INTRODUCCION

Qu significa termodinmica? !!La palabra proviene de dos palabras griegas: therm, que significa "calor", y dynamis, cuyo sentido original es fuerza". En fsica, sin embargo, dinmica se opone a esttica, y se refiere a "cambios" por oposicin a equilibrio".

Etimolgicamente, pues, "termodinmica" sera la ciencia que estudia los cambios en los sistemas fsicos en los que interviene el calor . Nosotros nos vamos a ocupar sobre todo de los estados de equilibrio, por lo que un nombre ms adecua do para esta asignatura podra ser termoesttica

La termodinmica clsica puede definirse como

el estudio de las propiedades de sistemas

macroscpicos en equilibrio.

Est sustentada en un pequeo nmero de

principios bsicos denominados leyes de la

termodinmica, las que resultan de inferencias y

generalizaciones de un gran nmero de

experimentos y observaciones realizados en

sistemas macroscpicos.

Se trata de leyes fenomenolgicas

justificadas por su acierto en la descripcin

de los fenmenos macroscpicos. Prescinde

de conceptos atmicos y describe las

propiedades macroscpicas accesibles

experimentalmente, como volumen, presin

y temperatura.

REAS DE APLICACIN DE LA TERMODINMICA?!

DEFINICIONES!Un sistema se define como una cantidad de materia o una regin en el espacio elegida para anlisis. La masa o regin fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. La frontera de un sistema puede ser fija o mvil.

La frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores. En trminos matemticos, la frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio.

Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio.

Clasificacin !

Un sistema cerrado (conocido tambin como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera.

Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado.

Pero la energa, en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera.

El volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Si, como caso especial, incluso se impide que la energa cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado.

Un sistema abierto, o un volumen de control, es una regin elegida apropiadamente en el espacio.

Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo msico, como un compresor, turbina o tobera.

El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la regin dentro del dispositivo como el volumen de control.

Tanto la masa como la energa pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

Un gran nmero de problemas de ingeniera tiene que ver con flujo de masa dentro y fuera de un sistema y, por lo tanto, se modelan como volmenes de control.

En general, cualquier regin arbitraria en el espacio se puede seleccionar como volumen de control; no hay reglas concretas para esta seleccin, pero una que sea apropiada hace ms fcil el anlisis.

Por ejemplo, si se necesitara analizar el flujo de aire por una tobera, una buena eleccin para el volumen de control sera la regin dentro de la tobera.

Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control, y pueden ser reales o imaginarias

Un volumen de control puede ser fijo en tamao y forma, como en el caso de una tobera, o bien podra implicar una frontera mvil.

Al igual que en un sistema cerrado, en un volumen de control tambin puede haber interacciones de calor y trabajo, adems de interaccin de masa.

Tipos de sistemas

Materia Energa

Abierto

Materia

Cerrado

Materia Energa

Aislado

Puede intercambiar

PROPIEDADES DE UN SISTEMA!

Cualquier caracterstica de un sistema se llama propiedad. Algunas propiedades:

presin P temperatura T volumen V masa m. Viscosidad conductividad trmica mdulo de elasticidad

Se considera que las propiedades son intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas

independientes de la masa de un sistema, como: temperatura, presin y densidad.

Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamao o extensin del sistema, como: La masa total, volumen total y cantidad de movimiento total!

.

Las minsculas para las intensivas (con las excepciones obvias de la presin P y la temperatura T).

Las letras maysculas se usan para denotar propiedades extensivas (con la importante excepcin de la masa m)

CONTINUO!

La materia est constituida por tomos que estn igualmente espaciados en la fase gas. Sin embargo, es muy conveniente no tomar en cuenta la naturaleza atmica de una sustancia y considerarla como materia continua, homognea y sin ningn hueco, es decir, un continuo. La idealizacin de continuo permite tratar a las propiedades como funciones puntuales y suponer que varan en forma continua en el espacio sin saltos discontinuos.

Esta idealizacin es vlida siempre y cuando el tamao del sistema analizado sea grande en relacin con el espacio entre molculas.

La idealizacin del continuo est implcita en muchos enunciados, como la densidad del agua en un vaso es la misma en cualquier punto.

