TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO. Rodrigo Balderrama

Transcripción

1 TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO Rodrigo Balderrama

2 PLANIFICACIÓN Objetivos Generales: Al aprobar la asignatura, el alumno será capaz de: Comprender y aplicar los principios y conceptos básicos de la Termodinámica Realizar balances simples de masa y energía en máquinas térmicas. Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento térmico de la materia, en la resolución de los problemas de Ingeniería

3 OBSERVACIONES GENERALES Actualizado en Moodle: Revisar Archivo Información Importante

4 1.1.- Conceptos básicos de la termodinámica Termodinámica y energía Sistemas cerrados y abiertos Formas de energía Propiedades de un sistema Estado y equilibrio Procesos y ciclos El postulado de estado Presión Temperatura y ley cero de la termodinámica

5 1.1.- Termodinámica Y Energía De donde proviene? Griego: Thermè Calor Dynamis Fuerza o potencia Describe los esfuerzos por convertir el Calor en potencia

6 Qué es? Es la ciencia del calor o de la energía (capacidad de producir cambios). Involucra conceptos de: Calor Trabajo Temperatura El Calor comienza a ser objeto de estudio (S XVIII-XIX) a raíz del invento de la MAQUINA DE VAPOR Nacimiento de la Termodinámica posibilidad de obtener Trabajo a partir del Calor

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10 Primer ppo de la Termodinámica Equivalencia entre Calor y trabajo Segundo ppo de la Termodinámica Concepto de Entropía Para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a T más alta siempre es necesario realizar trabajo

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12 Principio de la Conservación de la energía Ley Fundamental de la Naturaleza: Durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante La 1 LT: Expresión sencilla del ppo conservación de la energía Energía es una Propiedad Termodinámica La 2 LT: Establece que la energía tiene tanto Cantidad como Calidad. Procesos reales Degradación de energía

13 Introducción a la Primera Ley de la Termodinámica Energía cinética Calor y Sonido Energía Potencial Ladrillo que cae. 15% 3% 82% 82% 8% 10% 3% 97% 0%

14 Termodinámica clásica y Estadística Clásica Estadística Análisis macroscópico en base a efectos globales Ejemplo: En un recipiente basta conocer: Masa Volumen Presión m V p..microscópico..de cada átomo Enfoque más elaborado en base al comportamiento promedio de grandes grupos de partículas individuales para determinar el ESTADO INTERIOR. No requiere un conocimiento del comportamiento indiv. de las paticulas

15 Sistema Adiabático Q = 0 Aislación perfecta

16 1.2.- Sistemas Cerrados Y Abiertos Frontera: Superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores. Sin e, m o V Clasificación: Sist. Abierto Sist. Cerrado Esta puede ser: Fija o móvil m fija ó V fijo en el espacio

17 Sistemas Termodinámicos Sistemas Cerrado Materia fija (constante) No hay intercambio de masa a través del límite. Sí hay intercambio de energía Límite puede variar Ejemplo Ampolleta Mechero El agua en planta de fuerza

18 Sistemas Termodinámicos Volumen de control o Sistema abierto Flujo A Intercambio de masas y energías a través del límite. Ejemplo Flujo B límite Turbinas (vapor o gas) Motor de combustión. Bomba

19 Tipos de límites de los sistemas Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor. Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor. Rígidos, si no permiten el cambio de volumen.

20 Motores y bombas térmicas Se definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios.

21 APLICACIONES Planta de vapor o de fuerza Energía eléctrica Turbina G Generador Caldera Bomba Condensador

22 APLICACIONES Refrigeración QH Condensador W Válvula de Expansión Compresor Evaporador QL

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26 LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS APLICABLES A SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SON DIFERENTES!!!!!!! RECONOCER TIPO ANALIZAR

27 1.3.- Formas De Energía La energía puede existir de distintas formas y su suma constituye la energía total de un sistema (Euación 1) La Termodinámica trata con variaciones de energía En Termodinámica es útil condiderar la energía en 2 grupos que forman la E total : MACROSCOPICA: Son las que posee un sist. como un todo (dep. de ref. (veloc, altura) MICROSCOPICA: Relacionados con estructura molecular del sistema, independiente de marcos de Ref. externos Σ E_Micro = E_interna (U)

28 Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación permanecen ctes durante un proceso se conocen como Sistemas permanentes (SP) La mayoría de los sistemas cerrados son permanentes no presentan variación de E_cinetica ó E_potencial El cambio en la E total de un SP es identico al cambio en la E_interna

