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UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÌA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICASGUIA - TALLER N°

NOMBRE DE LA ASIGNATURA: FÍSICA TÉRMICATÍTULO: TERMODINÁMICADURACIÓN: 4 semanasBIBLIOGRAFÍA SUGERIDA:AUTOR:

HABILIDADES A DESARROLLAR

- Coordinar, integrar y aplicar a fenómenos reales los conceptos básicos estudiados en esta sección.

- Abordar y aplicar los conceptos estudiados a problemas termodinámicos específicos.

- Sugerir y proponer o diseñar problemas conceptuales que involucren los conocimientos adquiridos.

- Analizar y abordar situaciones problémicas con cierto grado de complejidad y que involucre las temáticas tratadas, con el perfil profesional de cada estudiante

CONCEPTUALIZACI ÓN|:

1.- DEFINICIONES GENERALES:

1.1.- Termodinámica: Ciencia que estudia la enrgía, sus transformaciones y aplicaciones.

1.2.- Sistema termodinámico: Parte del universo físico que se desea estudiar. Se encuentra separado por el complemento de dicho universo (alrededores del sistema ) por unos límites.

1.2.1. Tipos de sistemas: los sistemas termodinámicos se encuentran clasificados en tres tipos.

1.2.1.1. Sistemas abiertos: Aquellos donde se intercambia (transferencia) materia y energía con los alrededores.

1.2.1.2. Sistemas cerrados. Realizan solamente transferencia de energía con los alrededores.

1.2.1.3. Sistemas. No transfieren ni materia ni energía con los alrededores.

1.2.2. Límites de los sistemas. Los sistemas tienen tres formas usuales (o sus combinaciones) con que se separan de los alrededores.

1.2.2.1. Límites rígidos. Normalmente son partes extremas que presentan los sistemas y que no presentan modificaciones físicas ante cambios realizados en los sistemas.

1.2.2.2. Límites flexibles. Son aquellos que pueden cambiar de forma (que involucran cambios de volumen o área) ante cambios realizados en o sobre el sistema.

1.2.2.3. Límites imaginarios. Son aquellos que n involucran fronteras físicas debido a restricciones impuestas bien sea por extensión o requerimientos técnicos (por ejemplo, análisis de partes del comportamiento de un equipo).

1.3.- Estado termodinámico: condiciones (en cuanto a propiedades ) en las que se encuentra un sistema termodinámico en un momento determinado. Las propiedades hacen referencia a características que describen el comportamiento estructura o conformación del sistema (materia o sustancia) y se pueden presentar de dos formas.

1.3.1. Propiedades extensivas. Dependen de la cantidad de materia.

1.3.2. Propiedades intensivas. Independientes de la cantidad de materia.

1.4.- Fase: Característica que me indica condiciones de separabilidad o agregación en que se encuentran las partículas (moléculas) que conforman las sustancias. En una misma fase se encuentra una infinidad de estados. Cuando hay un cambio de fase hay un cambio abrupto (significativo) de propiedades como el volumen y la densidad. Se puede afirmar que cuando hay un cambio de fase hay un cambio de estado pero cuando hay un cambio de estado no necesariamente hay un cambio de fase.

1.5.- Proceso termodinámico: Cuando un sistema es perturbado de una condición de equilibrio (estado constante en el tiempo o estacionario), en el sistema se opera un cambio de estado es decir que el sistema sufre cambios en una o varias de sus propiedades. Un proceso termodinámico implica un cambio de estado. Hay diferentes tipos de procesos termodinámicos, dentro de los más comunes se tienen:

1.5.1. Procesos isobáricos. El cambio se realiza a presión constante.

1.5.2. Procesos isométricos o isocóricos. A volumen constante.

1.5.3. Procesos isotérmicos. A temperatura constante.

1.5.4. Procesos adiabáticos. Sin transferencia de calor.

1.6.- Función de estado. Son aquellas que tienen en cuenta únicamente las condiciones iniciales y finales de un proceso de transformación.

1.7.- Funciones de trayectoria. Estas involucran el recorrido o procesos intermedios que se presentan en un proceso global.

2.- PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.

2.1.- Enunciado: La primera ley de la termodinámica hace referencia a la conservación de la energía: � La energía no se crea ni se destruye, se transforma� y su expresión matemática general es:

WQUEEWQdUdEdE pcpc ±±=∆+∆+∆∴±±=++ δδ

Donde los tres términos del primer miembro son funciones de estado y los dos términos del segundo miembro son funciones de trayectoria. Esta ecuación se aplica a los diferentes tipos de sistemas pero en el curso solamente veremos una aplicación en sistemas cerrados.

2.2.- Primera ley aplicada a gases ideales en sistemas cerrados: La ecuación de la primera ley aplicada a sistemas cerrados es;

WQUWQdU ±±=∆∴±±= δδ

Al aplicar la primera ley a los gases ideales en sistemas cerrados para los procesos anteriormente indicados determinan características específicas para cada uno de ellos, así:

2.2.1. Procesos isocóricos.

W=0

ΔU=Q= ∫ dTCv

2.2.2. Procesos isobáricos.

W=PΔV

ΔH=Q= ∫ dTC p

2.2.3. procesos isotérmicos.

ΔU=ΔH=0

Q=W=RTln(V2/V1)

2.2.4. Procesos adiabáticos.

Q =0

v

pv C

CPVTRTCUW =−

∆−=−∆−=∆−=∆−= γ

γγ,

1)(

1

1

2

1

1

1

2

1

2

−−

=

=

γγ

γ

VV

PP

TT

3.- SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.

