Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniería Estudios Básicos Departamento de Física Cátedra de Termodinámica General. Unidad I.

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1 Universidad de Carabobo Facultad de Ingeniería Estudios Básicos Departamento de Física Cátedra de Termodinámica General rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M. Semestre 2º 2012 Unidad I. Conceptos básicos Termodinámica, definición y alcance La termodinámica es la ciencia que estudia la conversión de unas formas de energías en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo. Este curso de Termodinámica General se desarrollará a partir de las siguientes leyes: Ley cero: permite definir la temperatura como una propiedad. rimera ley: define el concepto de energía como magnitud conservativa. Segunda ley: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida de la dirección de los procesos. Conceptos básicos Sistema: es una porción del universo objeto de estudio. Un sistema es una región restringida, no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía. Se debe definir cuidadosamente. Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor, una mezcla de dos líquidos, una solución, un sólido cristalino, etc. Frontera Sistema Universo = Sistema + Entorno Entorno Fronteras: todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o límites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios. También se llaman superficie de control. La frontera separa el sistema del resto del universo; esta frontera puede ser material o no. A través de la frontera suceden los intercambios de trabajo, calor o materia entre el sistema y su entorno. 1 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

2 Entorno: el medio circundante o entorno es la parte del universo próxima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema. Universo: el universo es todo lo accesible a nuestro experimento. ara el termodinámico, el universo está formado por el sistema examinado y su entorno con el que es capaz de interaccionar en su evolución: Universo = Sistema + Entorno or convenio, el universo para el termodinámico es un sistema aislado. El Universo de la cosmología (con U mayúscula) no tiene por qué coincidir con el universo de la Termodinámica. Tipos de sistemas Los sistemas se clasifican según cómo sea la pared que los separa del entorno. En función de sus paredes o límites, un sistema puede ser: Abierto: en un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente constante. Se denomina volumen de control; la superficie limitante, que por lo menos en parte debe ser permeable o imaginaria, se llama superficie de control. Una pared también puede ser semipermeable, si permite el paso sólo de algunas sustancias. 2 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

3 Cerrado: es una región de masa constante; se denomina masa de control. A través de sus límites solo se permite la transferencia de energía, pero no de materia. La pared que rodea al sistema es impermeable. Aislado: un sistema aislado no puede transferir materia ni energía con su entorno. El universo en su totalidad se puede considerar como un sistema aislado. Ejemplos: identifica en cada figura el sistema, frontera(s), tipo de frontera(s) y tipo de sistema. ropiedad: es cualquier magnitud física evaluable de un sistema. La termodinámica gira en función de la energía y por ello las propiedades termodinámicas serán aquellas que se relacionan con la energía y definen su estado termodinámico. Algunas propiedades de uso común en la Termodinámica son: presión (), volumen (), temperatura (T), energía interna (U), entalpía (H), entropía (S). 3 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

4 ropiedades extensivas: son aquellas que dependen del tamaño o extensión del sistema, por ejemplo el volumen, y todas las clases de energía. Las propiedades extensivas son aditivas. ropiedades intensivas: son independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema. ara un sistema homogéneo tienen el mismo valor en un sector o en la totalidad del sistema. Las propiedades extensivas se convierten en intensivas tal como se indica a continuación: En el caso del volumen () que es una propiedad extensiva, puede convertirse en intensiva al referirla a la masa del sistema o al número de moles: v = m v = N Estado: está definido por el conjunto de propiedades (por ejemplo: temperatura, presión, volumen, etc.) que caracterizan este sistema en un determinado instante. Algunas propiedades que definen el estado del sistema son independientes; por tanto, es posible escoger arbitrariamente algunas magnitudes como variables de estado y considerar otras como funciones de esas variables de estado. Los siguientes términos son sinónimos: propiedad, variable de estado, función de estado., 1 1 T Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

