 6 P man ρgl [.9] P P 0 + P man > 0 [.0] Hay medidore de preión cuya medida e la preión manométrica, y otro miden la preión aboluta. La preión atmoférica e denomina también preión barométrica. 4. EMPERAURA Y LA LEY CERO La temperatura e una propiedad eencial en ermodinámica. Su determinación cuantitativa (medida) e realiza con intrumento llamado termómetro. La Ley Cero de la ermodinámica potula que e poible medir la temperatura, e decir, que la temperatura e una propiedad. 4. EQUILIBRIO ÉRMICO La temperatura e aquella propiedad que determina la capacidad de un itema para intercambiar calor. Su unidad e el kelvin (K). Suponemo do ubitema A y B cerrado de parede adiabática, definido repectivamente por u variable de equilibrio x A, y A, x B, y B, ambo independiente entre í. Si e utituye la pared adiabática que lo epara por otra diatérmica (ver Figura.5) e oberva experimentalmente que e rompe el equilibrio exitente y cada itema varía u etado hata alcanzar etado de un nuevo equilibrio, que llamaremo de equilibrio térmico. Lo nuevo valore de la variable de etado que definen dicho equilibrio ya no on, como ante, independiente, ino que etán ligado por una relación F(x A, y A, x B, y B ) 0 [.] 6 Para ete razonamiento e upone que la preión del líquido manométrico ρ no cambia con la preión (líquido incompreible), y que la preión hidrotática del ga e depreciable (la preión del ga e idéntica a P ).

19 llamada ecuación del equilibrio térmico. emperatura y la Ley Cero.3 A x A y A B x B y B A x A y A B x B y B Figura.5 4. LEY CERO Conideramo ahora tre ubitema A, B y C, eparado do de ello, A y B, por una pared adiabática, y C eparado de A y B por parede diatérmica. Se oberva experimentalmente que i, en virtud del equilibrio térmico, A-C y B-C etán en equilibrio térmico, también lo etán A-B, a pear de no etar eparado por una pared diatérmica, lo cual podría comprobare permutando el tipo de pared entre A-B-C (ver Figura.6). Eto equivale a decir que la propiedad "equilibrio térmico" e tranitiva, e decir: A B A B C C Figura.6 Si do itema A y B etán en equilibrio térmico cada uno de ello con un tercero C, lo itema A y B etán en equilibrio térmico entre í. Eto contituye el llamado Principio Cero de la ermodinámica, por el cual la exitencia del equilibrio térmico entre do itema puede verificare a travé de un itema intermedio llamado termómetro, in neceidad de que lo do itema etén neceariamente en contacto a travé de una pared diatérmica. 4.3 EMPERAURA EMPÍRICA emperatura empírica e aquella propiedad cuyo valor e el mimo para todo lo itema que etán en equilibrio térmico entre í. La formulación del Principio Cero e (ver Figura.6): F(x A, y A, x C, y C ) 0 [.] F(x B, y B, x C, y C ) 0 [.3] F(x A, y A, x B, y B ) 0 [.4] e decir, el equilibrio térmico entre A y B puede etablecere a travé del equilibrio térmico con un itema intermediario C llamado termómetro.

