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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA MECANICA
TERMODINAMICA I Ing CESAR A. FALCONI COSSIO
1
TERMODINAMICA
I
2014 I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA MECANICA
TERMODINAMICA I Ing CESAR A. FALCONI COSSIO
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UNIDAD N 1
SESION N 1
INTRODUCCION
Comprender la Termodinmica no es fcil, pero tampoco es difcil. Creo que en realidad lo que sucede durante el
estudio y el aprendizaje de los distintos temas que incluye el curso se
conjuga una serie de factores que hacen que la Termo parezca ms
difcil de lo que es. Algunos de estos factores son: mala base en
conceptos bsicos de matemticas, fsica y qumica, ciencias
fundamentales sobre las que se basan las leyes y aplicaciones de la
Termo en Ingeniera. Otro factor no menos importante es que los
textos comnmente disponibles para iniciar el estudio de la
Termodinmica no explican en forma simple y directa algunos conceptos bsicos y necesarios para comprender las leyes de la
Termodinmica
La experiencia muestra que aunque los conceptos
termodinmicos sean bien explicados por el profesor y bien
comprendidos por los estudiantes, aparecen luego deficiencias
notables en simples aplicaciones de leyes matemticas y fsicas que
nunca fueron bien asimiladas. Ya no sorprende que muchos
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alumnos lleguen a este curso, despus de ms de dos aos en la
Universidad, y no tengan claridad sobre conceptos como masa
molecular, mol, gas ideal, energa, temperatura, o problemas simples
de cambio de unidades, materias que incluso estn y han estado
por aos en los libros clsicos de Enseanza Media. El problema es
ms grave con conceptos matemticos como derivadas, logaritmos o
integrales ...
Por lo tanto, se hace ms difcil para el p r o f e s o r del
curso visualizar la frontera de lo conocido o lo ignorado por un
estudiante. En otras partes del mundo es una suposicin razonable
aceptar que el alumno que curs una materia y la aprob, est
capacitado para estudiar un curso superior y aplicar lo conocido. Eso
no ocurre en la mayora de los casos y hay que ocupar parte
importante del poco tiempo dedicado a la Termo para repasar
conceptos supuestamente conocidos pero claramente olvidados...
El conocido fsico John Fenn de la Universidad de Yale
en Estados Unidos ha propuesto la 4ta ley de la
Termodinmica, que se transcribe en el idioma original, para no
perder la esencia de su formulacin:
"It is impossible in a single one term for a student to achieve a useful
meaning and understanding of the laws of thermodynamics and their
most important implications"... ...
Creo que es prudente recordar y recomendar a los alumnos
que los conceptos de la Termo se aprenden mejor resolviendo en
buena forma problemas de todo tipo. Muchos problemas y
aplicaciones en Termo, aunque involucren conceptos comunes,
siempre tienen algn aspecto nuevo que ser mejor abordado
mientras ms problemas se hayan resuelto. Estudiar Termo
simplemente asistiendo a clases y viendo como los dems
resuelven problemas sera como tratar de aprender a nadar solo
leyendo libros y manuales, sin meterse a la piscina... ...
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El objetivo es que despus de este semestre los alumnos puedan
enfrentar sus cursos superiores en mejor forma y que aprendan otros
aspectos, a veces ms importantes para ser buenos profesionales y
personas felices e ntegras, que unos pocos conocimientos de
Termo. Algo de honestidad profesional, tica en el trabajo, uso del
ingenio y la creatividad al enfrentar nuevos problemas, y buena
actitud frente a todo lo que deben enfrentar sern con seguridad
aspectos de la mayor importancia en la vida profesional y personal
de quienes abren ahora estos apuntes para ver si pasan
este obligatorio y "jodido" curso del Plan Curricular de Ingeniera
Mecnica en la Universidad Nacional del Santa.
(Extracto del Prlogo del texto Apuntes de Termodinmica del Dr. Jos O. Valderrama)
I.- GENERALIDADES
Desde los tiempos prehistricos, el hombre se encontr compartiendo
su vida con los cuatro elementos que mucho ms tarde consideraba
Aristteles las bases del Universo: la tierra, el agua, el aire y el fuego.