5 Estado de equilibrio: un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado y por tanto sus propiedades. ara comprobar si un sistema está en equilibrio habría que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por sí solo. El estado de equilibrio termodinámico implica que en un sistema se satisfacen las condiciones de todos los equilibrios parciales (térmico, mecánico, químico, electromagnético). roceso o transformación: un sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado. 2 Trayectoria: conjunto de estados intermedios a través de los cuales evoluciona un sistema al pasar de un estado de equilibrio a otro. 1 roceso cíclico: este proceso el estado final coincide con el inicial. Edo. i = Edo. f roceso cuasiestático (o de cuasiequilibrio): todos los estados intermedios del proceso son estados de equilibrio o muy cercanos al equilibrio. Este proceso es ideal o teórico y puede aproximarse tanto más cuanto la causa o potencial dirigente del proceso varía en cantidades cada vez más pequeñas. Entonces cada nuevo estado producido, puede considerarse de equilibrio y viene definido por sus coordenadas y puede aplicársele las ecuaciones que las liguen. La representación en un diagrama vendrá dada por una curva continua. Ejemplo: se disminuye el volumen de un gas, al hacer que baje el pistón muy lentamente, esto se logra agregando arena sobre la cara superior del pistón. 2 roceso 1 Edo. 1: 1, 1, T 1 Edo. 2: 2, 2, T 2 roceso no estático: es un proceso donde el sistema evoluciona a través de un cambio de estado brusco, de manera tal que no pueden conocerse los estados intermedios ya que se encuentran alejados del equilibrio. Ejemplo: al retirar la fijación, el pistón deja de estar en equilibrio y el gas se expande bruscamente hasta que el pistón alcanza un nuevo estado de equilibrio. 5 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

6 1 roceso Gas 2 Edo. 1: 1, 1, T 1 Edo. 2: 2, 2, T 2 roceso reversible: es un proceso de cuasiequilibrio. En este tipo de proceso el sistema puede ser llevado de nuevo al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios que el proceso directo, y sin que al final, ni en el sistema ni en el medio rodeante, quede ningún efecto residual que pueda revelar que se ha verificado el proceso. ara que esto último suceda, no debe haber rozamientos ni deformaciones, lo que se llaman efectos disipativos. roceso irreversible: son los procesos reales. ueden ocurrir de dos maneras: Mediante un proceso no estático, pudiendo o no haber efectos disipativos. Siempre que existan efectos disipativos a lo largo del proceso (independientemente que éste pueda estar ocurriendo muy lentamente, es decir, cuasiestáticamente). Algunas propiedades de interés Densidad (ρ): relación existente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Unidad SI: kg/m 3. 1 También se tiene que: ρ = v m ρ = Siendo: v volumen específico Densidad relativa (DR): es la densidad de una sustancia medida respecto a una sustancia de referencia. También se le conoce como gravedad específica (GE). ara los líquidos se usa la densidad del agua a 4 C como referencia, cuyo valor es 1000 kg/m 3. ρ DR = ρ sustancia referencia eso específico (γ): peso por unidad de volumen de una sustancia. Unidad SI: N/m 3. Siendo: W= mg W γ = mg γ = γ = ρg resión: es la fuerza por unidad de área que ejerce un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección perpendicular a dicha superficie. La unidad de F presión en el SI: a (pascal), siendo 1 a = 1 N/m 2 =. Algunas equivalencias de A unidades de presión de uso común: 1 a = 1 N/m 2 = 1,4504x10-4 psi = 0, lbf/ft 2 1 atm = 101,325 ka = 1,01325 bar = 760 mm Hg = 1,03323 kgf/cm 2 = 14,696 psia = 29,92 in Hg 6 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

7 La libra-fuerza por pulgada cuadrada, más conocida como psi (del inglés pounds per square inch) es una unidad de presión en el sistema anglosajón de unidades. Algunas observaciones sobre la presión: La presión en un fluido aumenta con la profundidad como resultado del peso del fluido. Este aumento se debe a que el fluido a niveles más bajos soporta más peso que el fluido que está a niveles más altos. La presión varía en la dirección vertical como consecuencia de los efectos gravitacionales, pero no existe variación en la dirección horizontal. La presión en un tanque que contiene gas se considera uniforme, puesto que el peso del gas es demasiado pequeño para hacer una diferencia apreciable. ara fluidos en reposo (hidrostática), se cumple que la fuerza que ejerce dicho fluido sobre las paredes de un recipiente siempre actúa de forma perpendicular a las paredes. La fuerza que ejerce un fluido sobre un objeto sumergido en él, siempre es perpendicular a la superficie del objeto y tiende a contraerlo (disminuir su volumen). Todos los puntos que se encuentran a una misma profundidad en un líquido en reposo, están a la misma presión. En la figura, los puntos A, B, C y D se encuentran a la misma presión. En todas las secciones del recipiente el nivel del fluido es el mismo (rincipio de los vasos comunicantes). A B C D Deducción de la ecuación básica de hidrostática (tome nota de lo indicado por su profesor). Dispositivos para la medición de presión Manómetro: es un dispositivo que diseñado para medir diferencias de presiones, dependiendo de como sea conectado al sistema de interés. Manómetro de tubo en U Líquido ρ 7 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

