1_CONCEPTOS_BASICOS_TERMOTECNIA_10_11

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1 1_CONCEPTOS_BASICOS_TERMOTECNIA_10_11 SISTEMA DE UNIDADES SISTEMAS ABIERTOS, CERRADOS,... FORMAS DE ENERGÍA PROPIEDADES DE UN SISTEMA EQUILIBRIO DIAGRAMAS ECUACIONES DE ESTADO PROCESOS PRESIÓN TEMPERATURA

2 Consideraciones previas: UNIDADES ECUACIONES DEBEN SER HOMOGÉNEAS: 10 m + 5 kg m + 1 pie m m Energía de un resorte: mv kx 2 PRECISIÓN: 10 m m 0.32 m m 10.0 m m 10. m + 3.m 0.32 m m 0.3 m m

3 SISTEMA DE UNIDADES SISTEMA INTERNACIONAL (SI): Unidades fundamentales: Metro (m) Kilogramo (Kg) Segundo (s) Grado Kelvin (K) Amperio (A) Candela (cd) Mole (mol) Nº de Avogadro =6.022x10 23 mol -1 Unidades derivadas: Volumen (m 3 ) Densidad (Kg/ m 3 ) Aceleración (m/s 2 ) Fuerza (Newton=N=Kg m/s 2 ) Presión (Pascal=Pa=N/m 2 ) Energía (Julio=N m=kg m 2 /s 2 ) Caloría (=4.184 julios)...

4 SISTEMA BRITÁNICO: masa: libra-masa (lbm) 1 lbm = Kg Longitud: pie feet (ft) 1 pie = 1 ft = m segundo derivadas fuerza: kilogramo-masa = 1 Kg kilogramo-fuerza (Kpondio) = fuerza gravitatoria en la tierra sobre un Kg = el peso de un Kg = 1Kg m/s 2 = N libra-masa (lbm) libra-fuerza (lbf) = 1slug 1 pie/s 2 1 lbf = Kpondio = 4.448(22) N slug = lbm = Kg 17ºC Energía térmica: Btu (british thermal unit) = kj 1 lbm de H2O a 1 atm de 60ºF a 61ºF Cal (caloría) = J 61ºF 60ºF 16ºC 15ºC 14ºC Btu = cal 1 gr de H2O a 1 atm de 14.5ºC a 15.5ºC

5 SISTEMAS ABIERTOS Y CERRADOS Sistema termodinámico: Cierta cantidad de materia Entorno, ambiente, alrededores,...del sistema o resto del universo Frontera, paredes, límites... del sistema termodinámico: V 0 La frontera puede ser fija o móvil Sistema de paredes fijas o móviles m 0 Q 0 La frontera puede ser aislante térmica o no Sistema aislado térmicamente (adiabático) o no La frontera abierta o cerrada Sistema abierto o cerrado E 0 Sistema de paredes fijas, adiabático y cerrado: AISLADO

6 Caso más abierto : Sistema abierto, no adiabático de paredes móviles Caso opuesto: Sistema aislado m = 0 V = 0 Q = 0 E = 0

7 MÁS EJEMPLOS Sistema abierto, adiabático de paredes fijas Sistema adiabático cerrado m 0 m 0 V = 0 Q = 0 m = 0 E 0 V 0 E 0 Q = 0 Sistema abierto, no adiabático de paredes móviles V 0 E 1 0 Sistema abierto estacionario Paredes fijas. Adiabático si Q=0 m 0 E 2 0 Q 0 E 3 0 m = 0 V = 0 Q E = 0 E = E 1 + E2 + E3

8 Caso bastante general: Sistema abierto, no adiabático de paredes móviles V 0 m 0 E Q 0 V 0 W = pdv 0 Q " dq" 0 S = T 0 E m 0 G = µ = µ dm 0 potencial _ químico _ por _ unidad _ de _ masa m, V, E, S,... T, p, v,... W, Q

9 VOLUMEN DE CONTROL VC Sistema termodinámico Volumen de control y Superficie de control

10 Ejemplos del libro de Moran & Shapiro

11 FORMAS DE ENERGÍA E=Energía kilojulios (kj) e=e/m kilojulios/kg (kj/kg) Lo importante son los cambios de energía Energía Total = Energía interna + Energía Cinética + Energía Potencial 1 sistema 2 E = U + mv + mgz 2 masa m Precisiones: z? z z? origen de z otros potenciales z=0?

