TEMA 1. CONCEPTOS INTRODUCTORIOS

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1 TEMA 1. CONCEPTOS INTRODUCTORIOS

2 CONTENIDOS: 1. La Termodinámica como ciencia. Objeto y ámbito. 2. Evolución histórica de la Termodinámica. 3. Principales líneas del pensamiento termodinámico. 4. Sistema termodinámico 5. Propiedades de un sistema termodinámico 6. Procesos y ciclos en sistemas termodinámicos 7. Fase y sustancia pura 8. Equilibrio

3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: El estudiante será capaz de diferenciar entre los distintos enfoques de estudio termodinámico. Explicar el origen de la Termodinámica. Valorar la importancia de la Termodinámica en el desarrollo de diversos sistemas industriales. El estudiante será capaz de clasificar los distintos sistemas termodinámicos. Listar las variables termodinámicas más importantes. Diferenciar entre propiedades extensivas e intensivas. Justificar el uso de los procesos cuasiestáticos en Termodinámica

4 1. LA TERMODINÁMICA COMO CIENCIA Therme (calor ) + dynamis (fuerza) TERMODINÁMICA RAE: termodinámica:= Parte de la física en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes formas de energía VOX: termodinámica calor. (termo + dinámica):= Parte de la física que trata la acción mecánica del LAROUSSE: termodinámica (termo + dinámica):= Rama de la Física que estudia las propiedades de los sistemas en los que intervienen las nociones de temperatura Def:= ciencia de la energía Def:= ciencia que estudia los sistemas y sus interacciones con su entorno Def:= parte de la Física que estudia los estados de los sistemas materiales macroscópicos, y los cambios que pueden darse entre esos estados, en particular, en lo que respecta a temperatura, calor y energía

5 1. OBJETO Y ÁMBITO DE APLICACIÓN FÍSICA vs. INGENIERÍA

6 1. OBJETO Y ÁMBITO DE APLICACIÓN FÍSICA vs. INGENIERÍA Motores de combustión Turbinas Cuerpo Humano Compresores, bombas Centrales eléctricas de combustible fósil y nuclear

7 1. OBJETO Y ÁMBITO DE APLICACIÓN Sistemas de propulsión para aviones y cohetes Sistemas de calefacción, refrigeración y aire acondicionado Sistemas de combustión Sistemas de energías alternativas (Eólico, solar, mareomotriz, etc.) Otros: Microprocesadores, Aplicaciones biomédicas, Sistemas criogénicos,...

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10 2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TERMODINÁMICA

11 2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA TERMODINÁMICA Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad. Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa. Segundo Principio: define la entropía como medida de la dirección de los procesos. Tercer Principio: interpretación física de la entropía como orden de los sistemas; se usa en termoquímica. Peter William Atkins ha expuesto así la cronología de las leyes termodinámicas (The Second Law, Scientific American Library 1984): "There are four laws. The third of them, the Second Law, was recognized first; the first, the Zeroth Law, was formulated last; the First Law was second; the Third Law might not even be a law in the same sense as the others. Happily, the content of the laws is simpler than their chronology, which represents the difficulty of establishing properties of intangibles."

12 3. PRINCIPALES LÍNEAS DEL PENSAMIENTO TERMODINÁMICO PERSPECTIVA MACROSCÓPICA (TERM. CLÁSICA) PERSPECTIVA MICROSCÓPICA (TERM. ESTADÍSTICA)

13 PIV MEASURENTS IN ENHANCED SOLAR COLLECTORS Pedro G. Vicente Quiles

14 PIV MEASURENTS IN ENHANCED SOLAR COLLECTORS Pedro G. Vicente Quiles

15 MEJORA DEL COMP DE TORRE DE TIRO NATURAL FRENTE A FLUJO DE AIRE ESTUDIO DE SPRAY PARA ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO

16 4. SISTEMA TERMODINÁMICO FRONTERA SISTEMA ENTORNO SISTEMA:= cantidad de materia o región en el espacio elegida para estudio ENTORNO:= cualquier cosa externa al sistema FRONTERA:= límite entre sistema y entorno UNIVERSO:= Conjunto compuesto por el sistema, su entorno y la frontera

17 4. SISTEMA TERMODINÁMICO. TIPOS-TRANSFERENCIA DE MASA: Sistemas cerrados masa de control:= cantidad determinada de materia Sistemas abiertos volumen de control:= región seleccionada del espacio dm m 0 dm dt m 0? dt

18 4. SISTEMAS. TIPOS-TRANSFERENCIA DE ENERGÍA (CALOR) Sistema adiabático: sin transferencia Q 0 Sistema diatermo: con transferencia Q 0 Q 0 Sistema Aislado: no intercambio de masa ni energía Q 0

19 5. PROPIEDADES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO PROPIEDAD:= cualquier característica macroscópica de un sistema tales como masa, volumen, energía o presión, entre otras, a las que puede asignarse un valor numérico sin conocimiento previo de la historia del sistema. ESTADO := expresa la condición de un sistema definida por el conjunto de sus propiedades. En un estado dado, todas las propiedades de un sistema tiene valores fijos. Si el valor de alguna propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente. TEST: Una magnitud es una propiedad si, y solo si, su cambio de valor entre dos estados es independiente del proceso

20 5. PROPIEDADES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO PROP. EXTENSIVA:= si su valor para un sistema es la suma de los valores correspondientes a las partes en que subdivida (masa, volumen, energía,...) PROP. INTENSIVA:= sus valores son independientes del tamaño o extensión de un sistema y pueden variar de un punto a otro en un instante dado (presión, temperatura,...) m V T P r ½ m ½ V T P r ½ m ½ V T P r Propiedades extensivas Propiedades intensivas

21 6. PROCESOS Y CICLOS EN SISTEMAS TERMODINÁMICOS PROCESO:= transformación de un estado a otro. ESTADO ESTACIONARIO:= cuando ninguna de las propiedades de un sistema cambia con el tiempo. CICLO TERMODINÁMICO:= secuencia de procesos que empieza y termina en el mismo estado. Propiedad B Estado 2 Proceso Estado 1 Propiedad A

22 7. FASE Y SUSTANCIA PURA FASE:= cantidad de materia que es homogénea en toda sus extensión tanto en la composición química como en la estructura física. SUSTANCIA PURA:= aquella que es uniforme e invariable en su composición química.

23 8. EQUILIBRIO Eq. Mecánico: Igualdad de fuerzas Eq. Térmico: Igualdad de temperaturas Eq. de Fases: ausencia de transferencia neta de una o más especies químicas, de una fase a otra en un sistemas de fases múltiples. Principio cero de la Termodinámica := cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre si. Eq. Químico: no existe reacción química neta

24 8. EQUILIBRIO. PROCESO DE CUASIEQUILIBRIO (CUASIESTÁTICO) Proceso idealizado que se desvía del equilibrio de un modo infinitesimal. Todos los estados por los que el sistema pasa en proceso de cuasiequilibrio pueden considerarse procesos de equilibrio. Es un proceso lo suficientemente lento que permite al sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte de él no cambian más rápido que en otras partes.