TERMODINAMICA1 Conceptos Basicos - …. Es difícil dar una definición precisa de ella. Se podría definir como:-Es la capacidad de producir cambios.-Es la capacidad que tiene un

Prof. Carlos G. Villamar Linares

Ingeniero Mecánico

MSc. Matemáticas Aplicada a la Ingeniería

TERMODINAMICA 1

Conceptos Basicos

Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA1

CONCEPTOS BASICOS

CONTENIDO

DEFINICIONES BASICASDefinición de Termodinámica, sistema termodinámico, límites del sistema, tipos de límites, sistemacerrado, sistema abierto, volumen de control, sistema aislado.Dimensiones, unidades. Estado, propiedades termodinámicas, clasificación de las propiedades, fase,cambios de fase. Ley cero de laTermodinámica.

PROCESOSTERMODINAMICOS.Estado de equilibrio termodinámico, definición de procesos, proceso de cuasiequilibrio, procesosisotérmicos, isobáricos, isométricos. Procesos de expansión y compresión, ciclos, representación deprocesos en diagramas termodinámicos.


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.

CONCEPTOS BASICOS


CONCEPTOS BASICOS


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)

CONCEPTOS BASICOS

TERMODINAMICA.-Es la ciencia de la energía.

-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.


CONCEPTOS BASICOSÁreas de Aplicación. Ejemplos.

Turbina Pelton, Francis y KaplanCentral HidroeléctricaBomba CentrifugaMotor DieselTurbina de Gas de PotenciaTurbina de Gas de Avión Ciclo de Potencia Combinado Brayton – RankineCentral Termoeléctrica NuclearCiclo de Refrigeración


CONCEPTOS BASICOSTipos de Termodinámica.- Termodinámica Clásica: Se aplica un estudio macroscópico de la sustancia, no se requiere conocer elcomportamiento individual de cada partícula. Proporciona una manera fácil y directa de resolver problemas deingeniería.

- Termodinámica Estadística: Estudia las sustancias desde un punto de vista microscópico y molecular, este es unenfoque mas elaborado con base al comportamiento promedio de grandes grupos de partículas. Su estudio se basaen la mecánica quántica y la mecánica estadística.

Átomos Moléculas Sustancia


VACIOPara efectos de comparación, si un átomo tuviese eltamaño de un estadio, el núcleo sería del tamaño de unacanica colocada en el centro, y los electrones, comopartículas de polvo agitadas por el viento alrededor de losasientos.Elementos de la tabla periódica (O, N, Fe, He, Cr, etc)

Partícula neutra formada por un conjunto de atomos ligados por enlaces covalentes. Ejm. O2, O3, N2, P4, H2O, NH3, Etc.

CONCEPTOS BASICOS

DIMENSIONES Y UNIDADES.Dimensiones: Son nombres arbitrarios utilizados para caracterizar cantidades físicas, las magnitudes asociadas a las dimensiones se llaman Unidades.


UNIDADES BASICASDimensiones primarias o fundamentales.

Dimensión Unidad (SI) Unidad (USCS)

Masa Kg lb-m

Longitud m ft

Tiempo s s

Temperatura K R

Corriente Eléctrica A ACantidad de Substancia mol mol

Fuerza ****** lb-f

CONCEPTOS BASICOSDimensiones Secundarias: Son dimensiones que se expresan en términos de lasdimensiones primarias, por ejemplo volumen, presión, área.

En el Sistema [SI] la FUERZA es una dimensión secundaria.F = m a [Kg m/s2] = [N]Representa la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 Kg. En 1 m/s2

En el sistema [USCS] la FUERZA es una dimensión primaria. Esto genera una fuente deconfusión entre lb-m y lb-f


2

c

c

c 2

m aF [lbm f / s ]

g

Donde

g Cons tan te de proporcionalidad

lbm ftg 32.174

s lbf

= −

=

=

c 2

Kgm mg 9.81

s Kgf=

En el sistema técnico.

gc = 1 En el [SI]

Todos los términos en una ecuación deben tener homogeneidad dimensional.

