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TERMODINAMICA AVANZADA
PROGRAMA:
MAESTRA EN GESTIN ENERGTICA INDUSTRIAL
Docente: Elizabeth Rodrguez Acevedo, MSc. IQ
[email protected]
mailto:[email protected]
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CONCEPTOS BSICOS DE TERMODINMICA
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Introduccin Definicin de termodinmica, sistema,
propiedades y equilibrio Introduccin a los balances de materia
y
energa Introduccin a las leyes termodinmicas
CONTENIDO
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TERMODINMICA
BENEFICIO DE LA
HUMANIDAD INGENIERA
Aplicacin de conocimientos:
matemticas y ciencias naturales
Estudio, experiencia y prctica:
desarrollo de mtodos econmicos
de utilizacin de los materiales y
las fuerzas de la naturaleza
Herramienta que debe tener un buen ingeniero para su
desempeo eficiente
Crea un puente entre los conocimientos de las ciencias naturales
y los conocimientos de las ciencias de ingeniera
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TERMODINMICA
CLSICA ESTADSTICA
Efectos globales
La estructura de la termodinmica clsica es relativamente simple
debido a que sus conceptos son ms fcilmente aceptables
intuitivamente y a que las matemticas involucradas en su estudio no
contienen mayor complejidad o nivel de abstraccin
Se pueden predecir las relaciones entre las propiedades de las
sustancias, no puede mostrar por qu tales relaciones tienen una
forma particular.
Los nuevos descubrimientos o teoras en este campo no modifican
la validez de los postulados de la termodinmica
Nivel atmico
Cuando se hacen estudios de sustancias a alta temperatura y
presin en procesos de generacin de energa magneto-hidrodinmica,
etc, se debe emplear un estudio basado en el comportamiento
estadstico de gran nmero de partculas (grupos del orden de 1020 o
superiores).
Requiere un modelo de la estructura de las sustancias, y combina
tcnicas de clculo estadstico y teora de probabilidades con
conocimientos de teora cuntica.
Posibilidad de predecir y explicar el comportamiento macroscpico
de la materia
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Qu es la termodinmica? Es la ciencia donde se tratan temas que
relacionan los sistemas termodinmicos con sus alrededores. De esta
relacin se desprenden la forma de aprovechamiento energtico de las
sustancias, la generacin de nuevas formas de energa y la
transferencia de materia para crear orden o desorden.
Transferencia de energa, materia,
momentum y/o carga elctrica.
Chejne J. 2011
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En la definicin de termodinmica se dice que los estudios se
hacen entre estados de equilibrio (o
cerca del equilibrio). Esto quiere decir que solo se consideran
las caractersticas o propiedades de las
sustancias antes y despus de un proceso de cambio y NO durante
dicho proceso, ni se estudia
el mecanismo o la velocidad a la cual se lleva a cabo la
transformacin.
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PROCESO CARACTERSTICA
Isomtrico trayectoria a volumen constante.
Isbarico trayectoria a presin constante.
Isotrmico trayectoria a temperatura constante.
Adiabtico trayectoria en la cual no hay transferencia de energa
en forma trmica (no hay flujo de calor).
Cclico
la sustancia de trabajo, despus de sufrir una serie de
transformaciones, siempre regresa a sus condiciones iniciales. O
sea que el cambio neto de las propiedades del sistema es cero
cuando se lleva a cabo un proceso de esta naturaleza.
Reversible o irreversible
un proceso reversible es aquel que ocurre de tal manera que es
posible de algn modo regresar el sistema y los alrededores a sus
estados iniciales. Un proceso que no cumpla con esta condicin es un
proceso irreversible.
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b. Un punto enmovimiento
c. Un sistemaa. Una partculaen movimiento
Vi
Definicin de propiedades como la densidad, la concentracin, la
temperatura, la presin, la energa interna, el volumen, la cantidad
de materia y la entropa, a
una escala macroscpica.
Qu es un sistema?
Chejne J. 2011
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Un sistema es identificado por el valor de las propiedades
termodinmicas. Cuando las propiedades cambian sus cantidades, el
sistema cambia de estado.
Chejne J. 2011
Chejne J. 2011
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Chejne J. 2011
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Sistema cerrado: El fluido Sistema abierto: El fluido
Sistema aislado: bloques A y B Hoyos B. 2007
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Ejemplos
Hoyos B. 2007
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Las caractersticas distintivas de la sustancia de trabajo
reciben el nombre de PROPIEDADES y son las cantidades que se pueden
especificar para dar una descripcin macroscpica de la sustancia.
Medicin directa (por ejemplo masa, volumen, temperatura,
presin,
etc.) Medidas indirectas o calculadas por medio de relaciones
matemticas
(como la entropa). Cualquier tipo de combinacin entre
propiedades, como por ejemplo el producto o suma de varias
propiedades, es tambin una propiedad
Qu es una propiedad?