29 Energía interna Asociada : (1) Grado de Actividad Molecular: Suma de la Ec Ec_rot + Ec_trasl +Ec_vibración = Ec_molecula Porción de Einterna asociada a la Ecinetica de las moleculas se llama ENERGÍA SENSIBLE (2) Fuerzas Moleculares: Fzas que unen a las moléculas entre sí. Mayores en sólidos liquido gas (cambios de Fase cuando las moléculas se van separando)

30 La Einterna asociada a la fase de un sistema se llama ENERGÍA LATENTE La Einterna asociada a la fuerza que unen los átomos-moleculas se llama ENERGÍA QUÍMICA (o de enlace) (Generalmente los procesos termododinámicos ocurren sin modificar la composición química de un sistema) La Einterna asociada a los enlaces dentro del núcleo se llama ENERGÍA NUCLEAR

31 ENERGÍA MACRO= EC+EP ENERGÍA MICRO= E SENSIBLE +E LATENTE +E EQUÍMICA +E NUCLEAR

32 Propiedades (o magnitudes de estado) y Estado de una sustancia Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de éste

33 Propiedades De Un Sistema Propiedades Extensivas: propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema Propiedades Intensivas: Independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema Las propiedades intensivas se representan con letras minúsculas, (excepción de la temperatura y presión) Las propiedades extensivas se convierten en intensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad). EXTENSIVAS INTENSIVAS V, U, H, T, P, ρ ESPECÍFICAS(m) MOLARES v, u, h, s v, u, h (Mol)

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35 Densidad de algunas sustancias SUSTANCIA DENSIDAD (kg/m 3 ) Aire 1,28 Petróleo 800 Benceno 880 Agua Aluminio Hierro Cobre Plomo Mercurio Oro Osmio

36 Estado y Equilibrio Estado es un punto donde el sistema no tiene ningún cambio De esta forma se pueden calcular sus propiedades. Obs: Un conjunto de propiedades describen el estado En un estado todas las propiedades tienen valores fijos. Si el valor de una propiedad cambia existe otro estado

37 Estado de Equilibrio: un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades. Equilibrio Termodinámico: Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. (Ej: eq. Térmico, mecánico, químico, etc)

38 Procesos y Ciclos Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Cómo definir un PROCESO, si la TERMODINÁMICA sólo conoce estados en EQUILIBRIO (no hay cambios)? Se recurre a una simplificación en que se define los procesos en CUASIEQUILIBRIO con desviaciones infinitesimales sucesivas del equilibrio termodinámico.

39 El cuasiequlibrio es un caso idealizado y NO la representación de un caso real Buena aproximación (error min) Más fáciles de analizar Constituyen modelos para comparar procesos reales

40 Procesos Cíclico: Un sistema se somete a un CICLO si al terminar el proceso regresa a su estado inicial (e ini =e fin ) Procesos Cuasiestáticos: Sucesivos estados de equilibrio Proceso Reversible: S/efectos disipativos (S/roce, S/TdeC, S/degrad. Energía) Proceso Irreversible: Proceso Real

41 Trayectoria : es la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso Descripción Completa de un proceso especificar: Estado inicial Estado Final Trayectoria Interacción con su alrededor

42 Diagramas de procesos más comunes: P-V, T-V

43 Prefijo ISO: denota cuando una propiedad permanece fija o cte durante un proceso Politrópicas politrópicas constituyen una gran familia de evoluciones que permiten estudiar gran cantidad de fenómenos reales isóbaras (presión constante). Del tipo P= Cte. isócoras (volumen constante). Del tipo V = Cte. isotermas (temperatura constante). Del tipo P V = Cte. adiabáticas sin roce (DQ = 0, que después llamaremos isentrópicas) Del tipo p V g = Cte.

44 Las politrópicas tienen la forma genérica del tipo: PV n = Cte. En que n es el coeficiente politrópico. El valor de n puede variar de 0 a infinito.

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46 El postulado de estado El estado de un sistema se describe por sus propiedades pero no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado Al especificar un n suficiente de prop. Resto de propiedades asume automáticamente ciertos valores Postulado de estado: El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos prop. INTENSIVAS independientes

47 Ejemplo: Existen propiedades que son independientes para sistemas de una sola fase, pero son dependientes en sistemas multifase: T=f(P) en cambio de fase del agua

48 Presión La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área Presión GASES y LIQUIDOS (P. Hidrostática) Sólidos (Esfuerzo) Recordar... Presión en un fluido aumenta con la profundidad (mayor peso) Si existe gravedad la presión varía en sentido vertical Unidades: 1Pa=1N/m 2 1bar=10 5 Pa= 0.1MPa=100kPa (SI) 1atm=101325Pa= kPa= bar (Sist. Inglés) lb/pulg 2 =psi 1atm= psi

49 En relaciones y tablas termodinámicas la mayoría de las veces se emplea la presión absoluta En gral P=Pabs Si se le agrega a absoluta Psia g manométrica Psig Definir la densidad relativa...

