TERMODINAMICA 1 Conceptos Basicos

TERMODINAMICA 1 Conceptos Basicos Prof. Carlos G. Villamar Linares Ingeniero Mecánico MSc. Matemáticas Aplicada a la Ingeniería 1

CONTENIDO DEFINICIONES BASICAS Definición de Termodinámica, sistema termodinámico, límites del sistema, tipos de límites, sistema cerrado, sistema abierto, volumen de control, sistema aislado. Dimensiones, unidades. Estado, propiedades termodinámicas, clasificación de las propiedades, fase, cambios de fase. Ley cero de latermodinámica. PROCESOS TERMODINAMICOS. Estado de equilibrio termodinámico, definición de procesos, proceso de cuasiequilibrio, procesos isotérmicos, isobáricos, isométricos. Procesos de expansión y compresión, ciclos, representación de procesos en diagramas termodinámicos. 2 Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING

ENERGIA. Es difícil dar una definición precisa de ella. Se podría definir como: - Es la capacidad de producir cambios. - Es la capacidad que tiene un cuerpo de producir trabajo o transferir calor. Tipos de Energía. Cinética, Potencial, Térmica, Mecánica, Eléctrica, Magnética, Eólica Química, Nuclear, Mareomotriz, Solar, Interna. 3

Energía Interna: Asociada a la energía sensible (EC), energía latente (fase), energía potencial (EP) tiene que ver con las interacciones entre las moléculas. Si hay cambio de composición se considera la energía química (enlaces atómicos entre las moléculas) Si hay reacciones nucleares se considera la energía nuclear (enlaces atómicos del núcleo del átomo) 4

TERMODINAMICA. -Es la ciencia de la energía. CONCEPTOS BASICOS -Es parte de la física, que estudia las interacciones de la energía con los cuerpos y su influencia con sus propiedades. -Tiene como objetivo entender las interrelaciones entre fenómenos mecánicos, térmicos y químicos. - Es la ciencia que estudia las transformaciones de unas formas de energías en otras. Áreas de Aplicación. Conversión de calor en trabajo o potencia. Refrigeración, AA, calefacción. 5

Áreas de Aplicación. Ejemplos. CONCEPTOS BASICOS Turbina Pelton, Francis y Kaplan Central Hidroeléctrica Bomba Centrifuga Motor Diesel Turbina de Gas de Potencia Turbina de Gas de Avión Ciclo de Potencia Combinado Brayton Rankine Central Termoeléctrica Nuclear Ciclo de Refrigeración 6

Tipos de Termodinámica. - Termodinámica Clásica: Se aplica un estudio macroscópico de la sustancia, no se requiere conocer el comportamiento individual de cada partícula. Proporciona una manera fácil y directa de resolver problemas de ingeniería. - Termodinámica Estadística: Estudia las sustancias desde un punto de vista microscópico y molecular, este es un enfoque mas elaborado con base al comportamiento promedio de grandes grupos de partículas. Su estudio se basa en la mecánica quántica y la mecánica estadística. Átomos Moléculas Sustancia Para efectos de comparación, si un átomo tuviese el tamaño de un estadio, el núcleo sería del tamaño de una canica colocada en el centro, y los electrones, como partículas de polvo agitadas por el viento alrededor de los asientos. Elementos de la tabla periódica (O, N, Fe, He, Cr, etc) 7 Partícula neutra formada por un conjunto de atomos ligados por enlaces covalentes. Ejm. O 2, O 3, N 2, P 4, H 2 O, NH 3, Etc. VACIO

DIMENSIONES Y UNIDADES. Dimensiones: Son nombres arbitrarios utilizados para caracterizar cantidades físicas, las magnitudes asociadas a las dimensiones se llaman Unidades. UNIDADES BASICAS Dimensiones primarias o fundamentales. Dimensión Unidad (SI) Unidad (USCS) Masa Kg lb-m Longitud m ft Tiempo s s Temperatura K R Corriente Eléctrica A A Cantidad de Substancia mol mol Fuerza ****** lb-f 8

Dimensiones Secundarias: Son dimensiones que se expresan en términos de las dimensiones primarias, por ejemplo volumen, presión, área. En el Sistema [SI] la FUERZA es una dimensión secundaria. F = m a [Kg m/s 2 ] = [N] Representa la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 Kg. En 1 m/s 2 En el sistema [USCS] la FUERZA es una dimensión primaria. Esto genera una fuente de confusión entre lb-m y lb-f m a g 2 F = [lbm f / s ] c Donde Kgm m gc = 9.81 s 2 Kgf gc = Cons tan te de proporcionalidad g c = 1 En el [SI] lbm ft gc = 32.174 s 2 lbf Todos los términos en una ecuación deben tener homogeneidad dimensional. En el sistema técnico. 9

