TERMODINÁMICA. Fundamentos Físicos de la Ingeniería ETS Ingenieros Agrónomos UCLM (Albacete)

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1 Fundamentos Físicos de la Ingeniería ES Ingenieros Agrónomos UCLM (Albacete) ERMODINÁMICA Equipo docente Antonio J. Barbero García Alfonso Calera Belmonte Mariano Hernández uche (Dpto. Física Aplicada) 1

2 ERMÓMEROS. ROIEDADES ERMOMÉRICAS ariación de temperatura ariación propiedad termométrica CALIBRADO DE UN ERMÓMERO Empleo de puntos de referencia de temperatura fija que permiten asignar valores a una propiedad termométrica en un intervalo determinado. p Ejemplo: uso del punto de fusión del hielo y de la ebullición del agua a 1 atm ropiedad termométrica: altura de una columna de líquido en un capilar emperatura ropiedad termométrica lineal 0 Asignación de valores arbitrarios de temperatura a los puntos de referencia y división del intervalo en partes iguales ropiedad termométrica no lineal ropiedad termométrica ESABLECIMIENO DE UNA ESCALA ERMOMÉRICA

3 ESCALAS CENÍGRADA Y FAHRENHEI Centígrada (Celsius) Fahrenheit Equivalencia entre ambas escalas F 1.8 C atm 100 ºC 1 ºF 100 partes 180 partes 0 ºC 3 ºF Ejemplo A qué temperatura coinciden las escalas celsius y fahrenheit? x 1.8 x x 3 x ºC 40 º F 3

4 ERMÓMERO DE GAS 490 olumen constante 0 h 0 + ρgh NIEL DE REFERENCIA Se mantiene el volumen constante para diferentes temperaturas subiendo o bajando el tubo izquierdo Se mide la presión correspondiente a cada temperatura Las medidas convergen hacia un valor de temperatura de ºC Sistema control de temperatura Gas 3 ubo flexible Gas Gas (C) Desde el punto de vista de la física clásica, a ºC temperatura los átomos y moléculas tienen energía nula Cero absoluto 4

5 ESCALA ABSOLUA DE EMERAURAS (Escala Kelvin) Se puede emplear un termómetro de gas para definir una escala de temperatura, llamada escala absoluta o Kelvin, comparando la presión de un sistema a medir con la de un sistema de referencia preestablecido. Esta escala se define usando como referencia la presión de punto triple del agua ( mm Hg) de acuerdo con la ecuación siguiente: (K) unto triple: corresponde a las condiciones termodinámicas en que coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso de una sustancia pura. En el caso del agua mm Hg, ºC K 1 1 K es la fracción de la temperatura termodinámica de punto triple del agua

6 CAMBIOS DE ESADO SUSANCIA URA Una fase es un estado de una sustancia físicamente homogéneo que se caracteriza por ciertas propiedades, por ejemplo densidad, índice de refracción, conductividad eléctrica... Las fases pueden ser fluidas (líquido o gas) o sólidas (puede haber varias diferentes). Los cambios de fase son procesos a temperatura constante GAS emperatura LÍQUIDO SÓLIDO 6

7 CAMBIOS DE ESADO SUSANCIA URA Los cambios de estado llevan asociados intercambios de energía: calor latente de cambio de estado Cuando el cambio de estado es a presión constante entalpía de cambio de estado Ejemplo: agua a 1 atm 100 (ºC) hielo + agua agua + vapor 540 kcal/kg 80 kcal/kg 0 1 kcal/kg ºC hielo agua vapor q 7

8 CAMBIOS DE ESADO SUSANCIA URA. abla ejemplos ALGUNOS CALORES LAENES DE FUSIÓN y AORIZACIÓN Substance Helium Nitrogen Oxygen Ethyl alcohol Water Sulfur Lead Aluminium Silver Gold Copper Melting oint (ºC) Latent Heat of Fusion (J/kg) Boiling oint (ºC) Latent Heat of aporization (J/kg)