20 .4 ema - Introducción. Concepto y Definicione Depejando de [.] y [.3] tenemo x C f A (x A, y A, y C ) f B (x B, y B, y C ) [.5] Si, para má implicidad, tomamo como fija la variable y C del itema termométrico, quedará x C f A (x A, y A ) f B (x B, y B ) [.6] La exitencia de equilibrio térmico entre do itema (A, B) viene medida por una propiedad común (x C ) del itema termométrico que llamaremo variable termométrica; u valor etá indiolublemente ligado a la propiedade fíica del itema medidor (variable empírica). La repreentación gráfica de [.6] para cada itema dará lugar a una familia de curva no interectante que on lo lugare geométrico del itema para lo que el termómetro eñala un mimo valor de la variable termométrica (llamada io-terma). y A x C x C x C x A Figura.7 Línea de temperatura empírica contante (ioterma). Se puede etablecer una relación imple arbitraria (de tipo lineal, cuadrático, logarítmico, etc.) entre la variable termométrica x y una nueva variable llamada temperatura empírica t del tipo t ax + b o bien t ax [.7] que permite diponer de una ecala má encilla de valore, llamada ecala de temperatura empírica, a travé de dicha ecuación termométrica [.7]. Eta ecuación debe cumplir la iguiente condicione:. que ea continua, in dicontinuidade ni punto anguloo;. que ea biunívoca, que a cada valor de x correponda uno ólo de t y vicevera; 3. que ea monótona (ordinariamente de derivada poitiva) para que ean del mimo igno el crecimiento de t y de x. La combinación de [.6] y [.7] no conduce a la expreión t f(x, y) [.8]

21 emperatura y la Ley Cero.5 para un itema dado, ecuación de etado térmica del itema, cuya forma depende de la ecala de temperatura coniderada. No debe pue extrañar que el valor de t ea diferente, para un mimo valor de x e y del itema, egún cuál ea el itema termométrico utilizado, e decir, el valor de t e empírico. Lo itema má uado como termómetro on: lo de líquido cuya propiedad fija e la preión, y variable el volumen o mejor la longitud del fluido en el tubo (al er la ección calibrada); lo de ga que toman como propiedad fija bien la preión o bien el volumen. Ejemplo. Identificar lo concepto mencionado anteriormente para un termómetro de capilar de mercurio, calibrado para la ecala Celiu, empleado para medir la temperatura de un ga ideal. Solución Variable termométrica x C : la longitud L del capilar de mercurio. Propiedad fija y C del termómetro: la cantidad total de mercurio, el volumen total del termómetro, la ección del capilar, etc. Ecuación termométrica [.7]: uele uponere una variación lineal, t al + b. Calibración: lo valore de a y b e determinan con do punto fijo, longitud L 0 a 0 C (punto de fuión del hielo) y L 00 a 00 C (ebullición del agua a atm): 0 al 0 + b; 00 al 00 + b a 00/(L 00 L 0 ), b 00 L 0 /(L 00 L 0 ) Propiedade x e y del itema: preión y volumen epecífico. Ecuación de etado térmica [.8] del itema medido: t f(p,v) P*v/R 73,5 donde R e una contante propia de cada ga (ver ema 4). Alguno punto fijo que e han empleado hitóricamente on: alcohol hirviendo (~80 C), hielo fundiéndoe (0 C), agua hirviendo (00 C), temperatura del cuerpo humano (37 C), nieve con al ( 8 C), etc. La Ley Cero permite una definición proviional de la temperatura (temperatura empírica), hata que el Segundo Principio permita formular una definición termodinámica. 4.4 ESCALA DE EMPERAURAS DEL GAS IDEAL Para cuantificar el valor de la temperatura empírica e neceario etablecer una ecala de temperatura. La ecala Celiu emplea do punto fijo (lo punto de fuión y de ebullición del agua pura, a atm de preión), a lo que da arbitrariamente lo valore numérico de 0 y 00 C. Sin embargo, e conocido que cualquier magnitud fíica debe requerir de un olo punto fijo para u definición. Eto e conigue con el termómetro de ga a preión contante (Figura.8) o a volumen contante. Explicaremo el de preión contante por u mayor implicidad.

