Introduccion a termodinamica

Antequera y Arq. T. Romero Pereira

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Fax:595-71-203627 Int. 208 CAMPUS UNIVERSITARIO DE ITAPÚA

SUB CA MPUS DE MA R Í A AUX I L I A DOR A

CARRERA DE EXTENCIÓN FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIA – CARRERA DE INGENIERIA AGRONÓMICA

MODULO DIDACTICO UNIDAD I – Introducción.

Conceptos y definiciones básicas:

TERMODINAMICA I

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Responsable: Ing. Elect. Juan Gualberto Gómez Núñez

Itapúa - 2011

PARAGUAY

Camino al Bicentenario de la Independencia del Paraguay 1811-2011


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Importancia de la Termodinámica para los Ingenieros.

Es un hecho cotidiano para cualquier estudiante de ingeniería, en cualquiera de sus especialidades, que el mundo se mueve gracias al uso de la ENERGÍA en todas sus formas conocidas: Cinética, potencial, térmica, mecánica, nuclear y toda otra que el lector pueda agregar a esta resumida lista.

La TERMODINÁMICA es una de las ciencias que se ocupa del uso y transformación de una de estas formas de la energía en otras, particularmente de CALOR en TRABAJO, en lo que a la especialidad del curso a desarrollar se refiere.

La termodinámica es la disciplina que dentro de la ciencia madre, la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre otras cuestiones la termodinámica se ocupa de analizar los efectos que producen los cambios de magnitudes tales como: la temperatura, la densidad, la presión, la masa, el volumen, en los sistemas y a un nivel macroscópico.La base sobre la cual se ciernen todos los estudios de la termodinámica es la circulación de la energía y como ésta es capaz de infundir movimiento.

Vale destacar que justamente esta cuestión fue la que promovió el desarrollo de esta ciencia, ya que su origen se debió a la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor.Entonces, desde este puntapié inicial, la termodinámica, se ha ocupado de describir cómo es que los sistemas responden a los cambios que se producen en su entorno, pudiéndose aplicar a una infinidad de situaciones, tanto de la ciencia como de la ingeniería, como ser: motores, reacciones químicas, transiciones de fase, fenómenos de transporte, agujeros negros, entre otras. Todas estas variables se pueden clasificar en dos grandes grupos: las variables extensivas, que dependen de la cantidad de materia del sistema, y las variables intensivas, independientes de la cantidad de materia.

Puntos de vista macroscópico y microscópico.

El enfoque macroscópico de la termodinámica tiene que ver con un comportamiento global, de conjunto. esta es la llamada termodinámica clásica. en ella no se usa directamente ningún modelo de la estructura de la materia en sus niveles molecular, atómico o subatómico. Aunque el sistema se ve afectado por la estructura molecular, o sea analizamos el conjunto de cambios que son perceptibles a simple vista.

el enfoque microscópico, conocida como Termodinámica estadística. tiene que ver directamente con la estructura de la materia. el objetivo de la termodinámica estadística es caracterizar mediante valores estadísticos el comportamiento promedio de las partículas que constituyen el sistema de interés.



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Sistemas de unidades

SISTEMAS ABSOLUTOS

Toman como unidades fundamentales la longitud, la masa y el tiempo. Se llaman absolutos porque sus unidades, tomadas del sistema métrico decimal, son independientes de cualquier otra magnitud física.

l.- SISTEMA M.K.S. ABSOLUTO (Metro, Kilogramo, Segundo).

El nombre del sistema está tomado de las iniciales de sus unidades fundamentales.

La unidad de longitud del sistema M.K.S. es el metro. Antiguamente se definía como la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre; pero como los meridianos terrestres no son todos de igual tamaño, se abandonó la anterior definición y se tomó la siguiente.

METRO: longitud del espacio recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo.

Cada país tiene una copia exacta del metro patrón en su propia oficina de pesas y medidas, que sirve para verificar las dimensiones de las demás reglas o cintas métricas que se fabriquen.

La unidad de masa del sistema M.K.S. es el Kilogramo.

KILOGRAMO es una masa igual a la del kilogramo patrón que se conserva en la Oficina Internacional de pesas y medidas.

Un kilogramo (abreviado: Kg.) es aproximadamente igual a la masa de un decímetro cúbico de agua destilada a 4°C.

La unidad de tiempo de todos los sistemas de unidades es el "segundo"

EL SEGUNDO se define como la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

2.-SISTEMA C. G. S. ABSOLUTO (Centímetro, Gramo, segundo).

El sistema C.G.S. llamado también sistema Cegesimal, es usado particularmente en trabajos científicos. Sus unidades son submúltiplos del sistema M.K.S. absoluto.

La Unidad de longitud: Es el CENTIMETRO, o centésima parte del metro.

La Unidad de masa: Es el GRAMO, o milésima parte del kilogramo.

La Unidad de tiempo: Es el SEGUNDO.



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Sistema absoluto

Sistemas Tecnico. Un sistema técnico de unidades es cualquier sistema de

unidades en el que se toma como magnitudes fundamentales la longitud, la fuerza, el tiempo y la temperatura.



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Sistemas termodinámicos. Concepto.

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Clasificación

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores. Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los

alrededores (su masa permanece constante). Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas termodinámicos.

Procesos.

En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.