9 DIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSANCIA URA Las líneas del diagrama representan ESADOS DE SAURACIÓN, en los cuales dos fases distintas coexisten en equilibrio SÓLIDO Cruzar una línea del diagrama de fases Cambio de estado (variación abrupta de propiedades) En las condiciones (,) coexisten líquido y vapor Sólido-apor Sólido-Líquido A temperaturas superiores a la crítica el gas no se puede licuar por compresión LÍQUIDO unto triple 3 Líquido-apor apor unto crítico Gas crítica GASEOSO (FLUIDO) Continuidad entre los estados líquido y gaseoso 9

10 DIAGRAMA DE FASES: CAMBIOS DE ESADO CONGELACIÓN Cada uno de estos cambios lleva asociada la entalpía de cambio de estado correspondiente Sólido-Líquido FUSIÓN CONDENSACIÓN Ebullición: es un proceso de vaporización tumultuosa que ocurre cuando el líquido alcanza la temperatura a la que la presión de vapor de saturación iguala a la presión ambiente. ambiente SUBLIMACIÓN Líquido-apor AORIZACIÓN Sólido-apor SUBLIMACIÓN ebullición 10

11 DIAGRAMA DE FASES. SUBLIMACIÓN Si 3 > ambiente......cuando el sólido se caliente y sobrepase la temperatura SUBLIMARÁ OR COMLEO aso directo de estado sólido a vapor 3 ambiente 11

12 DIAGRAMA DE FASES. SUBLIMACIÓN (Ejemplo) DAOS DE SUBLIMACIÓN DEL IODO (C) (torr) -61,3 1,0E-05-46,9 1,0E-04-30, 1,0E-03-10,8 1,0E-0 1,1 1,0E-01 39,4 1,0 73, 10,0 115,8 100,0 18,8 760,0 (torr) SÓLIDO AOR (C) Datos de sublimación del iodo tomados de 1

13 DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA endiente negativa La temperatura de fusión DISMINUYE al aumentar la presión Los ejes NO están a escala C K bar C C C K C 1.0 bar 1 atm C C 13

14 DIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSANCIA URA La temperatura de ebullición depende de la presión ambiental emperatura ambiente resión ambiente emperatura ambiente resión reducida Aproximadamente 0 ºC Agua en ebullición... pero no hemos calentado nada 14

15 DIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSANCIA URA,5 Diagrama del agua (cuantitativo) Equilibrio líquido-vapor 0,08 0,07 0,06,0 0,05 1,5 (bar) 0,04 0, bar (bar) 1,0 0,0 0,01 0,5 LÍQUIDO AOR 0, (C) 0, (C) resión de vapor de saturación frente a la temperatura Ejemplo. Cuál es la presión de vapor de saturación (o tensión saturante) a 0 ºC? El agua líquida a 0 ºC se evaporará en un ambiente donde su presión parcial sea INFERIOR a 0.03 bar 15

16 ANOMALÍA DENSIDAD DEL AGUA Máximo densidad 16

17 17

18 SISEMAS ERMODINÁMICOS. CALOR Y RABAJO El calor es la energía que se transfiere de un sistema a otro a causa de una diferencia de temperaturas. El trabajo es la energía que se transfiere de un sistema a otro por causa distinta de una diferencia de temperaturas. Siempre involucra un desplazamiento de la frontera del sistema o de una parte de ella bajo la acción de una fuerza. Criterio de signos para calor y trabajo Q > 0 Q < 0 SISEMA W < 0 W > 0 18

19 u q w q pdv A presión constante h u + h u + pv u q pdv H U + p H m p v + v p U + p h u + pv h u + p v + v p m m h q p Fórmula de Mayer h u + pv h u + ( pv) Gas ideal pv r h u + r cp c + r H U + p H U + ( p ) ncp nc + nr u q w h q p h u + p v 19

20 RABAJO DE EXANSIÓN 1 No es función de estado δw d 1 d Sentido físico del área bajo la curva que describe un proceso en un diagrama de Clapeyron: rabajo del sistema durante el proceso (positivo si hay expansión, negativo si hay compresión) 0

21 RABAJO DE EXANSIÓN () El trabajo asociado con un proceso termodinámico depende del camino seguido. El trabajo NO ES función de estado. NO ES ROIEDAD ERMODINÁMICA W ( 1 ) W ) 1 ( 1 Casos particulares de interés en sistemas de gases: W f d i rocesos isotermos, adiabáticos y politrópicos 1

