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Termodinámica
Unidad 1. Conceptos Básicos de
Termodinámica
Termodinámica y la Energía
- La palabra termodinámica se origina del griego y significa literalmente elestudio de las fuerzas (dynamis) que originan el calor (thermo).
• La definición original ya no es válida pues la termodinámica no sólo estudia elcalor, sino todo tipo de formas de energía (mecánica, eléctrica, química,nuclear, etc.).
• Se podría decir que la termodinámica es la ciencia que estudia lastransformaciones energéticas.
Termodinámica y la Energía
¿ Y qué es la energía?
Termodinámica y la Energía
¿ Y qué es la energía?
En termodinámica se define como la capacidad de producir cambiosa un sistema.
Conceptos Básicos
Sistema. Un sistema se define como unacantidad de materia o una región en elespacio elegida para su análisis.
Alrededores. Es la masa o región fueradel sistema.
Frontera. Es la superficie real oimaginaria que separa al sistema de susalrededores.
Sistema Cerrado (Masa de Control)
Consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar sufrontera. Pero, la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar lafrontera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.
Sistema Abierto (Volumen de Control)
Es aquel que intercambia materia a través de sus fronteras.Observemos que los sistemas abiertos pueden (y en general lohacen) intercambiar energía (calor, trabajo, etc.) a través de susfronteras.
Propiedades de un Sistema
Cualquier característica de un sistemase llama propiedad.
Las propiedades intensivas sonaquellas independientes a la masa deun sistema.
Las propiedades extensivas sonaquellas cuyos valores dependen deltamaño o extensión del sistema.
Estado y Equilibrio
Estado es la condición del sistemadefinida por sus propiedadestermodinámicas. Si un sistema en dosmomentos distintos presenta losmismos valores de sus propiedades, sedice que estuvo en el mismo estado enambos instantes.
Estado y Equilibrio
La palabra equilibrio define un estado de balance.
• Equilibrio térmico: si tiene la misma temperatura en todo élsistema.
• Equilibrio mecánico: se relaciona con la presión, y un sistema loposee si con el tiempo no hay cambio de presión en alguno desus puntos.
• Equilibrio químico: si su composición química no cambia con eltiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas.
Proceso
Se denomina proceso a la transformación de un estado a otro,
siendo el camino del proceso la serie de estados a través de los
cuales pasa.
Proceso
Algunos procesos se caracterizan por mantener alguna variable
termodinámica constante y por lo tanto se le asignan nombres
especiales. Entre otros, se pueden mencionar los de la siguiente
tabla:
Proceso
Cuando un proceso se desarrolla
de tal manera que todo el
tiempo el sistema permanece
infinitesimalmente cerca de un
estado de equilibrio, estamos
ante un proceso cuasiestático, o
de cuasiequilibrio.
Ciclo
Un ciclo es un proceso que comienza y termina en un mismoestado. Las propiedades varían durante el transcurso del ciclo, peroal volver al estado inicial todas las propiedades vuelven a tomar susvalores originales.
Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica establece que dos cuerpos están
en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de
temperatura incluso si no están en contacto.
Conversión de Temperatura
Tipos de Energía
En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar dos
grupos para las diversas formas de energía que conforman la
energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas.
Energía Macroscópicas
Son las que posee un sistema como un todo en relación con cierto
marco de referencia exterior. La energía macroscópica de un
sistema se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos
factores externos como la gravedad, el magnetismo, la electricidad
y la tensión superficial.
Energía Macroscópicas
Energía cinética (EC).
La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento
en relación con cierto marco de referencia.
Por unidad de masa
La energía cinética
de un cuerpo sólido
que gira se
determina mediante:
Energía Potencial (EP)
Es la energía que posee un sistema como resultado de su
incremento de altura en un campo gravitacional.
Los efectos magnético, eléctrico y de tensión superficial son
significativos sólo en casos especiales y en general se ignoran.
Energía Macroscópicas
Por unidad de masa
Calcule la energía cinética total, en kJ, de un objeto cuya masa es
de 100 kg, y cuya velocidad es de 20 m/s.
Calcule la energía potencial total, en kJ, de un objeto cuya masa
es de 20 kg, cuando está ubicado a 20 m debajo de un nivel dado,
en una ubicación donde g = 9.5 m/s2.
Sistemas estacionarios. En los sistemas cerrados cuya velocidad y
altura del centro de gravedad permanecen constantes durante un
proceso. No experimentan cambios en sus energías cinética y
potencial.