22 .6 ema - Introducción. Concepto y Definicione P P 0 +mg/a cte. Medida de V Ga Bulbo termométrico Sitema a temperatura deconocida Figura.8 - ermómetro de ga a preión contante. La variable termométrica (e decir, la propiedad que varía con la temperatura) e el volumen ocupado por el ga. La preión del ga (el peo del pitón má la atmófera) e mantiene contante. El termómetro e introduce en un itema cuya temperatura e deea medir. En el termómetro de ga a preión contante la propiedad termométrica e el volumen ocupado por el ga, manteniendo contante la preión de dicho ga. Gay-Luac realizó medida del volumen ocupado por el ga cuando el itema analizado era hielo fundente (t 0 C), y cuando el itema era agua hirviendo (t 00 C). Comprobó que, con independencia de la cantidad de ga introducida, la relación entre ambo volúmene variaba poco egún qué ga introdujera en el termómetro: N : V 00,3749 V 0 Aire: V 00,375 V 0 O : V 00,3748 V 0 H : V 00,375 V 0 Ga cualquiera (media): V 00,375 V 0 E decir, el coeficiente de expanión térmica de lo gae (incremento relativo de volumen por unidad de aumento de temperatura) e V 00 0 V 0 t P α V 0 V 00 V 0 0,00375 C Se comprobó que la emejanza entre lo gae era tanto mayor cuanto: a) el ga e má permanente ;

23 Bibliografía.7 b) la preión del ga e menor. De ete modo, e puede hacer una abtracción denominada ga ideal, que ólo neceita un punto fijo de temperatura conocida (V 0 ) para la medida de cualquier otra temperatura: α V0 V V V V 0 0 ( + t) + t α α α + t α El punto fijo que e toma no e el punto de fuión del agua, ino el punto triple del agua (0,0 C y 0,6 kpa), en el que coexiten en equilibrio hielo, agua líquida y vapor. En ee etado, el valor experimental má exacto por el momento e a 0, C. Si creamo una ecala de temperatura θ /α + t, la medida del volumen erá implemente proporcional a la temperatura del itema en ea ecala: V θ V0 iendo θ t( C) + α 73,5 [.9] La ecala θ e una medida independiente de la utancia, directamente proporcional a la medida del termómetro, y con un cero fíico. E la ecala de temperatura del ga ideal; en el tema 7 veremo que eta ecala coincide con la temperatura aboluta (Kelvin). Al punto de referencia (punto triple del agua) e le da un valor de la temperatura de 73,6, con unidade de Kelvin (K). El termómetro e válido olamente para gae a muy baja preione; ólo entonce, el termómetro reulta er independiente del ga contenido en el bulbo, y por tanto válido para etablecer una ecala univeral (empírica) de temperatura. θ 73,6 lim P 0 V V P [.0] ambién puede medire la temperatura empírica con un termómetro de ga a volumen contante; e mide la preión del ga manteniendo contante el volumen que ocupa. El razonamiento e totalmente paralelo al del termómetro de ga a preión contante. 4.5 ORAS ESCALAS DE EMPERAURAS Celiu: t [ C] [K] 73,5; t [ C] [K] Fahrenheit: t [ F] t [ C]*,8 + 3; t [ F] t [ C]*,8 Rankine: [ R] [K]*,8 t [ F] + 459,67; [ R] [K]*,8 t [ F] 5. BIBLIOGRAFÍA M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO, Fundamento de ermodinámica écnica, Barcelona, Reverté, 993, pp. 6. A. SHAVI & C. GUFINGER, hermodynamic. From concept to application, London, Prentice Hall, 995, pp. 6.