Este ltimo comenz pronto a manejarlo, producirlo y utilizarlo.
Al principio slo para calentarse, despus para cambiar sus
herramientas de piedra por metlicas, combinando as la combustin
con la posibilidad de transformaciones de la materia, (reacciones
qumicas), lo cual hizo posible lentamente, la construccin de su
vivienda, y de sus herramientas.
Al principio slo manej, como ayuda a su esfuerzo muscular y al de
los animales, la fuerza del viento y de las corrientes de agua, y tuvo
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que remontarse hasta hace unos trescientos aos, para crear la
mquina que trajo en la historia la revolucin industrial.
La ENERGA, palabra griega que significa fuerza en accin, o
capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la
disciplina de la Termodinmica que durante este ciclo pretendemos
estudiar y ver sus aplicaciones.
Se sabe que la materia posee energa tanto por su misma naturaleza,
energa interna, como por su relacin con un medio externo
referencial; as se conoce la energa potencial relacionada con la
posicin en un campo externo, gravitatorio, elctrico o magntico y
tambin la energa cintica relacionada con el movimiento de
traslacin o de rotacin.
Estamos perfectamente familiarizados con los conceptos de energa
trmica, mecnica, elctrica, magntica, qumica, superficial y
conocemos de sus posibles transferencias y tambin de sus
transformaciones de unas formas en otras.
LA TERMODINMICA.- Tiene como objetivo el entender las
interrelaciones entre los fenmenos mecnicos, trmicos y qumicos.
Por ello se puede definir como la Ciencia que estudia todas las
transformaciones o conversin de unas formas de energas en otras y
tambin la transmisin o transferencia de determinada clase de
energa.
La TERMODINAMICA en su sentido etimolgico, podra decirse que
trata del calor y del trabajo, pero por extensin, de todas aquellas
propiedades de las sustancias que guardan relacin con el calor y el
trabajo.
Por conveniencia, se agrupan las formas de la energa en calor y
trabajo, siendo el calor la forma de la energa que se propaga bajo una
cada de temperatura.
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La Termodinmica se desarrolla a partir de cuatro Principios o
Leyes:
Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.
Primer Principio: define el concepto de energa como magnitud
conservativa.
Segundo Principio: define la entropa como medida de la direccin de
los procesos.
Tercer Principio: interpretacin fsica de la entropa como orden de
los sistemas.
La termodinmica es una ciencia axiomtica que se desarrolla en base
a las leyes fundamentales, anteriormente citadas, las cuales no son
demostrables matemticamente sino que han nacido de las
observaciones experimentales.
FUNDADORES DE LA TERMODINMICA.-
ANTOINE LAURENT LAVOISIER.-
(Francia,1743-1794) que con sus numerosos trabajos cabe atribuirle
la fundacin de la qumica moderna. Estudi la estequiometra de las
reacciones, el conocimiento de la combustin, la composicin del aire y
del agua; interviene en la nomenclatura de elementos y compuestos
qumicos... Con su clebre frase nada se crea, nada se pierde
presenta y demuestra la ley de la conservacin de la materia,
precursora de la 1 ley de la termodinmica de la conservacin de la
energa.
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NICOLS LONARD SADI CARNOT.-
(Francia, 1796 -1832) desde la presentacin ante la Academia
Francesa de su trabajo sobre la potencia del fuego, abre el campo al
anlisis de las mquinas trmicas. Su nombre se repetir durante todo
este curso.
El rendimiento de su famoso ciclo ideal, el llamado ciclo de Carnot, se
emplea incluso en el anlisis ms moderno de los sistemas
termodinmicos.
RUDOLF J. CLAUSIUS.-
(Alemania, 1822-1888), entre sus trabajos se debe sealar la
introduccin de una nueva propiedad termodinmica:
la ENTROPA. Es el artfice de la formulacin matemtica del
segundo principio.
WILLIAM THOMSON, LORD KELVIN.-
(Escocia, 1824-1907), del que se debe destacar la creacin de la escala
de temperaturas que lleva su nombre y la definicin de la llamada
energa disponible de un sistema.
JAMES PRESCOTT JOULE.-
(Inglaterra, 1818-1889), cervecero y experto en el uso de los
termmetros, deduce la equiparacin entre la energa trmica y el
trabajo. La unidad de la energa toma su nombre.