8 Manómetro inclinado L Líquido ρ φ Manómetro de Bourdon: consta de un tubo de volumen pequeño que forma un arco circular y que se fija en un extremo, en tanto que permanece suelto en el otro, para permitir su desplazamiento. Observe la figura adjunta. El fluido de presión desconocida puede ingresar en este tubo, por lo que un aumento de su presión provoca la reducción de la curvatura del arco, el desplazamiento del extremo móvil del tubo y, por último, el movimiento de la aguja indicadora, a través de una serie de articulaciones y engranajes. Esta aguja gira sobre una escala calibrada que proporciona una indicación mecánica de la presión. Entre sus ventajas están la precisión y un amplio rango de empleo. Barómetro: es un instrumento que sirve para medir la presión atmosférica, esto es, el peso de la columna de aire por unidad de superficie ejercida por la atmósfera. Un barómetro de mercurio está formado por un tubo de vidrio, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. El tubo se llena de mercurio, se invierte y se coloca el extremo abierto en una cubeta llena del mismo líquido. El nivel del mercurio en el tubo baja hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel en la cubeta (altura barométrica) y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo (cámara barométrica). acío H Si a nivel del mar la atmósfera es capaz de mantener una columna de 0,76 m de mercurio, entonces, al aplicar la ecuación básica de la hidrostática, se obtiene: atm = ρ Hg gh = 13,6x10 3 kg 9,8 3 m m 2 s ( 0,76 m) atm = 1,013x10 5 a 8 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

9 Es importante distinguir entre: resión atmosférica: es la presión ejercida por el peso de la capa de aire de la atmósfera. resión absoluta: es la presión real en una posición dada y se mide respecto al vacío absoluto, es decir la presión del cero absoluto. Unidad en el sistema inglés psia. resión manométrica: la mayor parte de los dispositivos que miden presión se calibran para leer el cero en la atmósfera y por ello indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Esta diferencia se denomina presión manométrica. En el sistema inglés la unidad es psig. resión de vacío: se denominan así a las presiones por debajo de la presión atmosférica. Las presiones absoluta, manométrica y de vacío se relacionan entre sí de la siguiente manera: ara presiones sobre la presión atmosférica ( atm ): abs = manométrica + atm manométrica = abs - atm ara presiones por debajo de la presión atmosférica: La siguiente figura lo ilustra: vacío = atm - abs manométrica vac abs atm atm abs abs = 0 Ejercicios propuestos 1. Supongamos un gas contenido en un recipiente al cual se ha ajustado un pistón carente de fricción de área de sección transversal A. El pistón se encuentra en equilibrio bajo su propio peso, tal como se muestra en la figura. Exprese el valor de la presión del gas: a) Dado que sea M la masa del pistón b) Si la masa del pistón es despreciable c) Si el pistón se coloca horizontalmente gas =? 9 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.

10 2. Determine la presión absoluta de los tanques A y B y la lectura del manómetro M 3. Se conocen:, y atm. M1 M 2 A A B B M 2 M 3 M 1 3. En una instalación industrial se tiene una tubería de acero comercial por la cual fluye gas-oil. El manómetro de Bourdon registra una presión de vacío de 2,3 in Hg y el manómetro inclinado registra 100 cm H 2 O. El barómetro en el área registra 721,58 mm Hg. a) Determine la presión absoluta de los puntos A y B b) Determine la densidad relativa máxima del líquido manométrico, si el manómetro de tubo en U tiene una longitud útil de 4 ft c) ara la caída de presión calculada en la parte (a), determine la diferencia de altura manométrica, si el manómetro de tubo en U se sustituye por un manómetro que utiliza 20ºC H B Líquido manométrico A Agua 20ºC 20º Gas-oil 4. Una placa de masa despreciable cierra un hueco de 1 ft de diámetro en un depósito que contiene aire y agua, como se muestra en la figura. Un bloque de concreto (γ = 150 lbf/ft 3 ) de 1,5 ft 3 de volumen se suspende de la placa y está completamente sumergido en 20ºC. A medida que se incrementa la presión de aire, la lectura L del manómetro inclinado de mercurio también aumenta. Determine el valor de L justo antes que la placa empiece a descubrir el hueco. 30º L Mercurio DR = 13,6 laca Agua 20ºC Entrada de aire Bloque 10 Universidad de Carabobo rofesores: Alicia González y Alberto Martínez M.