24 .8 ema - Introducción. Concepto y Definicione J. M. SEGURA, ermodinámica écnica, Madrid, AC, 980, pp. 45. K. WARK, ermodinámica (5ª ed.), Mexico, McGraw-Hill, 99, pp EJEMPLOS DE CAMBIOS DE UNIDADES Lo cambio de unidade e baan en multiplicar por la unidad, e decir, por la equivalencia entre la mima magnitud expreada en do unidade ditinta; por ejemplo, i min 60, e puede decir que (60 )/( min), o también ( min)/(60 ) (egún convenga). Ejemplo. Un coche tiene una potencia nominal de 00 CV. Exprear la potencia en unidade SI. Solución Sabiendo que CV 735 W: 735 [W] 00 [CV] [W] 73,5 [kw] [CV] Ejemplo.3 Exprear en unidade SI el calor epecífico del agua líquida, c p cal/g C: Solución Sabemo que cal 4,868 J; g 0 3 kg; C K (en incremento de temperatura, no en valore de temperatura): 4,868[J] [g] [ C] [cal/g C] 486,8[J/kg K] 4,868[kJ/kgK] [cal] [kg] [K] Ejemplo.4 Exprear la preión atmoférica etándar en unidade imperiale (pi, pound per quare inch, libra por pulgada cuadrada). Solución Sabemo que atm 0 35 N/m ; in,54 cm; lb 0,4536 kg; kg-f 9,806 N: [kg - f] [lb] 0,054 [m] [atm] 035 [N/m ] 9,806[N] 0,4536 [kg] [in] 4,69 [lb - f/in ] 4,69[pi]

25 ema - LA ENERGÍA Y EL PRIMER PRINCIPIO ÍNDICE. RABAJO EN SISEMAS MECÁNICOS.... RABAJO EN SISEMAS ERMODINÁMICOS.... CONCEPO DE RABAJO ERMODINÁMICO.... MEDIDA DEL RABAJO. CONVENIO DE SIGNOS Y NOACIÓN RABAJO EN UNA FRONERA MÓVIL RABAJO EN SISEMA COMPRESIBLE RABAJO EN PROCESOS CUASIESÁICOS RABAJO DISIPAIVO RABAJO EN OROS SISEMAS rabajo elático o de reorte Alargamiento de una lámina uperficial rabajo de torión rabajo eléctrico rabajo de polarización y magnetización....8 RESUMEN DE RABAJOS CUASIESÁICOS PRIMER PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA PROCESOS ADIABÁICOS EL PRIMER PRINCIPIO PROCESOS NO ADIABÁICOS RABAJO, CALOR Y ENERGÍA LA ENERGÍA INERNA EL CALOR CONVENIO DE SIGNOS Y NOACIÓN MODOS DE RANSFERENCIA DE CALOR BALANCE DE ENERGÍA EN SISEMAS CERRADOS BIBLIOGRAFÍA PROBLEMAS PROPUESOS...0 Lo concepto de trabajo, calor y energía e emplean en el lenguaje corriente, y a vece intercambiándoe. Eta percepción intuitiva no e uficiente para el análii termodinámico, pue en ocaione puede conducir a error. En ete capítulo e definen cuidadoamente lo término trabajo, energía y calor. Se muetra que repreentan tre concepto no intercambiable pero con una clara relación entre ello. Se enuncia la Primera Ley de la ermodinámica para un itema cerrado, y e muetra cómo conduce a la ley de conervación de la energía. CAMPUS ECNOLÓGICO DE LA UNIVERSIDAD DE NAVARRA. NAFARROAKO UNIBERSIAEKO CAMPUS EKNOLOGIKOA Paeo de Manuel Lardizábal Donotia-San Sebatián. el.: Fax: informacion@ceit.e omá Gómez-Acebo, tgacebo@tecnun.e, eptiembre 00