PROPIEDADES INTENSIVAS

DENSIDAD!La densidad se define como la masa por unidad de volumen: El recproco de la densidad es el volumen especfico v, que se define como el volumen por unidad de masa:

=mV [ ] =

kgm3

v = Vm =1

Algunas veces la densidad de una sustancia se da como relativa a la densidad de una sustancia bien conocida. Entonces, se llama gravedad especfica, o densidad relativa, y se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estndar a una temperatura especificada (normalmente agua a 4 C, para la que H2O=1 000 kg/m3). GE = DR =

agua

El peso de un volumen unitario de una sustancia se llama peso especfico:!! donde g es la aceleracin gravitacional

e = g [ ] =Nm3

e =mV g =

WV

EJEMPLO: Calcule el peso de un deposito de aceite si tiene una mas de 850 kg. Suponga que el deposito tiene un volumen de 0.917 m3, calcule la densidad, peso especifico y gravedad especifica. H2O=1 000 kg/m3)

GE = DR = agua

e = g =WV

Ejercicio: La glicerina a 20 C tiene una GE=1.263. Calcule su densidad y su peso especfico. H2O=1 000 kg/m3)

PRESION!La presin se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de rea. Se habla de presin slo cuando se trata de gas o lquido, mientras que la contraparte de la presin en los slidos es el esfuerzo normal el cual es la fuerza que acta perpendicularmente a la superficie por unidad de rea.

P = FA P[ ] =Nm2 = Pa

En el sistema ingls, la unidad de presin es la libra fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg2, o psi)

1 atm=14.696 psi

La presin real en una determinada posicin se llama presin absoluta, y se mide respecto al vaco absoluto (es decir, presin cero absoluta). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presin se calibran a cero en la atmsfera, por lo que indican la diferencia entre la presin absoluta y la atmosfrica local; esta diferencia es la presin manomtrica. Las presiones por debajo de la atmosfrica se conocen como presiones de vaco y se miden mediante medidores de vaco que indican la diferencia entre las presiones atmosfrica y absoluta. Las presiones absoluta, manomtrica y de vaco son todas positivas y se relacionan entre s mediante:

Para medir la presin del aire en una llanta de automvil indica la presin manomtrica, de manera que una lectura comn de 32 psi indica una presin de 32 psi por arriba de presin atmosfrica. En un lugar donde sta es de 14.3 psi, por ejemplo, la presin absoluta en la llanta es 32+14.3 =46.3 psi.

EJEMPLO: Un medidor de vaco conectado a una cmara marca 5.8 psi en un lugar donde la presin atmosfrica es de 14.5 psi. Determine la presin absoluta en la cmara.

Variacin de la presin

La presin del agua que acta sobre el cubo produce fuerzas 1era ley de Newton no debe haber ninguna fuerza neta actuando sobre este cubo estacionario de agua

Las fuerzas que actan sobre los lados verticales del cubo se CANCELAN

Las fuerzas verticales que actan sobre los lados inferior y superior =0

Fy = 0= F2 F1 W= F2 F1 mg = 0

F1=fuerza descendente en la parte superior del cubo =P1A F2=fuerza ascendente en la parte inferior del cubo= P2A Mg= peso del cubo de agua

P2A P1A Vg = 0 Dividiendo entre A, poniendo el volumen como V=A(y1-y2)

P2 P1 g(y1 y2) = 0

Presin como funcin de la profundidad en un liquido de densidad uniforme

P2 = P1 + g(y1 y2)Pfondo = Psup erficie + g(ysup erficie y fondo)

P2 = P1 + g(y1 y2) = 0Podemos definir: La presin en la superficie del liquido

y1=0 como Po=Presin atmosfrica La presin a una profundidad dada h

y2=-h como P

P = P0 + ghPfondo = Psuperficie + gh

En un liquido homogneo e incompresible, la presin aumenta con la profanidad a la misma profundidad la

presin es igual en todos los puntos

PRESION MANOMETRICA Y BAROMETROS

P = P0 + ghPRESION ABSOLUTA Incluye la presin del liquido as como la presin del aire sobre este

PRESION DEL FLUIDO

PRESION ATMOSFERICA

P P0 = gh PRESION MANOMETRICA El manmetro usado para para medir la presin del aire en un neumtico esta calibrado de tal manera que la presin atmosfrica marca una lectura de 0 solo se mide la presin adicional en el neumtico

BAROMETRO DE MERCURIO Sencillo dispositivo usado para medir la presin atmosfrica

P0 = gh

Una unidad de presin de uso comn es la atmsfera estndar, que se define como la presin producida por una columna de mercurio de 760 mm de altura a 0 C (Hg =13595 kg/m3) bajo la aceleracin gravitacional estndar (g=9.807 m/s2). Si se usa agua en lugar de mercurio para medir la presin atmosfrica estndar, sera necesaria una columna de agua de casi 10.3 metros

Ejercicio: Medicin de la presin con un manmetro. Se usa un manmetro para medir la presin en un tanque. El fluido que se utiliza tiene una gravedad especifica de 0.85 y la elevacin de la columna en el manmetro es de 55 cm. Si la presin atmosfrica local es de 96 kpa, determine la presin absoluta dentro del tanque.