50 MANOMETRO Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local.

51 Presión absoluta: Presión real de un sistema Presión manométrica: Presión medida abierta a la atmósfera Presión de vacío: Presiones bajo la Presión atmosférica P abs =P manométrica + P atm P vacío =P atm - P abs

52 Ejemplo: 1) Se usa un manómetro para medir la presión en un tanque el fluido utilizado tiene una densidad relativa de 0.85 y la altura de la columna del manómetro es de 55cm. Si la presión atmosférica local es de 96kPa, determine la presión absoluta dentro del tanque

53 Ejemplo: 2) Un gas es contenido en 2 cilindros A y B conectados por un pistón de 2 diámetros diferentes como muestra la figura. La masa del pistón es de 10kg y la presión del gas dentro del cilindro A es 200kPa. Calcular la presión en el cilindro B. Pistón D A =100mm Aire P o =100kPa D B =25mm

54 Ejemplo: 2) Un gas es contenido en 2 cilindros A y B conectados por un pistón de 2 diámetros diferentes como muestra la figura. La masa del pistón es de 10kg y la presión del gas dentro del cilindro A es 200kPa. Calcular la presión en el cilindro B. Pistón D A =100mm Aire P o =100kPa D B =25mm

55 Presión Barómetro de mercurio Un barómetro de mercurio es un sistema preciso y relativamente sencillo para medir los cambios de la presión atmosférica. Al nivel del mar, y en condiciones atmosféricas normales, el peso de la atmósfera hace subir al mercurio 760 mm por un tubo de vidrio calibrado. A mayor altitud, el mercurio sube menos porque la columna de aire situada sobre el barómetro es menor.

56 Variación de la altura con la Presión A nivel del mar, la presión tiene un valor promedio de aproximadamente mb, por lo que se consideran presiones altas y bajas las respectivamente superiores e inferiores a este valor Presión

57 Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico y determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad es el Kelvin (K) Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la Temperatura es una propiedad de un cuerpo y el Calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas.

58 CALOR ESPECIFICO ( c ) : El calor específico de una sustancia, es el calor necesario ( medido en calorías ) para subir en 1 [ ºC ] la temperatura de 1 [ g ] de esa sustancia. Se mide en [ cal / g ºC ]. La cantidad de calor que una sustancia absorbe o cede, está dada por: Q = m c t Donde: Q [ cal ] es el calor absorbido o cedido por la sustancia m [ g ] es la masa de la sustancia c [ cal / g ºC ] es el calor específico de la sustancia t [ ºC ] es la variación de temperatura de la sustancia

59 Definición de Calor: El concepto de calor está muy ligado al concepto de temperatura, sin embargo no es lo mismo. El calor también es una cantidad que tiene que ver con la masa del sistema como también con sus propiedades físicas. Dos sustancias diferentes no contienen la misma energía calorífica aunque sus T sean iguales Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica

60 Ley cero de la Termodinámica Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma Temperatura, incluso si no se encuentran en contacto t [ ºC ] = t [ K ] t [ ºF ] = t [ R] 1K 1 C 1.8R 1.8 F

61 Las escalas de temperatura se basan en los puntos de congelamiento y ebullición del agua. SI: Escala Celcius ( C) Sistema Inglés: Escala Fahrenheit ( F) Existe también la escala de T termodinámica. Esta escala en : (indep. De prop de 1 o varias sustancias) SI: Escala Kelvin (K) Sistema Inglés: Escala Rankine (R) Relación Kelvin- Celsius: Relación Rankine- Fahrenheit:

62 Comparación de escalas de temperatura ºK. ºC ºR ºF Punto de ebullición 373,15 100,00 671,67 212,00 del agua. Punto triple 273,16 0,01 491,69 32,02 del agua, 273,15 0,00 491,67 32,00 punto de congelación Cero absoluto 0,00-273,15 0,00-459,67 ºK ºC ºR ºF Punto de ebullición a presión atmosférica Wark Punto de congelamiento Cero absoluto