JOSIA WILLARD GIBBS.- (USA, 1839-1903). Fue un hombre
modesto,
trabaj en Yale durante nueve aos sin recibir nada por su trabajo
hasta que fueron reconocidas sus aportaciones, que abren el camino
de la termodinmica moderna y de la mecnica estadstica. Su clebre
Regla de las fases y sus numerosas ecuaciones fundamentales entre las
propiedades termodinmicas, abrieron el paso a toda la moderna
qumica e ingeniera industrial.
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CONCEPTOS BASICOS
II.- DEFINICIONES TERMODINAMICAS.-
Cuando se trata de analizar un suceso termodinmico cualquiera, se
definen elementos auxiliares de anlisis que segn sea el caso a
analizar pueden estar dados por un sistema o volumen de control.
A.- SISTEMA TERMODINMICO.
Sistema es una porcin del universo objeto de estudio.
Un sistema termodinmico es una regin restringida, no
necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde
se puede estudiar la transferencia y transmisin de masa y energa.
Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o
lmites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios. Tambin se
llaman superficie de control.
El medio rodeante o entorno es la parte del universo prxima al
sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que
ocurren en el sistema.
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1 atm.
vapor 103.3C
agua de Compresor
potable 1.36 atm.
desecho Precalentador evaporador salmuera
Lmite del sistema de control (real o imaginario; fijo o mvil)
Un sistema a su vez puede ser:
1.- Sistema cerrado:
Permite el intercambio de energa (calor o trabajo), pero no
intercambia materia con cualquier otro sistema o el medio
externo.
2.- Sistema abierto :
Denominado tambin volumen de control, se define como el
volumen limitado por la superficie de control y que contiene al
dispositivo termodinmico, o al espacio en el que se da el suceso
termodinmico que es objeto de nuestro anlisis. A travs de la
superficie de control es posible una transferencia de materia a
dicho sistema o su retiro de ste, pudiendo adems intercambiar
energa.
SE DEFINE UN SISTEMA DE CONTROL CUANDO
EL ANLISIS SE REFIERE A UNA CANTIDAD
FIJA DE MASA, Y UN VOLUMEN DE CONTROL
mar
agua
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CUANDO EL ANALISIS INVOLUCRA FLUJO DE
MASA.
3.- Sistema aislado trmicamente:
(o adiabtico) cuando no intercambia materia ni energa con
cualquier otro sistema. Este sistema es no influenciado por el
medio externo; no existe ninguna forma de energa que cruce el
lmite del sistema.
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4.- Sistema Homogneo:
Cuando el sistema es completamente uniforme, tal como un gas o
una mezcla gaseosa, un lquido, un slido o una disolucin, ste
sistema se caracteriza por que las propiedades fsicas y qumicas
de la materia son iguales en todo el sistema. Todo sistema
homogneo consta de una sola fase.
5.- Sistema heterogneo:
Cuando el sistema no es uniforme, sino que consiste en dos o ms
partes homogneas que son separadas unas de otras por
superficies fsicas delimitatorias.
6.- Fase:
Es cada una de las partes homogneas de cualquier sistema que es
separada de otras por superficies fsicas definidas. Ej. Hielo,
agua lquida y vapor de agua constituyen fases o estados de
agregacin comunes de la sustancia agua (tres fases en
equilibrio).
Ej. Una mezcla de gases constituye una fase porque no existen superficies fsicas delimitatorias visibles.
7.- Sustancia de trabajo:
Se denomina as al fluido en el cual se puede almacenar energa y del cual se puede extraer energa. A la sustancia de trabajo tambin se le conoce como portador de energas.
8.- Sustancia pura:
Se define como aquella que tiene una composicin qumica
homognea e invariable y que puede existir en ms de una fase.
9.- Estado:
Es una situacin determinada de la sustancia definida en funcin de
caractersticas denominadas propiedades.
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En cada fase de una sustancia pueden existir una serie de puntos termodinmicos o estados, los cuales se describen o especifican
por sus propiedades.