La mayor parte de los sistemas cerrados permanecen estacionarios durante un proceso y, por lo tanto, no experimentan cambios en sus energías cinética y potencial. Los sistemas cerrados cuya velocidad y altura del centro de gravedad permanecen constantes durante un proceso generalmente se denominan sistemas estacionarios.
Los volúmenes de control en general están relacionados con el flujo de un fluido durante largos periodos.
flujo másico (ṁ) , es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo.
flujo volumétrico definido como el volumen de un fluido que fluye por una seccióntransversal por unidad de tiempo
Eficiencia en la conversión de energía
Eficiencia es uno de los términos más usados en termodinámica, e
indica qué tan bien se realiza un proceso de conversión o
transferencia de energía.
El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida
deseada y la entrada requerida, de la siguiente manera:
Ecuación de estado de gas ideal
El gas ideal es un gas hipotético formado por un grupo de
partículas las cuales se mueven de forma aleatoria pero que estas
no presentan una interacción entre ellas.
Cuando existen condiciones normales (en presión y temperatura) la
mayoría de los gases (oxigeno, hidrogeno, nitrógeno, dióxido de
carbono, etc.) se comportan como un gas ideal.
El modelo que se conoce de gas ideal falla cuando se maneja a
temperaturas bajas o cuando hay presión elevada.
Sustancia Pura
- Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquierparte se llama sustancia pura.
- Una sustancia pura es el sistema más sencillo que podríamos idear yestaría constituido por un solo componente químico que puede estaren una o varias fases a la vez.
- Ejemplos: El agua, el nitrógeno, el aire, etc
Proceso de cambio de fase en sustancias puras
Hay muchas situaciones prácticas donde dos fases de una sustancia pura
coexisten en equilibrio. Algunos ejemplos son: el agua existe como una
mezcla de líquido y vapor en la caldera, y el refrigerante pasa de líquido a
vapor en el congelador de un refrigerador.
Proceso de cambio de fase en sustancias puras
Liquido comprimido
Liquido Saturado
Vapor Saturado
Vapor Sobrecalentado
Proceso de Cambio de fase en sustancias Puras
EJEMPLO. Un recipiente rígido contiene 50 kg de agua líquida saturada a 90 °C. Determinela presión en el recipiente y el volumen del mismo.
EJEMPLO. Un dispositivo que consta de cilindro-émbolo contiene 2 pies3 de vaporde agua saturado a 50 psi a de presión. Determine la temperatura y la masa delvapor dentro del cilindro.
Diagrama Temperatura-volumen
T-v
Diagramas de Propiedades para Procesos de Cambio de Fase
Diagramas de Propiedades para Procesos de Cambio de Fase
Diagrama Presión-volumen P-v
Diagrama Presión-Temperatura
P-T
Diagramas de Propiedades para Procesos de Cambio de Fase
Entalpia
La entalpía es la cantidad de energía contenida en una sustancia, la
variación de esta medida muestra la cantidad de energía atraída o
cedida por un sistema termodinámico, es decir, la proporción de energía
que un sistema transfiere a su entorno.
Mezcla saturada de líquido-vapor
EJEMPLO
Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a 90 °C. Si 8 kg del agua
están en forma líquida y el resto como vapor, determine:
a) la presión en el recipiente.
b) el volumen del recipiente.
EJEMPLO
Un recipiente de 80 L contiene 4 kg de refrigerante 134a a una presión de
160 kPa. Determine:
a) la temperatura,
b) la calidad.
c) la entalpía del refrigerante
d) el volumen que ocupa la fase de vapor.
EJEMPLO
Determine la energía interna del agua a 20 psia y 400 °F.
EJEMPLO
Determine la temperatura del agua en un estado donde P =0.5 MPa y h
=2.890 kJ/kg.
Complete esta tabla para el H2O:
Complete esta tabla para el refrigerante 134a:
EJEMPLO. Una masa de 200 gramos de agua líquida saturada se evapora porcompleto a una presión constante de 100 kPa. Determine a) el cambio de volumen yb) la cantidad de energía transferida al agua.
Entalpia: Calor involucrado durante una reacción química o durante un proceso apresión constante
Ecuación de estado de gas ideal
-P es la presión absoluta,
- T es la temperatura absoluta
- v es el volumen específico.
- R es la contante del gas, es
diferente para cada gas.
- Ru es la constante universal de los gases
- M es la masa molar
Ecuación de estado de gas ideal
m= masa de un sistema
M= masa molar
N= número de moles
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