PROPIEDADES DE UN SISTEMA. Es cualquier característica del sistema observable o no a simple vista. Propiedades importantes en termodinámica: Energía [E] Volumen [V] Presión [P] Temperatura [T] Densidad [ρ] Masa [m] Volumen específico [v] Energía interna [U] Entalpía [H] Entropía [S] Peso específico [ ] 10

CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES. Propiedades Intensivas: Son independientes del tamaño del sistema, por ejemplo la temperatura, presión, densidad. Propiedades extensivas: Dependen del tamaño del sistema, es decir al variar el tamaño del sistema también cambia la propiedad, por ejemplo la masa, volumen, energía total. V, m, T, P, ρ (1/2)V (1/2) m T P ρ (1/2)V (1/2) m T P ρ 11

CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES. Propiedades especificas: Es una propiedad independiente de la masa del sistema, es una propiedad extensiva dividida entre la masa, se denota con letras minúsculas, por ejemplo el volumen especifico (v), la energía interna especifica (u). Todas las propiedades especificas son intensivas pero no todas las propiedades intensivas son especificas, por ejemplo la presión, temperatura, masa. Propiedad dependiente: La dependencia indica que al variar una propiedad también varía otra. Propiedad independiente: Son propiedades que no se ven afectadas por el cambio de otra propiedad. 12

SISTEMA, FRONTERA, ALREDEDORES. -Sistema es una porción de materia o región del espacio elegida para realizar un estudio. -La superficie real o imaginaria que delimita el sistema se llama frontera. -Alrededores es la masa o región fuera del sistema. CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS. Masa Constante Abierto Sistema MasaVariable Cerrado Sistema (según tipo de fronteras) Limites Móviles. Limites Fijos Limites Reales. Limites Imaginarios 13

Sistema Cerrado (masa de control): Permite el intercambio de energía con los alrededores pero sin intercambio de masa. CONCEPTOS BASICOS ENERGIA Sistema Abierto (volumen de control): Permite el intercambio de masa y energía con los alrededores. -Sistema abierto con masa constante, la masa total dentro del volumen de control permanece constante. (Ejm. Flujo por una tubería) - Sistema abierto con masa variable, la masa que entra no es igual a la masa que sale del volumen de control. (Ejm. Llenado de un tanque) Entrada de Masa Energía 14

CLASIFICACION SEGÚN SUS FRONTERAS - Sistemas con límites móviles: Son sistemas que tienen límites que varían. - Sistemas con límites Fijos: Son sistemas que tienen limites que no varían pueden ser reales o imaginarios. - Limites Reales: Son limites que existen físicamente. Limite Imaginario - Limites Imaginarios: No existen físicamente. Volumen de Control Limite Real Fijo Limite Real Móvil - Sistema Aislado: Es un caso especial en el que no existe intercambio de materia ni energía con los alrededores. 15

EQUILIBRIO, ESTADO, FASE. Equilibrio: Un sistema se encuentra en equilibrio cuando no tiene tendencia a cambiar de estado por si mismo. Un sistema se encuentra en equilibrio cuando en el no puede ocurrir un cambio espontáneo hacia otro estado sin que ocurra un cambio en los alrededores. El equilibrio termodinámico lo define: Equilibrio Térmico: Si la temperatura es la misma en todo el sistema. Equilibrio Mecánico: Cuando la presión es la misma en todo el sistema. Equilibrio Químico: Si su composición química no cambia con el tiempo. Equilibrio de fases: Cuando la masa en cada fase alcanza su nivel de equilibrio y permanece ahí. El sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si satisface todas estas condiciones. 30 C 30 C 30 C 30 C 30 C 30 C 30 C 30 C Estado: Es una condición de la sustancia que esta definida por sus propiedades. Fase: Es una condición homogénea de la sustancia, existe sólida, líquida y gaseosa. Cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física. 16

