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MAGNITUDES

Y ENERGÍA

Ing. Danny Zelada Mosquera

• Estudio macroscópico de las

transformaciones de la energía

y de las propiedades de las

sustancias involucradas.

• Sus leyes son restricciones

generales de la naturaleza.

Áreas de aplicación

•Motores de combustión interna

•Turbinas

•Compresores y bombas

• Sistemas de propulsión para aviones y cohetes

•Sistemas de combustión

•Sistemas Criogénicos

•Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado

•Bombas de calor

•Equipos electrónicos de enfriamiento

•Sistemas de energía alternativa

•Termoeléctrica y dispositivos termoiónicos

•Aplicaciones biomédicas

•Sistemas geotérmicos

TERMODINÁMICA:

• 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.

SISTEMA, FRONTERA Y ALREDEDORES:

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS:

Sistema AisladoSistema Cerrado (masa de

control

Gas contenido en un sistema cilindro - pistón

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS:

Sistema Abierto (Volumen de Control)

Motor de automóvil

SISTEMAS TERMODINÁMICOS:

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS:

• 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.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS:

• Propiedad: Cualquier cantidad que sirva para describir un sistema

INTENSIVAS:

No dependen de la masa

• Temperatura.

• Presión.

• Densidad.

• Volumen específico.

• Peso específico.

EXTENSIVAS:

Dependen de la cantidad de materia

• Masa.

• Volumen.

• Peso.

• Energía.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS:

• PROPIEDADES ESPECÍFICAS

específicovolumenm

Vv molarvolumen

n

VV

Resultan al ser divididas entre la masa “m” y se representan por suequivalente en letras minúsculas.

Cuando se dividen entre el número de moles “n”, se representan por suequivalente con una línea en la parte superior.

Ejemplos:

específicaernaintenergíam

Uu molarernaintenergía

n

UU

V

mρ

volumen

masaDensidad ;

V = 250cm3

m = 4825g

• Es el volumen ocupado por unidad

de masa de un material.

• Es la inversa de la densidad, por lo

cual no dependen de la cantidad de

materia

m

V

masa

volumenEspecíficoVolumen ;

• Es la relación que existe entre el peso

y el volumen de un cuerpo.

• Para sustancias homogéneas se

define:

• Unidades:

N/m3, lbf /pie3

• Se conoce que: w = m.g

Entonces:

V

w

volumen

pesoEspecíficoPeso ;

g .

• Llamada también densidad relativa.

• Es el cociente de la densidad de una sustancia

entre la densidad del agua a 4ºC cuyo valor es

1000kg/m3.

• Ejemplos:

agua

xxSG

Acero (7800 kg/m3) SGacero = 7.80Latón (8700 kg/m3) SGlatón = 8.70Madera (500 kg/m3) SGmadera = 0.500

• Relación entre la fuerza normal a una superficie y su área respectiva:

• Todos las columnas del fluido, tienen la misma altura.

PRESIÓN A UNA PROFUNDIDAD “h”:

Para un fluido en reposo:

• Considerando: p2 = p0, además y2 – y1 = h

• Esto indica que la presión en un punto, sólo depende de la profundidad “h” y no de la forma del recipiente.

• Al valor de g h, se le conoce como presión manométrica.

PRESIÓN A UNA PROFUNDIDAD “h”:

hgpp o 1

• En un fluido en reposo, a una misma profundidad, la presión es la misma en todas las direcciones.

PRESIÓN A UNA PROFUNDIDAD “h”:

• Presión que ejerce el aire atmosférico a causa de su peso.

• Se mide con el barómetro.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA: (PO)

• Se emplean para medir pequeñas

diferencias de presiones.

MANÓMETROS:

• Presión que se mide por debajo de la presión atmosférica.

• Presión negativa.

• Se mide con los vacuómetros o manovacuómetros.

PRESIÓN DE VACÍO:

PRESIÓN ABSOLUTA:

TEMPERATURA:

• Medida que indica que tan caliente o frio está uncuerpo.

• Muchas de las propiedades de la materia cambiancon la temperatura.

• Es una propiedad intensiva que indica el nivel deenergía es decir actividad molecular, que tiene uncuerpo.

• Es la única propiedad suficiente para determinar sidos cuerpos están en equilibrio térmico.

• Se mide observando el cambio de una propiedadcon la temperatura de un cuerpo patrón, se debedefinir una escala de temperatura y poner los doscuerpos en contacto.

• Se mide con el termómetro.

• El funcionamiento de un termómetro, generalmentese fundamenta en el fenómeno de expansión.

TEMPERATURA:

• Escalas Termométricas:

TEMPERATURA:

• Equilibrio Térmico: se determinacuando se detiene latransferencia de calor.

• Dos cuerpos están en equilibriotérmico si indican la mismalectura, incluso si no seencuentran

• en contacto.

• Ley cero de la termodinámica: ,(R. H. Fowler – 1931), estableceque si dos cuerpos se encuentranen equilibrio térmico con untercero, están en equilibriotérmico entre sí.

FASE Y EQUILIBRIO TERMODINÁMICO:

Fase: Es una condición homogénea de la sustancia, existe sólida, líquida y gaseosa.

Cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física.

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.

Equilibrio de Fase: 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: Condición descrita al dar valores a sus propiedades.

Proceso: Cuando un sistema cambia de un estado de equilibrio a otro, el curso de estados sucesivos.

Ciclo: Cuando un sistema en un estado inicial determinado experimenta una serie de procesos y regresa a su estado inicial.

ESTADO, PROCESO Y CICLO TERMODINÁMICO:

• Llamados también de cuasiequilibrio.