26 . ema - La Energía y el Primer Principio. RABAJO EN SISEMAS MECÁNICOS La Mecánica define el trabajo como el producto ecalar de una fuerza por el deplazamiento de u punto de aplicación. Para un deplazamiento diferencial el trabajo vale δw F dr [.] En termodinámica, donde la interaccione e etudian dede el punto de vita del itema, eta definición e interpreta de la iguiente manera: cuando un itema ejerce una fuerza obre u entorno, provocando el deplazamiento de la frontera, el producto ecalar de la fuerza por el deplazamiento de la frontera e al trabajo realizado por el itema. Ete trabajo provoca evidentemente algún cambio en el entorno, por ejemplo el cambio de altura de una maa en un campo gravitatorio, o el etiramiento de un muelle. En lo que e refiere al itema, todo eto cambio on equivalente, pueto que han ido provocado por cambio idéntico en el itema y en u frontera. Hata ahora ólo e han definido modo de trabajo en lo que e fácil identificar la fuerza y el deplazamiento. En otro tipo de trabajo relacionado con fenómeno eléctrico, magnético y otro, puede er má difícil identificar la fuerza y el deplazamiento. La definición del trabajo de la ermodinámica trata de cubrir todo lo modo poible, incluyendo por upueto la definición de trabajo de la Mecánica.. RABAJO EN SISEMAS ERMODINÁMICOS. CONCEPO DE RABAJO ERMODINÁMICO La termodinámica define el trabajo de la iguiente manera: rabajo e una interacción entre do itema tal que cualquier cambio en cada itema y u entorno podría habere producido, exactamente, con el único efecto externo a ee itema, del cambio en la altura de una maa en un campo gravitatorio. E decir, un itema realiza trabajo obre u entorno i lo efecto de la interacción pueden reducire excluivamente al levantamiento o reducción de altura de un peo. El trabajo e, por definición, una interacción; por tanto, requiere al meno de do itema. En conecuencia, no hay trabajo i ólo e conidera un itema (itema ailado). No toda la interaccione on en forma de trabajo. Para que una interacción e conidere que e trabajo debe paar el tet expreado en la definición. Lo ejemplo iguiente pueden aclarar ete punto. Ejemplo. Se conidera una maa B unida a travé de una cuerda que paa por una polea in fricción, a un bloque A que deliza obre un plano horizontal, Figura.. La caída de B provoca el delizamiento de A con fricción. Definimo el bloque y el plano como itema A, y la maa como itema B; e poible identificar la interacción entre A y B: tiene lugar en la frontera, y conite en el movimiento de la cuerda etirada.

27 rabajo en Sitema ermodinámico.3 Para demotrar que eto e una interacción de trabajo, hay que realizar do tet, uno para cada itema: el tet para el itema A e el propio itema B, pueto que el único efecto externo a A e el cambio de altura de un peo en el itema B. Para hacer un tet del itema B, e utituye el itema A por un itema de tet, tet B en la Figura., que conite en otro peo conectado a travé de una polea in fricción. Ahora en tet B el único cambio e la elevación del peo, mientra que el itema B repite, exactamente, el proceo original. ambién e repite exactamente el movimiento de la cuerda a travé de la frontera. Como hemo demotrado que ambo itema A y B cumplen la definición de trabajo, la interacción e trabajo. Sitema A Sitema B et B Sitema B A B et B B Figura. Interacción en forma de trabajo.. Figura. Si eleccionamo como un único itema la combinación del bloque, el plano y la maa, no e puede identificar trabajo dede el punto de vita termodinámico, aunque ocurran cambio en el interior del itema. Ejemplo. Se conidera una bombilla alimentada por una pila eléctrica, tal como e muetra en la Figura.3. Con el circuito cerrado, tiene lugar un proceo en el itema. A travé de la frontera paa corriente por el circuito, provocando el encendido de la bombilla y el gato de parte de la pila. Sitema A Sitema B + Pila Figura.3 Interacción en forma de trabajo. Definimo la pila como itema A, y la bombilla como itema B. Exite una interacción, pueto que lo que ocurre en A afecta a B y vicevera. Aunque ningún peo cambia u altura, e puede demotrar que eta interacción e de trabajo, imaginando do tet, uno para cada itema. El tet para el itema A podría er utituir la bombilla por un motor eléctrico in fricción que levante un peo (Figura.4). De ete modo, e poible repetir exactamente el proceo ocurrido en el itema A y u frontera, con el único cambio en el tet A que ea el levantamiento de un peo. Sitema A et A + Pila Motor et B Dinamo + Sitema B Figura.4 Figura.5