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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 [�]

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CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES.•Propiedades Intensivas: Son independientes del tamaño del sistema, por ejemplo latemperatura, presión, densidad.

•Propiedades extensivas:Dependen del tamaño del sistema, es decir al variar el tamaño delsistema también cambia la propiedad, por ejemplo la masa, volumen, energía total.

V, m, T, P, ρ

(1/2)V(1/2) mTPρ

(1/2)V(1/2) mTPρ

CONCEPTOS BASICOS


CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES.

•Propiedades especificas: Es una propiedad independiente de la masa del sistema, es unapropiedad extensiva dividida entre la masa, se denota con letras minúsculas, por ejemplo elvolumen especifico (v), la energía interna especifica (u).Todas las propiedades especificas son intensivas pero no todas las propiedades intensivas sonespecificas, por ejemplo la presión, temperatura, masa.

•Propiedad dependiente: La dependencia indica que al variar una propiedad también varíaotra.

•Propiedad independiente: Son propiedades que no se ven afectadas por el cambio de otrapropiedad.

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•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

AbiertoSistema MasaVariable

Cerrado

Limites Móviles.

Limites Fijos

Limites Reales.

Limites Imaginarios

Sistema (según tipo de fronteras)

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• Sistema Cerrado (masa de control): Permite el intercambio de energía con los alrededores pero sin intercambio de masa.

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)

EnergíaEntrada de Masa

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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.- Limites Imaginarios: No existen físicamente.

Volumen de

Control

Limite Real

Móvil

Limite Real Fijo

Limite Imaginario

- Sistema Aislado: Es un caso especial en el que no existe intercambio de materia ni energía con los alrededores.

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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.

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.

30°C 30°C30°C

30°C30°C 30°C

30°C30°C

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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.

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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.

PROCESOS CICLICOS.Son procesos cualesquiera que regresan al punto de partida, el estado final es igual al estado inicial.Por lo tanto

Proceso 1-2

Trayectoria

1

2

CICLO

d(Pr opiedad)0

dt = Proceso 1-2

Trayectoria

1

2

Ciclo

1 = 2

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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.

• 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.Patm= 101300 N/m2 = 101300 Pa = 101.3 kPa≈ 1 bar = 14.6959 psia ≈ 14.7 psia

FP

A=

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También podemos expresar la presión como el peso de una columna de fluido

V = h A (Volumen = Altura * Area)

mm V

VF m g

Por tan to

F m g V g h A gP

A A A AP g h h

ρ = → = ρ

=

/ρ ρ= = = =/

= ρ = γ

La expresión anterior representa la presión en el fondo de una columna de fluido.

h

d

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Escala de Presiones.

Patm

P manométrica

P absoluta de vacío Patm

P absoluta

P vacío

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.

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Pabs = Patm + Pman

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

P a medir

CONCEPTOS BASICOS


TEMPERATURA.

• 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.

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K = °C + 273 R = °F + 460∆K = ∆°C ∆R = ∆°F

Escalas de Temperaturas

- 273 0 - 460 0

100 373 212 672

0 273.15

≈ 273

32 491.67 ≈ 492

Temperatura de

ebullición del agua

a 1 atm

Temperatura de

Fusión del agua

a 1 atm

°C K °F R

°F = 1.8 °C + 32 Escala Relativa°C = (°F – 32) / 1.8 Escala RelativaR = 1.8 K Escala AbsolutaK = R / 1.8 Escala AbsolutaR = 1.8 °C + 492 Escala Absoluta

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LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.

Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre si.

A

B C

A

B C

Si A se encuentra en equilibrio térmico con B y 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.

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TERMODINAMICA1 Conceptos Basicos - …. Es difícil dar una definición precisa de ella. Se podría definir como:-Es la capacidad de producir cambios.-Es la capacidad que tiene un