Muchos problemas de ingeniera y algunos manmetros tienen que ver con varios fluidos inmiscibles de densidades diferentes apilados unos sobre otros. Este tipo de sistemas se pueden analizar fcilmente recordando que: 1)el cambio de presin en una columna de

fluido de altura h es gh,

2)la presin se incrementa hacia abajo en un determinado fluido y disminuye hacia arriba (es decir, Pfondo > Pparte superior)

3)dos puntos a la misma elevacin en un fluido continuo en reposo estn a la misma presin.

Ejemplo:!El agua en un recipiente se presuriza con aire y la presin se mide por medio de un manmetro de varios fluidos, como se muestra en la figura. El recipiente se localiza en una montaa a una altitud de 1 400 m donde la presin atmosfrica es 85.6 kPa. Determine la presin del aire en el recipiente si h1= 0.1 m, h2 =0.2 m y h3 =0.35 m. Tome las densidades del agua, aceite y mercurio iguales a 1 000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13 600 kg/m3, respectivamente.

Ejercicio El tubo de la figura est cerrado por el extremo de la ampolla y abierto en el otro, y tiene mercurio alojado en las dos asas inferiores. Los nmeros indican las alturas en milmetros. Si la presin atmosfrica es de 760 mmHg y se desprecian las diferencias de presin con la altura en los cuerpos gaseosos cunto vale la presin en el interior de la ampolla del extremo cerrado?

Particularmente, los manmetros son adecuados para medir cadas de presin en una seccin de flujo horizontal entre dos puntos especificados, debidas a la presencia de un dispositivo como una vlvula, intercambiador de calor o cualquier resistencia al flujo. Esto se hace conectando las dos ramas de un manmetro a estos dos puntos, figura. El fluido de trabajo puede ser un gas o un lquido cuya densidad es 1. La densidad del fluido del manmetro es 2 y la altura diferencial del fluido es h.

Calcular la altura h del manometro

Densidad glicerina= 1.26 gr/cm3 GE del sae 40 = 0.86

Una consecuencia de la presin en un fluido que permanece constante en la direccin horizontal es que la presin ejercida sobre un fluido incompresible dentro de un recipiente rgido, se transmite a todos los puntos del mismo con el mismo valor. Esto se llama ley de Pascal

PRINCIPIO DE PASCAL

PRINCIPIO DE PASCAL

PRINCIPIO DE PASCAL!La presin aplicada a un fluido encerrado se transmite integra a todas las partes de l y a las paredes del recipiente.

Si aumentamos la presin externa sobre un fluido en un lugar en una cantidad P, el mismo incremento se experimentara en todas partes

La presin del aire y el peso del pistn ejercen una presin Pt encima de la columna de agua. la presin P a la profundidad h es:

P = Pt + ghComo el agua puede considerarse incompresible, si se le agrega un 2do peso encima del pistn, el cambio en la presin P, a la profundidad h se debe solamente al cambio de la presin Pt, encima del agua la densidad no cambia y la profundidad tampoco

P = PtNo depende de h debe cumplirse para todas las posiciones del liquido

El principio de pascal es la base de muchos dispositivos hidrulicos modernos:

Prensa Hidrulica!Consideremos 2 pistones conectados en cilindros llenos con aceite. AentAent Fsal > Fent Esto es la base de los dispositivos hidrulicos que producen grandes fuerzas de salida con pequeas fuerzas de entrada

La cantidad de trabajo efectuada sobre el primer pistn es la misma que la cantidad de trabajo aplicada por el segundo pistn

W = Fenthent = Fsalhsal

El movimiento descendente del pistn ms pequeo en una distancia d1, desplaza un volumen de fluido V=d1A1. si el fluido es incompresible, el volumen ser igual al volumen desplazado por el movimiento ascendente del pistn ms grande.

V1 = d1A1 = d2A2 =V2

EJEMPLO: Si el pequeo embolo de una palanca hidrulica tiene un dimetro de 3.72 cm y el embolo grande uno de 51.3 cm

Qu peso sobre el mbolo pequeo soportar 18.6 KN sobre el embolo grande? A qu distancia debe moverse el embolo pequeo para el

automvil se eleve 1.65m?

EJERCICIO: El embolo grande de una prensa hidrulica tiene un radio de 20 cm. Qu fuerza debe aplicarse al embolo pequeo de radio 2 cm para elevar un coche de masa 1500 kg?