B.- PROPIEDAD TERMODINAMICA.-
Es aquella caracterstica descriptiva del estado de una sustancia y que en un estado dado tienen un valor definido que ser
siempre el mismo, sin importar la forma en que dicha sustancia
alcanz tal estado.
Una propiedad termodinmica o magnitud de estado es un
parmetro que define el estado en que se encuentra una
sustancia, un sistema o un volumen de control. Tambin puede
describirse una propiedad termodinmica como cualquier
caracterstica observable de un sistema o volumen de control.
Desde una perspectiva matemtica las propiedades termodinmicas son funciones de punto y sus diferenciales son
exactas, por lo que su integracin es una funcin simple.
Ej. = =
Todo sistema tiene propiedades fsicas tales como:
1.- Propiedad interna o termosttica.-
Se limita a las caractersticas de la estructura qumica o fsica de la
materia que se presenta en los sistemas en equilibrio, ej. Presin,
temperatura. Toda propiedad termosttica es funcin de las
dems, no es necesario especificar el valor de todas las
propiedades termostticas para determinar el estado interno de
un sistema en equilibrio, por ejemplo: bastan dos propiedades
termostticas independientes para determinar el estado de una
sustancia pura.
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2.- Propiedad externa o mecnica.-
Es una caracterstica del movimiento del sistema o de su posicin
respecto a un marco de referencia en un campo gravitatorio, ej.
Velocidad, altura, etc.
3.- Propiedades intensivas:
Son caractersticas de cada sustancia e independientes de su
cantidad, no varan con una particin imaginaria del sistema, se
les representa con letras minsculas, con excepcin de la
temperatura. ej. Temperatura (T), presin (p), densidad (), viscosidad (), tensin superficial (), calor especfico, etc.
4.- Propiedades extensivas:
Son aquellas propiedades que dependen de la magnitud de la
cantidad de materia (masa) considerada, para un mismo sistema
varan con una particin imaginaria del sistema.
Se les representa con letras maysculas, ej. Volumen (V), energa
potencial (EP), capacidad calorfica (Cp), etc.
5.- Propiedad especfica.-
Son propiedades extensivas por unidad de masa. Las propiedades
especficas son tambin propiedades intensivas, por lo que se
representan por letras minsculas, ej. Volumen especfico ().
LAS PROPIEDADES DESCRIBEN UN ESTADO CUANDO EL SISTEMA ESTA EN EQUILIBRIO
C.- ESTADO TERMODINMICO.-
Denominado tambin estado de un sistema, queda definido cuando se da el mnimo nmero de propiedades termodinmicas
que fijan el sistema.
El estado termodinmico de un sistema se puede definir completamente mediante 4 propiedades:
La composicin, la presin, el volumen y la temperatura.
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1.- Parmetro termodinmico.-
Es aquella propiedad que como variable independiente determina el
estado termodinmico del sistema.
2.- Ecuacin de estado.-
Es la relacin entre tres propiedades que definen un sistema
homogneo de masa definida. Ej. El sistema gaseoso queda
definido por:
V = f (P, T) . Esto da origen a una ecuacin de estado.
3.- Cambio de estado.-
Es una variacin en una o ms de las propiedades de un sistema.
Cualquier cambio detectable experimentalmente constituye un
cambio de estado.
m = 2 kg
T2 = 20 C
m = 2 kg V2 = 2.5 m3
T1 = 20 C
V1 = 1.5 m3
a) estado 1 b) estado 2
tambin se puede representar por :
O2 (g, 10 atm., 20C) O2 (g, 1 atm. , 20C )
Expansin isotrmica del O2 gaseoso.
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D.- PROCESO TERMODINAMICO.-
Es todo cambio de estado de equilibrio que se produce en un sistema o volumen de control (V.C.). Es la trayectoria de la
sucesin de estados por los que evoluciona un sistema o V.C. en
un cambio de estado. El proceso requiere el conocimiento en las
que se desarrolla el cambio de estado.
Estado 2
Trayectoria del proceso
Estado 1
Propiedad B
Para describir un proceso es necesario especificar cada uno de
los estados intermedios, los estados inicial y final y las
interacciones con los alrededores. Los principales procesos son:
1.- Proceso cuasi-esttico.-
Es un proceso durante el cual el sistema atraviesa una serie
continua de condiciones de equilibrio en que las propiedades o
magnitudes de estado tienen constantemente valores bien
definidos. Es aquel estado en que la desviacin del equilibrio
termodinmico es infinitesimal y todos los estados por los que
pasa la sustancia durante el proceso pueden considerarse como
estados de equilibrio.