La primera ley de la termodinámica plantea el principio de conservación de la energía, pero no indica el sentido en que se pueden dar (en forma natural o espontánea) los procesos, la segunda ley nos presenta esa posibilidad y nos define una propiedad (entropía) que nos facilita la determinación del sentido lógico de los procesos. Se presenta mediante dos postulados que implican negación.

3.1.- Postulados:

3.1.1. De Kelvin-Planck. � Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo termodinámico donde la única función sea producir trabajo y donde únicamente se transfiera calor desde los alrededores (fuente)� , es decir cuyo rendimiento térmico (también llamadodo eficiencia o COP) sea del 100%. El rendimiento, en general, para una máquina que opera en un ciclo termodinámico se define como la relación entre energía útil y energía que cuesta; específicamente para una maquina térmica (como fracción y después de aplicar la primera ley de la termodinámica) es

H

C

H

C

H

CH

Htérmico T

TQQ

QQQ

QW

cuestaqueénergíaútilenergía −=−=

−=== 11η

3.1.2. De Clausius.� Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo termodinámico cuya única función sea la de transmitir calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente� esto implicaría un rendimiento (también llamado coeficiente de realización o COP) tendiendo a infinito. El rendimiento para un refrigerador o bomba de calor es:

1

1

1

1

−=

−=

−===

C

H

C

HCH

CC

TT

QQQQ

QWQ

cuestaqueénergíaútilenergíaβ

3.2.- Entropía. Esta propiedad termodinámica (extensiva como tal y función de estado) es consecuencia de la segunda ley de la termodinámica y se define para un proceso reversible como:

∫=∆=TQS

TQdS RR δδ ,

Se considera que es la medida del desorden de un sistema.

Todos los procesos se dirigen en un sentido tal que el cambio total de la entropía sea positivo (involucrando el sistema y sus alrededores), aproximándose a cero como un límite en la medida en que un proceso tiende a condiciones de reversibilidad, es decir:

0≥∆ totalS

EJEMPLOS

Como esta presentación es una guía de trabajo, El docente mostrará los correspondientes ejemplos en las sesiones de clase respectivas (además como se asume pleno dominio de los temas es su responsabilidad asistir a sus estudiantes en la solución de problemas asignados para reforzar la fundamentación teórica y que no se presentan en este trabajo)

EJERCICIOS

1.1. De diez ejemplos de sistemas termodinámicos indicando el tipo de sistema y los o el límite que lo identifiquen.

1.2. Diseñe doce problemas (tomados de la vida cotidiana, medio ambiente o de procesos industriales que ud. Conozca) donde se identifique el sistema, tipo de sistema, limites de sistema y proceso termodinámico.

1.3. Realice los diagramas de fases P vs T, P vs V y T vs V del agua e indique tres isotermas, isóbaras e isocoras diferentes en cada uno. Indique y defina las fases, punto triple y punto crítico.

2.1. Defina y establezca las diferencias o relaciones que hay entre: Energía, energía cinética, energía potencial, energía interna, temperatura, fuerza, calor y trabajo. Qué propiedad me define la primera ley? Qué es?

2.2. Indique las características que definen un gas ideal.

2.3. Cuándo un gas real se comporta como gas ideal?

2.4. Indague sobre tres ecuaciones de gases reales y una de sólidos y líquidos indicando sus variables, constantes y/o forma de obtención.

2.5. Determine la relación que hay entre las capacidades caloríficas en un gas ideal.

2.6. Muestre el desarrollo matemático elaborado para obtener las ecuaciones de los diferentes procesos mostrados, en gases ideales.

2.7. Qué es entalpía? Qué relación tiene con los calores latentes? Explique

2.8. Qué es equilibrio termodinámico? Qué equilibrios implica? Explique.

2.9. Qué diferencias o relaciones hay entre puntos de burbuja y rocío con ebullición y condensación?

3.1. Qué son las máquinas térmicas y los refrigeradores? Mediante diagramas esquemáticos represente los ciclos, procesos y sentido de dichos procesos que representan dichas máquinas. Realice el balance de energía para cada ciclo y compruebe las ecuaciones de rendimiento expresadas anteriormente.

3.2. Qué es el ciclo de Carnot? Que diferencia hay entre este y los ciclos presentados anteriormente de máquinas térmicas y refrigeradores? Indique los procesos involucrados en este ciclo y represéntelos en diagramas P-V y T-S.

3.3. Indague sobre los siguientes ciclos ideales: Rankine, Otto, Diesel, Stirling, Ericsson y Brayton; Indicando aplicaciones, procesos involucrados en cada uno, diagramas P-V y T-S que los identifican y rendimientos correspondientes.

3.4. Qué son procesos reversibles e irreversibles? Qué causa irreversibilidad en un proceso?

CREDITOS BIBLIOGRAFICOS Y/O INFOGRAFICOS

El estudiante puede consultar los diferentes textos de física y termodinámica básicos de nivel universitario que se encuentran en el mercado. A continuación sugerimos algunos de uso común.

Sears Francis W, et al., Física Universitaria, Vol. 1, Ed. Addison Wesley Longman.

Serway R. Jewett J., Física, vol.1, Ed. Thomson.

Alonso M., Finn E., Física, Ed. Pearson Education.

Van Wylen G., Sonntag R., Fundamentos de Termodinámica, Ed. Limusa

Smith j., Van Ness H., Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química, ed. McGraw-Hill

Sandler Stanley, Chemical And Engineering Thermodynamics, Ed. Jhon Wiley & Sons.