• 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.

• Se desarrollan de tal manera que todo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio.

• Pueden representarse en una gráfica (sucesión de puntos de equilibrio).

• Ejm: Compresión y expansión de gases en un motor de combustión.

PROCESOS CUASIESTÁTICOS:

Térmica

Mecánica

Eléctrica

Magnética

Química

Nuclear

ENERGÍA:

Capacidad para producir trabajo:

MACROSCÓPICAS

Energía Externa.

• Son las que posee un sistema como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior

• Se originan por la posición y movimiento de un sistema.

• Energía potencial y energía cinética.

FORMAS DE ENERGÍA:

MICROSCÓPICAS

Energía Interna (U).

• Grado de actividad molecular: energía cinética y potencial.

• Independiente de los marcos de referencia externos.

FORMAS DE ENERGÍA:

• Energía de flujo (Em)

• EnergíaCinética (Ek)

• Energía Potencial (Ep)

Se puede convertir

completamente en

trabajo.

V.p

2

2vm

hgm

ENERGÍA MECÁNICA:

ENERGÍA MECÁNICA:

• Por lo tanto:

• Por unidad de masa:

• Por unidad de tiempo:

donde es el flujo másico:

h.g.mv.mV.pEmec 2

2

1

h.gvp

emec

2

2

1

h.gvp

me.mE mecmec

2

2

1

m promt v.A.V.m

• Energía que se transfiere entre dos sistemas, por diferencia de temperaturas.

• Energía en transición.

• Convención de signos: Calor que Entra al sistema es POSITIVO. Calor que Sale del sistema es NEGATIVO.

CALOR (Q):

• Depósito de calor: atmósfera, océano, horno, etc.• Proceso adiabático: Q =0.• Unidad SI: joule (J); unidad inglesa: BTU.

Otra unidad: caloría (cal).1cal = 4,1868 J (equiv. Mecánico)1BTU = 1055 J1BTU = 252,16 cal

• Calor por unidad de masa:

• Tasa de transferencia de calor:

• Formas de transferencia:ConducciónConvecciónRadiación

CALOR (Q):

kg/Jm

Qq

s/JQ

• Interacción de energía que ocurre entre un sistema y sus alrededores.

• Unidad SI: joule (J) o kilojoule (kJ).

TRABAJO (W):

• Convención de signos: Trabajo positivo y trabajo negativo:

TRABAJO (W):

ds.FW

TRABAJO MECÁNICO (W):

• Expansión o compresión de un gas en

un dispositivo de cilindro émbolo.

• Se denomina también trabajo de

frontera móvil o trabajo p dV.

• Trabajo positivo: trabajo producido

por el sistema (expansión).

• Trabajo negativo: trabajo es hecho

sobre el sistema (compresión).

• Para un proceso cuasiestático:

• En un diagrama p – V, el área bajo la

curva es equivalente al trabajo

TRABAJO DE PROCESOS CUASIESTÁTICOS:

21

dVpW

• Para un proceso a volumen

constante (isométrico):

W = 0

• Para un proceso a presión

constante (isobárico):

• Para un proceso a

temperatura constante

(isotérmico):

)VV(pW 12

1

2

V

VlnCW

TRABAJO DE FRONTERA MÓVIL:

• Se rigen por la ecuación:

p . V n = C

• El trabajo se determina por:

C = p1V1n = p2V2

n

1 < n < 5/3.

n

VpVpW

11122

n

)TT(RmW

112

TRABAJO PARA PROCESOS POLITRÓPICOS:

• Formado por una serie de

procesos termodinámicos de

tal manera que el sistema

regresa a su estado inicial.

• La variación de las

magnitudes termodinámicas

propias del sistema es nula;

excepto el calor y el trabajo.

TRABAJO EN UN CICLO TERMODINÁMICO:

• Considerando a cada uno de

los procesos que conforman el

ciclo como cuasiestáticos, el

trabajo neto está dado por :

• Ciclo en sentido horario:

trabajo neto positivo.

• Ciclo en sentido anti horario:

trabajo neto negativo.

41342312 WWWWW

dVpW

neto

neto

TRABAJO EN UN CICLO TERMODINÁMICO:

• Conocida también como el principio de conservación de la energía, brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas de interacción de energía.

• Balance de energía:

Donde:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

sistemasalidaentrada EEE

inicialfinalsistema EEE

• En ausencia de fenómenos eléctricos,

magnéticos tenemos:

• Para sistemas estacionarios:

Entonces:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

mecsistema EUE

UEsistema

UEE salidaentrada

• Para sistemas cerrados:No existe flujo másico.

El calor y el trabajo son las únicas

formas de interacción de energía.

Asumiendo una transferencia del sistema

(calor positivo) y un trabajo producido por

el sistema (trabajo positivo), tenemos:

O simplemente:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

sistemasalida,netoentrada,neto EWQ

sistemaEWQ

• Para sistemas cerrados:En el caso de sistemas estacionarios, la

expresión anterior se reduce a:

Por unidad de masa:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

UWQ J, kJ

uwq J/kg, kJ/kg

• Para sistemas cerrados:En el caso de sistemas estacionarios, la

expresión anterior se reduce a:

Por unidad de masa:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

UWQ J, kJ

uwq J/kg, kJ/kg

• Para un ciclo termodinámico:La variación de las magnitudes termodinámicas propias del

sistema es nula: E = 0; entonces:

Como flujos:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

J, kJ

J/s, kJ/s

salida,netoentrada,neto WQ

salida,netoentrada,neto WQ