Los cambios de estado cuasi-estticos son una idealizacin que solo se cumple de un modo aproximado.
Pro
pied
ad
A
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2.- Proceso no esttico.-
En este proceso la situacin de equilibrio del sistema y por
consiguiente sus propiedades no estn muy bien definidas. En
este tipo de procesos slo tendremos informacin de los estados
inicial y final y de los cambios totales ocurridos en l.
3.- Proceso reversible.-
Un proceso se llama reversible si puede ser detenido en cualquier
punto de su desarrollo e invertirse el sentido del mismo, pasando
al invertirlo por los mismos estados por los que paso
inicialmente, sin producir cambios en el sistema o en el medio
externo. Es aquel proceso que puede regresar a su estado inicial
en forma natural. El concepto de proceso reversible es puramente ideal ya que no
existe en la realidad.
4.- Proceso irreversible.-
Es simplemente aquel proceso que no cumple con las condiciones
establecidas para un proceso reversible. Los procesos
irreversibles pueden variar tanto no esttica como cuasi-
estticamente por aproximacin.
Todos los procesos reales (naturales) son irreversibles.
5.- Proceso isotrmico.-
Cuando el cambio ocurre a dT = 0
6.- Proceso isobrico.-
Cuando el cambio ocurre a dp = 0
7.- Proceso isocrico o isomtrico.-
Cuando la restriccin del proceso es que el cambio ocurre a dV = 0
8.- Proceso adiabtico.-
Cuando no hay intercambio de calor entre el sistema y los sistemas
limitantes cuando ocurre el cambio, es decir, dQ = 0
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E.- EQUILIBRIO TERMODINAMICO.-
Para estudiar en forma razonable el comportamiento de un sistema, partimos generalmente de un estado de equilibrio de tal
sistema, denominado equilibrio termodinmico de un sistema lo
que implica:
1.- Equilibrio mecnico.-
Igualdad de tensiones, es decir las fuerzas externas del sistema
deben estar en equilibrio con las fuerzas internas del sistema
sobre el medio exterior, esto implica que no deben existir
movimientos macroscpicos dentro del sistema o del sistema con
respecto al entorno.
2.- Equilibrio trmico.-
Igualdad de temperatura, es decir, la temperatura debe ser igual en
todo el sistema y, a excepcin del caso de un sistema adiabtico,
igual a la temperatura del medio externo que rodea al sistema.
3.- Equilibrio qumico.-
Implica que la estructura de la materia y la composicin del
sistema no deben variar con el tiempo.
UN SISTEMA EN EQUILIBRIO TERMODINMICO ES
INCAPAZ DE EVOLUCIONAR ESPONTNEAMENTE.
F.- PRINCIPIO DE LA CONSERVACION DE LA
MASA.-
La transferencia neta de masa hacia o desde el volumen de control durante un intervalo de tiempo t es igual al cambio neto (incremento o disminucin) en la masa total dentro del
volumen de control durante t.
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masa total que entra masa total que sale cambio neto de masa
al V.C. durante t del V.C. durante t dentro del V.C. en t
mentrada msalida = mV.C. (1)
kg
mV.C. = mfinal minicial ;
tambin se puede expresar como flujo msico:
entrada salida = ..
(2)
Kg/seg
entrada , salida son flujos msicos hacia adentro y fuera del
volumen de control,
..
es la rapidez de cambio de masa con respecto al tiempo.