12 Energía interna U = U c, traslación + U c, rotación + U c, vibración +... E... + U química +... r...+u nuclear

13 DISTINCIONES VITALES PARA NO COMETER DISPARATES ENERGÍA DE UN SISTEMA CAMBIOS DE ENERGÍA DE UN SISTEMA PROCESOS QUE PRODUCEN CAMBIOS DE ENERGÍA EN UN SISTEMA TRABAJO Y CALOR CAMBIO DE MASA

14 Propiedades de un sistema: Conjunto de magnitudes físicas que caracterizan de forma completa el estado ( intensivo ) termodinámico del sistema Sistemas simples: están compuestas por una sola componente (un solo tipo de átomos o moléculas) p, T, V c+2 f=1+2-1=2 p, T p, v T, v T, n... p, T, 4V c+2 f=1+2-2=1 p o T o..., Número de variables independientes (= magnitudes físicas que determinan el estado intensivo del sistema) es c f c = nº de componentes f = nº de fases (estados) c+2 f=2+2-1=3 p, T, [c]...

15 Equilibrio Termodinámico: situación donde las variables del sistema permanecen constantes en el tiempo p(z), T Flujo por difusión p, T, V z p(z), T Flujo gravitatório Equilibrio térmico Equilibrio mecánico T p Equilibrio químico μ

16 El equilibrio es un concepto relativo Escala: minutos Escala: horas Escala: días Escala:...

17 Diagramas: gráficas donde se representan los estados de equilibrio termodinámico de un sistema Diagramas de sistemas simples: 2 variables (intensivas) independientes T Cada punto del diagramas representa un estado de equilibrio termodinámico p Procesos termodinámicos: Proceso a través de estados de equilibrio: una linea continua entre dos puntos del diagrama. Procesos cuasiestáticos. T Un proceso termodinámico que no es suficientemente lento no se puede representar en los diagramas. p Cualquier punto del diagrama representa un estado de equilibrio... salvo...

18 Diagramas. Caso más sencillo: gas ideal pv=nrt pv=rt R=8.314 kj/kmol K p Isotermas p=rt/v Isocoras p=(r/v)t 2 variables independientes Ahora cualquier punto del diagrama NO representa un estado de equilibrio. T T Isobaras T=(R/p)v SUPERFICIE DE EQUILIBRIO v Cada punto de los diagramas representa un estado de equilibrio. ECUACIÓN DE ESTADO

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20 Presión: Fuerza por unidad de superficie Pascal=Pa=N/m 2 Pa=N/m 2 lb/pie 2 lb/pulg 2 psi atm bar mmhg a 0 ºC mmh 2 O a 4 ºC Pa=N/m x x x x x10-2 lb/pie x x x lb/pulg 2 psi 6.89x x x atm 1.01x x x10 3 bar x x10 3 mmhg (a 0ºC) x x x mm H 2 O (a 4ºC) x x x psi=pound-square-inch Ojo: la presión no sólo existe en los fluidos...

21 kpa=kn/m 2 lb/pulg 2 = psi bar 1 atm Presión arterial kpa bar

22 kpa=kn/m 2 lb/pulg 2 = psi bar milibar 1 atm Presión atmosférica B A 1 bar (=1000 milibares) 100 kpa

23 kpa=kn/m 2 lb/pulg 2 = psi bar 1 atm Presión Neumáticos 2-3 bares kpa ( kilos )

24 10 atm=1mpa 100 atm=10mpa 1000 atm

25 1000 atm =100 MPa 4x MPa 2x MPa

26 Presión absoluta: respecto al vacío, p( vacío )=0 Presión manométrica: presión absoluta presión atmosférica Presión de vacío: presión atmosférica - presión absoluta p p m = de _ vacío = p abs p atm p atm p abs p abs p m p de _ vacío p abs p atm Por definición todas estas las presiones son POSITIVAS p = 0?

27 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA T 1 T 2 T 3 T 1 = T 2 T 2 = T 3 T 1 = T 3

28 ESCALAS DE TEMPERATURA Fahrenheit: el 0ºF está fijado por la mezcla de cantidades iguales de nieve y ClNa; el 100ºF está fijado por la temperatura del cuerpo de un humano sano (año 1753). Rankine: usa la escala Fahrenheit pero desplazada ºF para que el cero sea el cero absoluto (año 1926). Reaumur: el 0 Reamur está fijado por el punto de congelación del agua y el 80ºR por el punto de ebullición del agua (año 1814). Celsius: 0ºC está fijado por el punto de congelación del agua y el 100ºC por el punto de ebullición del agua (año 1801). Centígrada: mejora la determinación de la escala de Celsius usando el punto triple del agua (0.01ºC) en vez del de congelación. (año 1954). Kelvin: como la escala Celsius pero desplazada ºC para que el cero sea el cero absoluto (año 1908). K = ºC ºF = 9/5 ºC + 32 Ranking = ºF Reaumur = 4/5 ºC ºC= K ºC=1.8 ºF ºF= R

29 K = ºC ºF = 9/5 ºC + 32 Ranking = ºF Reaumur = 4/5 ºC ºC= K ºC=1.8 ºF ºF= R