PROPEDEUTICO DE TERMODINAMICA

Transcripción

1 PROPEDEUTICO DE TERMODINAMICA POSGRADO EN INGENIERIA (ENERGIA) IER-UNAM DR. JORGE HERNANDEZ TEMIXCO, MOR. ABRIL 2013

2 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y DEFINICIONES

3 1.0 CONSIDERACIONES PRELIMINARES La Termodinámica es la parte de la Física que explica como trabajan algunos dispositivos y sistemas donde hay transferencia de energía, el porque algunos otros no trabajan y la razón por la que sencillamente otros no pueden trabajar. Términos: Energía y la idea de que se conserva, constituye la Primera Ley de la Termodinámica. Entropía, es el fundamento de la Segunda Ley de la Termodinámica y proporciona los medios para determinar las posibilidades de un proceso. Los procesos que producen entropía son factibles, los que la destruyen son imposibles. Exergía está relacionada con la mayor cantidad de energía disponible, por lo cual su uso facilita la optimización de procesos.

4 Enfoque: Clásico -macroscópico- Molecular -microscópico- Metodología: Sistemática, que permita trabajar de modo cuidadoso y organizado.

5 PLANTA TERMOELECTRICA

6

7

8 CAMPOS DE APLICACIÓN DE LA TERMODINAMICA: 1. INDUSTRIA DE LA TRANSPORTACION Terrestre, marítima, aérea 2. INDUSTRIA DOMESTICA Y COMERCIAL 2.1 Acondicionamientos de espacios Refrigeración, calefacción, aires acondicionados 2.2 Servicios Estufas, secadoras de ropa Calentadores de agua por gas

9 3. INDUSTRIA DE LA TRANSFORMACIÓN DE ENERGIA 3.1 Energías convencionales Termoeléctricas, nucleoeléctricas 3.2 Energías no convencionales -renovables- Aplicaciones de la energía solar, geotérmica, eólica, biomasa, etc.

10 1.1 CONCEPTOS, MODELOS Y LEYES Conceptos Son la base de cualquier ciencia Son ideas por lo general algo vagas, sobre todo al principio, que a menudo carecen de definiciones adecuadas Modelos Son simplificaciones de la realidad, que redujeron las matemáticas a un nivel manejable Las idealizaciones consideradas al crear el modelo marcará su validez y utilidad Es responsabilidad de quien utiliza el modelo conocer tanto sus bases como sus limitaciones

11 Leyes Son la expresión de los conceptos y modelos en términos matemáticos Son un artificio humano para explicar y predecir los fenómenos de la naturaleza Las predicciones serán tan precisas y bastas como los modelos en que se basan las leyes Son dinámicas, a medida que se recaba nueva información y se desarrolla un nuevo entendimiento, el hombre encuentra conveniente (o quizá necesario) modificar las leyes básicas En la Termodinámica Enfoque macroscópico Los conceptos están ligados a experiencias cotidianas que su asimilación se puede dificultar al principio Las matemáticas no son complicadas

12 1.2 CONCEPTOS MECANICOS La Mecánica es la ciencia que estudia el movimiento de los objetos y sus principales conceptos son: Fuerza Momento o par Masa Velocidad Aceleración Trabajo Energía cinética Energía potencial

13 La Fuerza. Es un concepto y, por tanto, carece de definición Los términos como "empujón" o "jalón" ayudan a explicarla Estos términos sugieren que la fuerza se aplica en un punto, tiene dirección y debe estar relacionada con la interacción de dos cosas Estos términos tienen como efecto producir una aceleración, torsión, deformación, o algún otro cambio

14 Las fuerzas son cantidades vectoriales con magnitud, dirección y punto de aplicación, -se representan con flechas- La noción de fuerza se apoya en otros dos aspectos conceptuales. El primero es la Tercera Ley de Newton: si un objeto ejerce una fuerza F sobre otro, el segundo ejercerá una fuerza igual pero de sentido contrario sobre el primero. El segundo aspecto menciona la existencia de un desequilibrio de fuerzas para acelerar el objeto sobre el cual actúan las fuerza, que es la Segunda Ley de Newton y un caso especial de este segundo aspecto conceptual se presenta cuando las fuerzas están en equilibrio, que corresponde a la Primera Ley de Newton

15 Momento o par. Este es otro aspecto relacionado con el concepto de fuerza Se define como el producto de la fuerza por la distancia al punto de aplicación del vector fuerza Masa. La masa es una propiedad característica de los objetos, que se opone al cambio de velocidad Es un conjunto de átomos Es un conglomerado de materia

16 1.3 DIMENSIONES Y SISTEMAS DE UNIDADES Dimensión Es cualquier cantidad mensurable relacionada con un concepto o definición, por ejemplo, longitud, tiempo, masa, fuerza, etc. Se les designa como: L, T, M, F, etc. Las cantidades primarias Son aquellas dimensiones y unidades que se escogen arbitrariamente para formar un Sistema de Unidades Las cantidades secundarias son aquellas dimensiones que se expresan en términos de las dimensiones primarias El Sistema Internacional, SI Cantidades Primarias: Longitud, tiempo y masa -L, T y M- Todas las demás son secundarias

17

18 2. ENERGIA Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

19 2.1 LOS SISTEMAS Sistema Se usará para identificar al sujeto de discusión Puede ser simple, como un pedazo de materia Puede ser complejo, como una planta nuclear generadora de potencia Es algo que define el analista y siempre debe ser muy cuidado para describir con toda precisión aquello de lo que se está hablando El sistema a considerar se indica con una línea punteada en un dibujo, siendo necesario en ocasiones agregar algunas palabras de definición

20 La masa de control designa a un sistema que consta de una materia específica El volumen de control indica a un sistema especificado en el espacio e incluye algún tipo de procesos de flujo La interacción de un sistema y su medio se considera de primordial interés para la Termodinámica. Alrededores es todo aquello que rodea al sistema Un sistema aislado, no tiene interacción alguna con sus alrededores Se rodea al sistema con paredes que son impermeable a la materia, rígidas, no conductoras de la carga eléctrica, etc. Todas las cantidades de conservación están "atrapadas", la masa, la carga y la energía permanecen constantes

21

22 2.2a TIPOS MICROSCOPICOS DE ENERGIA

23 2.2a TIPOS MICROSCOPICOS DE ENERGIA

24 2.2b REPRESENTACIONES MACROSCOPICAS DE LA ENERGIA Al tratar con sistemas que contienen muchas moléculas, conviene pensar que la materia es de tipo continuo, lo que simplifica la descripción matemática. La energía interna del sistema, U, es el valor de energía total -de todo tipo- que contienen las moléculas La energía cinética de una materia con masa M que se desplaza a velocidad V es igual a MV 2 /2 La energía potencial con un peso del objeto w y a una altura h sobre un plano arbitrario es igual a wh En los dos casos anteriores intervienen las propiedades macroscópicamente observables del sistema continuo -velocidad, masa, peso y altura-

25 La energía de dos sistemas integrados es igual a la suma de sus energías individuales La energía de un todo es igual a la suma de la energía de sus partes Esta idea es útil para calcular la energía de un sistema complejo