Las ec. (1) y (2) se conocen como balance de masa o materia y son
aplicables a cualquier volumen de control que experimenta alguna
clase de proceso.
a.- Considerando un
volumen de control
arbitrario.
b.- La masa en dV
(volumen diferencial)
dentro del volumen de
control es:
dm = dV
luego la masa total
dentro del volumen de
control en cualquier
momento t se
determina como:
_ =
dV
dm
dA
Volumen de control
Superficie de control
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.. = .. ... (3)
La rapidez del cambio de masa dentro del VC se puede expresar
como:
=
.. (4)
En el grfico, la componente normal de la velocidad es:
vn = v cos = . (5)
El flujo msico por dA es proporcional a la densidad del fluido , la velocidad normal vn y el rea de flujo dA, luego se tiene el flujo
msico diferencial:
= vn dA = (v cos) dA = ( . ) dA . (6)
El flujo neto que entra o sale del volumen de control por toda la
superficie de control se obtiene integrando :
= = = ( . )
.. (7)
Reordenando los trminos de la ec. (2)
+ = se puede tener :
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+ ( . ) = 0 . (8) (*)
(*) Ecuacin general de la conservacin de la masa.
G.- PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA
ENERGIA.-
El cambio neto (incremento o disminucin) en la energa total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la
energa total que entra y la energa total que sale del sistema
durante el proceso
Energa total que Energa total que Cambio en la energa
entra al sistema sale del sistema total del sistema
Eent E sal = E sistema .. (9)
La ec. (9) representa el balance de energa y es aplicable a cualquier
tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso.
H.- SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL.-
-
=
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La frontera es la superficie real o
imaginaria que separa al sistema
de sus alrededores
FRONTERA
NO MASA
SI ENERGIA
Sistema cerrado con frontera
mvil
Volumen de control con
frontera real e imaginaria
(Tobera)
ALREDEDORES
SISTEMA
SISTEMA CERRADO
m = constante GAS 2 kg 1 m3
GAS 2 kg 4 m3
VC Frontera imaginaria
Frontera real
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Volumen de control con fronteras fija y mvil
limite
mvil
VC
frontera
fija
VC
Superficie de
control
Sistema abierto con entrada y salida
Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de
control y pueden ser reales o imaginarios.
I.- PROCESOS Y CICLOS.-
Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el
tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de
equilibrio, se denomina proceso cuasi-esttico o de cuasi-equilibrio.
Un proceso de este tipo puede considerarse lo suficientemente
lento como para permitirle al sistema ajustarse internamente de modo
que las propiedades de una de sus partes no cambian ms rpido que
las de otras
Compresin lenta compresin muy rpida
(cuasi-equilibrio) (no cuasi-equilibrio)
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Un proceso de cuasi-equilibrio es un proceso idealizado y no
corresponde a una representacin autntica de un proceso real, sin
embargo son fciles de analizar y sirven como estndares con los que
se pueden comparar los procesos reales.
Todo proceso termodinmico debe representarse a travs de un
diagrama trazado mediante el empleo de propiedades termodinmicas
en forma de coordenadas. Algunas propiedades comunes son
temperatura (T), presin (p) y volumen (V).
P ej. Diagrama P V de un proceso de
P2 Estado final compresin
a
P1 Estado inicial
P3 b
V2 V1 V
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Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su
estado inicial al final del proceso; es decir para un ciclo los estados
inicial y final son idnticos.
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SESION N 2
I.- LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.-
DOS CUERPOS ESTAN EN EQUILIBRIO
TERMICO SI AMBOS TIENEN LA MISMA
LECTURA DE TEMPERATURA INCLUSO SI
NO ESTAN EN CONTACTO
Fierro recinto Fierro este equilibrio requiere que se
150 C aislado 60 C construya un modelo que per-
Cobre Cobre mita determinar de manera
20 C 60 C cuantitativa el valor del conte-
nido energtico del sistema
Otra manera de definir la Ley cero es :
SI DOS CUERPOS ESTAN EN EQUILIBRIO TERMICO CON
UN TERCERO, ESTARAN EN EQUILIBRIO TERMICO ENTRE
SI
Es un enunciado muy simple y fcilmente aceptable, pero que a
su vez tiene una enorme trascendencia en la Termodinmica, ya que es
la base o principio de la medicin de temperatura, en donde el tercer
cuerpo mencionado viene a ser el termmetro.
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El sistema que permite asignar valores al nivel de contenido
energtico se denomina ITS 90 (escala internacional de
temperatura), que reemplaza a las ITS 27, ITS 48 y a ITS 68.
La ITS 90 se extiende arriba de 0.65 K hasta la temperatura
ms alta medible en trminos de la Ley de Radiacin de Planck,
mediante radiacin monocromtica.
