UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÌA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS GUIA - TALLER N

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1 2 UNIVERSIDAD LIBRE FAULAD DE INGENIERÌA DEPARAMENO DE IENIAS BÁSIAS GUIA - ALLER N NOMBRE DE LA ASIGNAURA: ÍULO: DURAIÓN: BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA: AUOR: FÍSIA ÉRMIA ERMODINÁMIA 4 semanas ABILIDADES A DESARROLLAR - oordinar, integrar y alicar a fenómenos reales los concetos básicos estudiados en esta sección. - Abordar y alicar los concetos estudiados a roblemas termodinámicos esecíficos. - Sugerir y rooner o diseñar roblemas concetuales que involucren los conocimientos adquiridos. - Analizar y abordar situaciones roblémicas con cierto grado de comlejidad y que involucre las temáticas tratadas, con el erfil rofesional de cada estudiante ONEPUALIZAI ÓN :.- DEFINIIONES GENERALES:..- ermodinámica: iencia que estudia la enrgía, sus transformaciones y alicaciones..2.- Sistema termodinámico: Parte del universo físico que se desea estudiar. Se encuentra searado or el comlemento de dicho universo (alrededores del sistema ) or unos límites..2.. ios de sistemas: los sistemas termodinámicos se encuentran clasificados en tres tios Sistemas abiertos: Aquellos donde se intercambia (transferencia) materia y energía con los alrededores Sistemas cerrados. Realizan solamente transferencia de energía con los alrededores Sistemas. No transfieren ni materia ni energía con los alrededores Límites de los sistemas. Los sistemas tienen tres formas usuales (o sus combinaciones) con que se searan de los alrededores Límites rígidos. Normalmente son artes extremas que resentan los sistemas y que no resentan modificaciones físicas ante cambios realizados en los sistemas.

2 Límites flexibles. Son aquellos que ueden cambiar de forma (que involucran cambios de volumen o área) ante cambios realizados en o sobre el sistema Límites imaginarios. Son aquellos que n involucran fronteras físicas debido a restricciones imuestas bien sea or extensión o requerimientos técnicos (or ejemlo, análisis de artes del comortamiento de un equio)..3.- Estado termodinámico: condiciones (en cuanto a roiedades ) en las que se encuentra un sistema termodinámico en un momento determinado. Las roiedades hacen referencia a características que describen el comortamiento estructura o conformación del sistema (materia o sustancia) y se ueden resentar de dos formas..3.. Proiedadesextensivas. Deenden de la cantidad de materia Proiedadesintensivas. Indeendientes de la cantidad de materia..4.- Fase: aracterística que me indica condiciones de searabilidad o agregación en que se encuentran las artículas (moléculas) que conforman las sustancias. En una misma fase se encuentra una infinidad de estados. uando hay un cambio de fase hay un cambio abruto (significativo) de roiedades como el volumen y la densidad. Se uede afirmar que cuando hay un cambio de fase hay un cambio de estado ero cuando hay un cambio de estado no necesariamente hay un cambio de fase..5.- Procesotermodinámico: uando un sistema es erturbado de una condición de equilibrio (estado constante en el tiemo o estacionario), en el sistema se oera un cambio de estado es decir que el sistema sufre cambios en una o varias de sus roiedades. Un roceso termodinámico imlica un cambio de estado. ay diferentes tios de rocesos termodinámicos, dentro de los más comunes se tienen:.5.. Procesosisobáricos. El cambio se realiza a resión constante Procesosisométricoso isocóricos. A volumen constante Procesosisotérmicos. A temeratura constante Procesosadiabáticos. Sin transferencia de calor..6.- Función de estado. Son aquellas que tienen en cuenta únicamente las condiciones iniciales y finales de un roceso de transformación..7.- Funcionesde trayectoria. Estas involucran el recorrido o rocesos intermedios que se resentan en un roceso global. 2.- PRIMERA LEY DE LA ERMODINÁMIA Enunciado: La rimera ley de la termodinámica hace referencia a la conservación de la energía: La energía no se crea ni se destruye, se transforma y su exresión matemática general es: dec + de + du ± δ ± δ Ec + E + U ± ± Donde los tres términos del rimer miembro son funciones de estado y los dos términos del segundo miembro son funciones de trayectoria. Esta ecuación se alica a los diferentes tios de sistemas ero en el curso solamente veremos una alicación en sistemas cerrados Primera ley alicada a gasesideales en sistemascerrados: La ecuación de la rimera ley alicada a sistemas cerrados es;