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Clasificación

Proceso isocórico

Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto implica que el proceso no realiza trabajo presión-volumen, ya que éste se define como: ΔW = PΔV, donde P es la presión (el trabajo es positivo, ya que es ejercido por el sistema).

Aplicando la primera ley de la termodinámica, podemos deducir que Q, el cambio de la energía interna del sistema es: Q = ΔU para un proceso isocórico: es decir, todo el calor que transfiramos al sistema quedará a su energía interna, U. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura, Q = nCVΔT donde CV es el calor específico molar a volumen constante. En un diagrama P-V, un proceso isocórico aparece como una línea vertical

Proceso isobárico

Proceso Isobárico es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables

Proceso adiabático

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico. El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa. El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.



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Densidad

En física, la densidad (símbolo ρ) de una sustancia es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.

Ejemplo: un objeto pequeño y pesado, como una piedra de granito o un trozo de plomo, es más denso que un objeto grande y liviano hecho de corcho o de espuma de poliuretano.

La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3), aunque frecuentemente se expresa en g/cm3. La densidad es una magnitud intensiva

Donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen del determinado cuerpo.

Veamos algunos ejemplos:

Densidad del agua:

Densidad del plomo:



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Densidad del corcho:

Volumen especifico.

El volumen específico (v) 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. Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente peso y volumen pero el peso específico de ambos será igual. Este es independiente de la cantidad de materia considerada para calcularlo. A las propiedades que no dependen de la cantidad de materia se las llama propiedades intensivas. Dentro de estas están también por ejemplo el punto de fusión, punto de ebullición, el brillo, el color, la dureza, etc.

donde, V es el volumen, m es la masa y ρ es la densidad del material.

Se expresa en unidades de volumen sobre unidades de masa.

Ejemplo: .



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Densidad y peso específico

La densidad está relacionada con el grado de acumulación de materia (un cuerpo compacto es, por lo general, más denso que otro más disperso), pero también lo está con el peso. Así, un cuerpo pequeño que es mucho más pesado que otro más grande es también mucho más denso. Esto es debido a la relaciónP = m.g existente entre masa y peso. No obstante, para referirse al peso por unidad de volumen la física ha introducido el concepto de peso específico ρ que se define como el cociente entre el peso P de un cuerpo y su volumen:

ρ = P/V

El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. La relación entre peso específico y densidad es la misma que la existente entre peso y masa. En efecto:

ρ = P/V = m.g/V = δ.g

siendo g la aceleración de la gravedad. La unidad del peso específico en el SI es el N/m ³ o N.m-³.

Densidad relativa

La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón:

δ r = δ / δ p

LA PRESIONEl concepto de presión

Cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo deformable, los efectos que provoca dependen no sólo de su intensidad, sino también de cómo esté repartida sobre la superficie del cuerpo. Así, un golpe de martillo sobre un clavo bien afilado hace que penetre mas en la pared de lo que lo haría otro clavo sin punta que recibiera el mismo impacto. Un individuo situado de puntillas sobre una capa de nieve blanda se hunde, en tanto que otro de igual peso que calce raquetas, al repartir la fuerza sobre una mayor superficie, puede caminar sin dificultad. El cociente entre la intensidad F de la fuerza aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área S de dicha superficie se denomina presión:

p = F/S

La presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión, y cuanto menor sea la superficie para una fuerza dada, mayor será entonces la presión resultante.

Manómetro.

El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local.

En la mecánica la presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.



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La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el sistema internacional de unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional.

Presión manométrica.

Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica.

Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica.

, (para presiones superiores a la patm)

LA TEMPERATURA

El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico.



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El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico uno con otro dejan de

tener cualquier intercambio de calor.

Ley cero de la termodinámica.

Si los objetos A y B por separado están en equilibrio térmico con un tercer objeto, C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí si se ponen en contacto térmico.

Otra interpretación de la ley cero de la termodinámica que establece:

Si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo C y un cuerpo B también está en equilibrio térmico con el cuerpo C, entonces los cuerpos A y B están en equilibrio térmico. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema está en equilibrio con otros dos, estos últimos, a su vez, también están en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura.


A B

C

A B


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Termómetros y escalas

Un instrumento usado para medir la temperatura (qué tan caliente o frío está algo), normalmente en la escala Celsius (Centígrados) o Fahrenheit. El termómetro es un instrumento, como ya dijimos, que se emplea para medir la temperatura; la presentación más común que éste posee es en vidrio, este tubo de vidrio contiene en su interior otro pequeño tubo hecho en mercurio, que se dilata o expande de acuerdo a los cambios de temperatura que mida. Para poder determinar la temperatura que medimos, el termómetro cuenta con una escala graduada cuidadosamente que está estrictamente relacionada con el volumen que ocupa el mercurio en el tubo.

Escalas termométricas.

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

a. La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

b. La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

c. El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.



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Escala Celsius

Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.

El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado centígrado o grado Celsius (ºC) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.

Escala Fahrenheit

En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (ºF). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:

t(ºF) = 1,8 · t(ºC) + 32

Donde t(ºF) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(ºC) la expresada en grados Celsius o centígrados.

Escala Kelvin

La escala de temperaturas adoptada por el SI es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,16 ºC. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala centígrada viene dada por la ecuación:

T(K) = t(ºC) + 273,16

Siendo T(K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin.


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