22 ISOERMAS Evolución de presión y volumen de 1 mol de gas ideal siguiendo procesos isotermos 0 18 nr (bar) emperatura creciente constante cte K 400 K 300 K (litros)

23 RERESENACIÓN ROCESOS DIAGRAMA DIAGRAMA DE CLAEYRON 0 Isoterma Isobara k constante olitrópica Isocora k índice de politropía 4 k < 1 Caso especial: k γ γ c c p v 0 1 Adiabática k > 1 El sistema no intercambia energía en forma de calor Cuando k 1 Cuando k 0 Cuando k k constante nr Isoterma k constante Isobara constante Isocora 3

24 EJEMLO Si se expande un gas hasta alcanzar un determinado volumen, en qué caso disminuirá más su temperatura? a) Si el gas se expande isotérmicamente b) Si el gas se expande adiabáticamente c) Si el gas se expande a presión constante Isobara emperaturas crecientes Isoterma Adiabática

25 5 CALOR EN ROCESOS ERMODINÁMICOS q c w q u 1. ROCESO A OLUMEN CONSANE 1 u q u c q u c q c 1 d c u q Si el calor específico es constante ( 1 ) 1 c d c u q

26 6 CALOR EN ROCESOS ERMODINÁMICOS () p v v p u h + + p p q c. ROCESO A RESIÓN CONSANE pdv q u 1 h q h c p q h c p p q c p p 1 p p d c h q Si el calor específico es constante ( 1 ) 1 c d c h q p p p

27 EJEMLO Se tiene 1 mol de un gas ideal de calor específico c p 7 cal/k mol a una presión de 1 bar y a una temperatura de 400 K. El gas se somete a un proceso que consta de tres etapas: 1º. Se enfría a volumen constante hasta 300 K º. Se somete a un proceso isotermo hasta duplicar su volumen 3º. Se calienta isocóricamente hasta recuperar la presión inicial (1 bar) A) Determinar la variación de energía interna del gas, el calor intercambiado y el trabajo realizado en estos tres procesos bar B) Determinar la variación de energía interna del gas, el calor intercambiado y el trabajo realizado si se hubiese realizado una transformación isobárica directa entre el estado inicial y el estado final K 300 K J R K mol cal K mol 7

28 EJEMLO Etapa 1. Aplicación del 1 er principio U1 U U1 Q1 W1 Q 1,W 1 representan calor y trabajo a lo largo de un camino determinado. No son funciones de estado! W 1 0 Isocora cal Q1 nc ( 1 ) 1mol 5 ( )K 500 cal K mol Cálculo c p : relación de Mayer cp c R c c R p 7 5 cal K mol bar ariación de energía interna del gas: U U 4 U K 300 K

29 RABAJO EN ROCESOS CÍCLICOS Ciclo de potencia W camino superior ( > 0 ) W camino inferior ( < 0 ) 1 W neto ( > 0 ) 9

30 RABAJO EN ROCESOS CÍCLICOS () Ciclo de refrigeración W camino inferior ( > 0 ) W camino superior ( < 0 ) 1 W neto ( < 0 ) 30

31 CICLO DE CARNO isotermas conectadas por adiabáticas (bar),1 CICLO DE OENCIA,0 1,9 Isoterma 500 K ( a ) Rendimiento 1,8 1,7 1,6 1,5 Adiabática Q a W Qa Qb η 1 Q Q a a Q Q b a 1,4 1,3 1, 1,1 1,0 0,9 Ejemplo: 1 mol gas ideal Q b Isoterma 450 K ( b ) Adiabática Ciclo reversible a b η 1 a b a (litros) 31

32 CICLO DE CARNO () isotermas conectadas por adiabáticas (bar),1,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 Adiabática CICLO DE REFRIGERACIÓN Isoterma 500 K ( a ) Q a ε Eficiencia Q W b Qb Q Q a b 1,4 1,3 1, 1,1 1,0 0,9 Ejemplo: 1 mol gas ideal Q b Isoterma 450 K ( b ) Adiabática (litros) Ciclo reversible ε b a b 3

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