En la ITS 90, la escala de temperatura est considerada en 4
intervalos:
a).- de 0.65 K a 5 K, la escala se define en trminos de la presin de
vapor, relaciones de temperatura para 3He y 4He.
b).- entre 3 K y 24.5561 K (punto triple del Ne) se define por medio
de un termmetro de gas He, calibrado apropiadamente.
c).- de 13.8033 K (punto triple del H2) a 1234.93 K (punto de
congelacin de la Ag) se define a travs de termmetros de
resistencia de Pt calibrados en conjuntos especificados de puntos
fijos de definicin.
d).- de 1234.93 K a ms se define en relacin a la Ley de Radiacin de
Planck, tomndose como punto fijo de definicin el punto de
congelacin del Au, 1337.33 K
La escala de temperatura termodinmica se determina
asignando un punto de referencia de temperatura mnima como 0 K.
En 1989, mediante tcnicas de refrigeracin en cascada se logr
medir la temperatura ms baja, de manera experimental el valor
encontrado fue de: 0.000000002 K.
A.- PROPIEDADES TERMOMETRICAS.-
Muchos materiales, presentan ciertas propiedades fsicas peculiares, tal como su comportamiento frente a la temperatura.
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Se emplea esta propiedad para construir aparatos que permitan
medir la temperatura de un sistema, las caractersticas deseables de
los materiales para tal efecto son:
.- Volumen de gases, lquidos y slidos.
.- Presin de gases a volumen constante
.- Resistencia elctrica de slidos
.- Fuerza electromotriz de dos slidos distintos.
.- Intensidad de radiacin (a temperaturas altas)
.- Efectos magnticos (a temperaturas extremadamente bajas).
Para rangos de temperatura muy moderada, se emplea la
propiedad termomtrica de dilatacin volumtrica de lquidos, ej.
Termmetro de vidrio que contiene mercurio.
Si se emplea la propiedad de resistencia elctrica de algunos
metales y semiconductores como propiedad termomtrica, los
dispositivos empleados para medir la temperatura se denominan
termistores.
Si la propiedad termomtrica empleada es la fuerza
electromotriz de slidos en contacto, el dispositivo se denomina
termocupla o termopar.
Si la propiedad termomtrica empleada es la intensidad de
radiacin, el dispositivo recibe el nombre de pirmetro ptico.
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B.- ESCALAS DE TEMPERATURA.-
Para medir la temperatura de cualquier sistema termodinmico, se emplean dos escalas: Absoluta y relativa, segn el sistema de
unidades a emplear.
En el SI (sistema internacional) la escala absoluta empleada es la
escala Kelvin (K), para la escala relativa, se emplea la escala Celsius
(C), en el sistema de unidades inglesas, la escala absoluta a emplear es
la escala Rankine (R) y la escala relativa a emplear es la escala
Fahrenheit (F).
En la determinacin de la escala de temperatura, se parte de la
asignacin de un valor referencial para un punto elegido
arbitrariamente como estado de referencia.
En el SI este estado de referencia es el sistema donde coexisten en
equilibrio el agua slida, lquida y gaseosa, a este punto denominado
PUNTO TRIPLE DEL AGUA, se le ha asignado el valor de 273.16 en
la escala Kelvin, valor que se diferencia en 0.01 K del valor del punto
normal de congelacin del agua, por lo que se define el valor de 273.15
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K (1 atm) como punto de referencia de temperaturas, esto equivale a 0
C.
Las relaciones de conversin de temperaturas son:
T (C) = T (K) 273.15 . (1)
T (K) = T (C) + 273.15 . (2)
T (R) = 1.8 T (K) . (3)
T (F) = T (R) 459.67 . (4)
T (R) = T (F) + 459.67 . (5)
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T (F) = 1.8 T (C) + 32 . (6)
C.- TERMOMETRO DE GAS IDEAL.-
Es un dispositivo que emplea la propiedad termomtrica definida
como la relacin de la variacin de la presin del gas a volumen
constante con la variacin de la temperatura.