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Propiedades intensivas
Propiedades extensivas
son aquellas que NO dependen de la
cantidad de sustancia que hace parte del
sistema (como presin, temperatura,
concentracin)
son las que SI dependen de la masa del sistema, algunas de estas
propiedades son la masa, el volumen, la energa, etc.
pueden transformarse a propiedades intensivas mediante su
divisin por la masa o por la cantidad de sustancia (moles) del
sistema, este tipo de propiedades son llamadas propiedades
especficas.
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MASAS Y PESO VOLUMEN Y DENSIDAD TEMPERATURA PRESION ENERGA
(CINTICA, POTENCIAL, INTERNA) ENTROPA
Principales propiedades
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Hoyos B. 2007
Ejemplo
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Ejemplo
Hoyos B. 2007
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Hoyos B. 2007
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Ejemplo
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Si en un sistema todas las fuerzas dentro de l se contrarrestan
exactamente y a su vez contrarrestan a las fuerzas externas, se
dice que el sistema y los alrededores estn en equilibrio
mecnico.
Si la temperatura dentro del sistema es uniforme e igual a la
temperatura de los alrededores, se tendr entonces un equilibrio
trmico.
Cuando la composicin qumica del sistema no sufre ningn cambio
entonces se dice que el sistema est en equilibrio qumico.
El equilibrio termodinmico implica que los equilibrios mecnico,
trmico y qumico deben cumplirse al mismo tiempo.
Qu es un sistema en equilibro?
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Cualquier perturbacin ya sea externa o interna, puede alternar
el estado del sistema de distintas maneras
ESTADO DE EQUILIBRIO RELAJADO
ESTADO DE EQUILIBRIO
CONGELADO
ESTADO FUERA DEL EQUILIBRIO
Si el tiempo de la perturbacin es mayor que el tiempo que tarda
el sistema en recuperar su estado de equilibrio
Si el tiempo de duracin de la perturbacin es mucho menor que el
tiempo de relajamiento
Si ambos tiempos (tiempo de relajacin y tiempo de perturbacin)
son equiparables
tiempo de respuesta de un sensor para detectar el valor de una
propiedad
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Balances de masa
Hoyos B. 2007
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Flujo Estable: En el interior del sistema no se presenta
acumulacin de masa
Flujo Uniforme: Se presenta variacin de masa al interior del
sistema a velocidad constante
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Hoyos B. 2007
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Hoyos B. 2007
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Balances de energa
Hoyos B. 2007
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Ecuacin general
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La ley cero de la termodinmica establece que si dos sistemas, Ay
B, estn en equilibrio termodinmico, y B est a su vez en equilibrio
termodinmico con un tercer sistema C, entonces A y C se encuentran
en equilibrio termodinmico. Este principio fundamental se enunci
formalmente luego de haberse enunciado las otras tres leyes de la
termodinmica, por eso se la llam ley cero.
Leyes termodinmicas
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La primera ley de la termodinmica, tambin conocida como ley de
la conservacin de la energa enuncia que la energa es
indestructible, siempre que desaparece una clase de energa aparece
otra (Julius von Mayer). Ms especficamente, la primera ley de la
termodinmica establece que al variar la energa interna en un
sistema cerrado, se produce calor y un trabajo. La energa no se
pierde, sino que se transforma.
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La segunda ley de la termodinmica indica la direccin en que se
llevan a cabo las transformaciones energticas. En esta ley aparece
el concepto de entropa, la cual se define como la magnitud fsica
que mide la parte de la energa que no puede utilizarse para
producir un trabajo. La segunda ley establece que en los procesos
espontneos la entropa, a la larga, tiende a aumentar. Los sistemas
ordenados se desordenan espontneamente. Si se quiere restituir el
orden original, hay que realizar un trabajo sobre el sistema.
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La tercera ley de la termodinmica afirma que es imposible
alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un nmero
finito de procesos fsicos, ya que a medida que un sistema dado se
aproxima al cero absoluto, su entropa tiende a un valor constante
especfico. A medida que el sistema se acerca al cero absoluto, el
intercambio calrico es cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo.
Ya que el flujo espontneo de calor es unidireccional, desde los
cuerpos de temperatura ms alta a los de temperatura ms baja
(Segunda ley), sera necesario un cuerpo con menor temperatura que
el cero absoluto; y esto es imposible.
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Bibliografa
Chejne Janna F.. Notas de clase. Curso de optimizacin de
procesos. Universidad Nacional de Colombia. 2010. Chejne Janna F.
Notas de clase. Curso de modelamiento y simulacin de procesos
fisicoqumicos. Universidad Nacional de Colombia. 2010. Hoyos
Madrigal B. Fundamentos de termodinmica clsica para ingeniera.
Universidad Nacional de Colombia. consultado en lnea, 2007. Smith J
M. Introduccin a la Termodinmica en ingeniera qumica. Howell J.
Principios de termodinmica para ingenieros. 1990 Muller E.
Termodinmica Bsica. Segunda Edicin. Universidad Simn Bolvar.
Venezuela. 2002.