3 du ± δ ± δ U ± ± Al alicar la rimera ley a los gases ideales en sistemas cerrados ara los rocesos anteriormente indicados determinan características esecíficas ara cada uno de ellos, así: Procesosisocóricos. 0 ΔU d v Procesosisobáricos. PΔV Δ d rocesosisotérmicos. ΔUΔ0 Rln(V 2 /V ) Procesosadiabáticos. 0 R ( PV ) U v, γ γ γ v 2 P2 P γ γ V V 2 γ 3.- SEGUNDA LEY DE LA ERMODINAMIA. La rimera ley de la termodinámica lantea el rinciio de conservación de la energía, ero no indica el sentido en que se ueden dar (en forma natural o esontánea) los rocesos, la segunda ley nos resenta esa osibilidad y nos define una roiedad (entroía) que nos facilita la determinación del sentido lógico de los rocesos. Se resenta mediante dos ostulados que imlican negación Postulados: 3... De Kelvin-Planck. Es imosible construir una máquina que oere en un ciclo termodinámico donde la única función sea roducir trabajo y donde únicamente se transfiera calor desde los alrededores (fuente), es decir cuyo rendimiento térmico (también llamadodo eficiencia o OP) sea del 00%. El rendimiento, en general, ara una máquina que oera en un ciclo termodinámico se define como la relación entre energía útil y energía que cuesta; esecíficamente ara una maquina térmica (como fracción y desués de alicar la rimera ley de la termodinámica) es

4 η térmico energía útil énergía que cuesta De lausius. Es imosible construir una máquina que oere en un ciclo termodinámico cuya única función sea la de transmitir calor de un cuero frío a un cuero caliente esto imlicaría un rendimiento (también llamado coeficiente de realización o OP) tendiendo a infinito. El rendimiento ara un refrigerador o bomba de calor es: β energía útil énergía que cuesta Entroía. Esta roiedad termodinámica (extensiva como tal y función de estado) es consecuencia de la segunda ley de la termodinámica y se define ara un roceso reversible como: ds δ R, S δ R Se considera que es la medida del desorden de un sistema. odos los rocesos se dirigen en un sentido tal que el cambio total de la entroía sea ositivo (involucrando el sistema y sus alrededores), aroximándose a cero como un límite en la medida en que un roceso tiende a condiciones de reversibilidad, es decir: Stotal 0 EJEMPLOS omo esta resentación es una guía de trabajo, El docente mostrará los corresondientes ejemlos en las sesiones de clase resectivas (además como se asume leno dominio de los temas es su resonsabilidad asistir a sus estudiantes en la solución de roblemas asignados ara reforzar la fundamentación teórica y que no se resentan en este trabajo) EJERIIOS.. De diez ejemlos de sistemas termodinámicos indicando el tio de sistema y los o el límite que lo identifiquen..2. Diseñe doce roblemas (tomados de la vida cotidiana, medio ambiente o de rocesos industriales que ud. onozca) donde se identifique el sistema, tio de sistema, limites de sistema y roceso termodinámico..3. Realice los diagramas de fases P vs, P vs V y vs V del agua e indique tres isotermas, isóbaras e isocoras diferentes en cada uno. Indique y defina las fases, unto trile y unto crítico. 2.. Defina y establezca las diferencias o relaciones que hay entre: Energía, energía cinética, energía otencial, energía interna, temeratura, fuerza, calor y trabajo. ué roiedad me define la rimera ley? ué es? 2.2. Indique las características que definen un gas ideal uándo un gas real se comorta como gas ideal?

5 2.4. Indague sobre tres ecuaciones de gases reales y una de sólidos y líquidos indicando sus variables, constantes y/o forma de obtención Determine la relación que hay entre las caacidades caloríficas en un gas ideal Muestre el desarrollo matemático elaborado ara obtener las ecuaciones de los diferentes rocesos mostrados, en gases ideales ué es entalía? ué relación tiene con los calores latentes? Exlique 2.8. ué es equilibrio termodinámico? ué equilibrios imlica? Exlique ué diferencias o relaciones hay entre untos de burbuja y rocío con ebullición y condensación? 3.. ué son las máquinas térmicas y los refrigeradores? Mediante diagramas esquemáticos reresente los ciclos, rocesos y sentido de dichos rocesos que reresentan dichas máquinas. Realice el balance de energía ara cada ciclo y comruebe las ecuaciones de rendimiento exresadasanteriormente ué es el ciclo de arnot? ue diferencia hay entre este y los ciclos resentados anteriormente de máquinas térmicas y refrigeradores? Indique los rocesos involucrados en este ciclo y rereséntelos en diagramas P-V y -S Indague sobre los siguientes ciclos ideales: Rankine, Otto, Diesel, Stirling, Ericsson y Brayton; Indicando alicaciones, rocesos involucrados en cada uno, diagramas P-V y -S que los identifican y rendimientos corresondientes ué son rocesos reversibles e irreversibles? ué causa irreversibilidad en un roceso? REDIOS BIBLIOGRAFIOS Y/O INFOGRAFIOS El estudiante uede consultar los diferentes textos de física y termodinámica básicos de nivel universitario que se encuentran en el mercado. A continuación sugerimos algunos de uso común. Sears Francis, et al., Física Universitaria, Vol., Ed. Addison esley Longman. Serway R. Jewett J., Física, vol., Ed. homson. Alonso M., Finn E., Física, Ed. Pearson Education. Van ylen G., Sonntag R., Fundamentos de ermodinámica, Ed. Limusa Smith j., Van Ness., Introducción a la termodinámica en Ingeniería uímica, ed. McGraw-ill Sandler Stanley, hemical And Engineering hermodynamics, Ed. Jhon iley & Sons.