P atmosfrica
z
bulbo
frontera del sistema
a presiones extremadamente bajas , el producto P varia linealmente
con la temperatura, por lo tanto empleando una temperatura de
referencia T* se puede encontrar que :
=
() . (7)
A volumen constante, se tiene :
=
Finalmente: T (K) = 273.16
. (8)
P y Ppt son presiones absolutas. El dispositivo mostrado mide
verdaderamente la temperatura termodinmica.
II.- PROPIEDADES FISICAS DE LAS SUSTANCIAS.-
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1.- DENSIDAD.-
Se define como la relacin de la masa por unidad de volumen
=
=
....(9)
kg/m3; g/cm3 ; lb/ft3 .
2.- DENSIDAD RELATIVA.-
Es la relacin de la densidad de una sustancia con la densidad del agua a una temperatura dada (4C; 20 C 60 F). Como la
mxima densidad del agua se da a 4 C, sta se toma
normalmente como referencia (1.000 g/cm3, 1000 kg/m3; 62.4281
lb/ft3).
=
. (10)
3.- VOLUMEN ESPECFICO.-
Es la relacin del volumen de una sustancia con referencia a su masa; es el recproco de la densidad.
=
=
=
(11)
m3/kg ; ft3/lb ; cm3/gr
4.- PESO ESPECIFICO.-
Es la relacin del peso de una sustancia por unidad de volumen.
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= w =
=
= . (12)
A.- PRESION.-
Se define como la fuerza normal ejercida por un sistema sobre un rea unitaria de su frontera.
Para un fluido en equilibrio esttico, la relacin entre la presin
y la elevacin dentro del fluido est dado por la ecuacin bsica
de la esttica de fluidos.
Z
( P + P ) A =
Z Fluido 0 = P A ( P + P ) A Vol g
P A = Vol g = ( A Z ) g
O (vol)g P = Z g P A
dP = dZ ..
integrando se tiene
P = Z P = g Z
Generalmente se escribe:
P = g h = h (13)
B.- UNIDADES DE PRESION.-
En el sistema SI la unidad de presin es el Pascal (Pa) : fuerza/rea
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Pa =
=
.
. =
. . (14)
Como el Pascal es una unidad de presin muy pequea, generalmente
se emplea el kPa o el MPa; tambin se puede emplear las siguientes
unidades :
Bar = 105 N/m2 = 102kPa = 0.1 MPa
1 atm = 1.01325 bar = 1.01325 x 105 N/m =
14.696 lbf / in (psi)
1 atm = 760 mm Hg = 1.01325 kgf/cm
Condiciones estndar de g y T, nivel del mar y 45 latitud. (273.15 K y
9.80665 m/s)
C.- PRESION ABSOLUTA Y MANOMETRICA.-
La presin baromtrica es considerada como la presin local o
presin atmosfrica real, su valor es variable, dependiendo del lugar y
del tiempo, se mide mediante un dispositivo llamado barmetro.
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La presin en un lugar determinado de un sistema puede estar
referida a la presin cero o a la presin atmosfrica
P = 1
Presin manomtrica
Presin atmosfrica
estndar
Presin atmosfrica
local presin Presin
de vaco absoluta
P = 2
Presin atmosfrica
presin absoluta
P = 0
Del diagrama se puede deducir que:
Pabsoluta = Patmosfrica + Pmanomtrica . (14)
Mientras que no se afirme lo contrario, la presin siempre se considera atmosfrica normal.
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La presin manomtrica se mide mediante un dispositivo
llamado manmetro, el valor que indica este dispositivo siempre es
mayor que la presin atmosfrica y si marca un valor negativo, se
trata de una presin de vaco, que es menor que la presin
atmosfrica.
Para los clculos se emplea la siguiente notacin: (SI)
Patm. ; Pman. ; Pabs.
En el sistema ingls : Psi = poundal square inch ( lbf/in) (P.
atmosfrica)
Psia = poundal square inch absolute (P. absoluta)
Psig = poundal square inch gauge (P. manomtrica)
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El manmetro es un dispositivo que se emplea para medir una
diferencia de presin en funcin de la altura de una columna lquida;
el fluido manomtrico puede ser cualquier fluido, generalmente se
emplea el mercurio ( 20C = 13.550 kg/m3).
g = 9.80665 m/s g = 32.174 ft/s
Sensor de presin o transductor