17 CONCEPTOS BASICOS POSTULADO DE ESTADO. El estado de una sustancia lo definen sus propiedades, pero no se requiere especificar todas sus propiedades para fijar un estado, una vez que se conoce cierto número de propiedades las demás se pueden determinar. El estado de un Sistema Puro, Simple Compresible se define completamente con dos propiedades intensivas e independientes. SISTEMA SIMPLE COMPRESIBLE. Es aquel sistema que no esta sujeto a efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, tensión superficial. Estos efectos se deben a campos de fuerza externos, si existen algunos de estos efectos es necesario especifica una propiedad adicional para cada efecto. (ejm. Efectos gravitacionales requiere la altura, efectos cinéticos requiere la velocidad) adicionales a las dos propiedades intensivas e independientes para definir el estado. PROCESO. Es cualquier cambio que experimente el sistema de un estado de equilibrio a otro. Procesos comunes: Isotérmico, Isobárico, Isocórico o Isométrico, Isoentálpico, Isentrópico, Adiabático TRAYECTORIA. Es la serie de estados de equilibrio por el cual pasa un proceso, es el camino recorrido, este debe responder a un patrón de cambio.

PROCESO CUASIESTATICO O CUASIEQUILIBRIO. Es aquel que ocurre a través de sucesivos estados de equilibrio, realmente no existe es ideal o teórico. Son procesos que ocurren suficientemente lentos que permiten al sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte del sistema no cambien mas rápido que en otras partes. Proceso 1-2 Trayectoria 2 1 PROCESOS CICLICOS. Son procesos cualesquiera que regresan al punto de partida, el estado final es igual al estado inicial. Por lo tanto d(pr opiedad) = 0 dt Proceso 1-2 CICLO Trayectoria Ciclo 2 18 1 1 = 2

PRESION. Es la fuerza por unidad de área ejercida por un fluido sobre una superficie. En un fluido en reposo la presión es la misma en todas las direcciones. P = F A La presión en un tanque que contiene gas es la misma en todo el tanque ya que el peso del gas es muy pequeño para hacer alguna diferencia apreciable. La presión en un recipiente con líquido aumenta con la profundidad como resultado del peso del fluido. PB < PA La presión atmosférica es la fuerza ejercida por el aire sobre los cuerpos en la superficie terrestre. P atm = 101300 N/m 2 = 101300 Pa = 101.3 kpa 1 bar = 14.6959 psia 14.7 psia 19

También podemos expresar la presión como el peso de una columna de fluido V = h A (Volumen = Altura * Area) d m ρ = V m = ρ V F = m g Por tan to F m g ρ V g ρ h A/ g P = = = = A A A A / P = ρ g h = γ h h La expresión anterior representa la presión en el fondo de una columna de fluido. 20

Escala de Presiones. CONCEPTOS BASICOS P manométrica P absoluta P atm P vacío P absoluta de vacío Patm 0 absoluto Presión absoluta: Se mide con respecto al vacío absoluto o cero absoluto, se mide con barómetros. Presión manométrica: Mide la presión con respecto a la atmosfera, se mide con manómetros. Presión de vacío: Mide la presión por debajo de la atmosférica, se mide con vacuometros. 21

P abs = P atm + P man P a medir = ρ g h + P atm Ecuación de un manómetro en U Patm h P a medir P indicada = P manométrica = P relativa P abs = P indicada + P atm P abs = P indicada + P exterior Ecuación de un manómetro de Bourdón o tubo en C 22 P a medir

TEMPERATURA. CONCEPTOS BASICOS No es fácil definirla exactamente. Es una propiedad intensiva que indica el nivel de energía es decir actividad molecular, que tiene un cuerpo. Es la única propiedad suficiente para determinar si dos cuerpos están en equilibrio térmico. Se mide observando el cambio de una propiedad con la temperatura de un cuerpo patrón, se debe definir una escala de temperatura y poner los dos cuerpos en contacto. 23

Escalas de Temperaturas Temperatura de ebullición del agua a 1 atm CONCEPTOS BASICOS C K F R 100 373 212 672 Temperatura de Fusión del agua a 1 atm 0 273.15 273 32 491.67 492-273 0-460 0 24 K = C + 273 R = F + 460 K = C R = F F = 1.8 C + 32 Escala Relativa C = ( F 32) / 1.8 Escala Relativa R = 1.8 K Escala Absoluta K = R / 1.8 Escala Absoluta R = 1.8 C + 492 Escala Absoluta

LEY CERO DE LA TERMODINAMICA. CONCEPTOS BASICOS Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre si. A A B Si A se encuentra en equilibrio térmico con B y C C B C B y C están en equilibrio térmico Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura, incluso si no se encuentran en contacto. 25