termo1

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Mecánica

Prof. Ubaldo Zúñiga Q.

ASIGNATURA:

TERMODINAMICA

http://www.ahiva.info/Gifs-Animados/Casa-y-Jardin/Fuego.php?crnt=4&type=1





TERMODINAMICA -therme (calor) y dynamis (fuerza)-

Ciencia derivada de la Física que estudia las transformaciones de energía y las

formas en que ésta se transfiere; en particular, calor y trabajo asociados al

fenómeno de la temperatura.

Las transformaciones energéticas actúan sobre

la materia en cualquiera de las fases en que

ésta se encuentre, ya sea sólida, líquida o gaseosa.

Por efecto de una transformación o transferencia de energía, las propiedades de la

materia pueden cambiar.

Nota: Existen muchas formas de energía (eléctrica, magnética, química, nuclear, almacenada en un

resorte, en una batería, en un quantum de luz, etc). En Termodinámica el objetivo principal es Calor y

Trabajo. Adicionalmente, el enfoque es referido a la materia desde un punto de vista macroscópico.

En cuanto a la materia, como sabemos, un sólido es aquél que puede resistir

esfuerzos de corte sin desplazarse, en cambio un líquido o un gas (o vapor) es

incapaz de resistir esfuerzos de corte sin que se desplace.

Un Fluido es una sustancia que puede encontrarse en fase líquida o gaseosa

y, por tanto, no resiste esfuerzos de corte sin desplazarse.





Los gases (o vapores) están constituidos por partículas en movimiento que chocan

entre sí, tratando de dispersarse. No tienen forma ni volumen definidos.

Los líquidos están sometidos a fuerzas intermoleculares que lo mantienen

unido. Tienen un volumen definido aunque no su forma.

La aproximación macroscópica de la termodinámica es una aproximación

matemática, en particular aplicada a los fluidos, que considera la materia como un

medio continuo sin ninguna relación con su estructura atomística, ello significa que

se consideran efectos globales ,o promedio, de muchas moléculas.





(Un parámetro que lo determina se conoce como “Número de Knudsen, Kn”, donde

Kn = λ/L). Tales efectos pueden incluso ser percibidos por nuestros sentidos o

medidos por instrumentos, por ejp., presión, p; temperatura, T; Volumen, V; etc.

Para que un continuo exista, L debe ser aproximadamente 100 veces mayor que λ;

esto es: 0 ≤ Kn ≤ 0.01. (en el espacio por ejemplo, Kn es grande, a diferencia de las

bajas alturas, cercanas a la superficie de la tierra, donde el medio fluido –aire- es un

continuo).

Tratamos, con lo que se denominan sustancias o sistemas simples, lo cual significa

considerar sustancias macroscópicamente homogéneas e isotrópicas (“homogénea”

quiere decir “uniformidad” de una sustancia; “isotrópica” quiere decir que una

propiedad es la misma en todas las direcciones; esto es, que no cambia) y que no

son afectadas por otros efectos





la Termodinámica es actualmente de aplicación universal, con amplios

campos asociados a las transformaciones energéticas.

Tiene un vasto campo de aplicación especialmente en ingeniería, donde, en

todos los casos, el uso de los principios de la termodinámica juegan un papel

muy importante a la hora de mejorar eficiencias, reducir costos en el uso

de la energía, lograr menores impactos ambientales, perfeccionar

diseños de máquinas, equipos, sistemas e instalaciones y mejorar

productividad (relación productos/insumos).

http://www.google.cl/imgres?sa=X&biw=1051&bih=478&tbm=isch&tbnid=SvGb7hcTWVGeXM:&imgrefurl=http://www.directindustry.es/prod/attsu-termica-sl/calderas-vapor-37754-396281.html&docid=uwP8s4Ri6xIpwM&imgurl=http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/calderas-vapor-37754-2328989.jpg&w=1024&h=843&ei=2-AMU_OoApOLkAeN-oGYAQ&zoom=1&ved=0CK8BEIQcMBY&iact=rc&dur=820&page=3&start=17&ndsp=12





Conceptos y Definiciones.-

Sistema: se define como una región determinada del espacio o una cantidad finita de

materia que se desea estudiar. Las paredes o superficies que rodean al sistema

pueden ser fijas o móviles, imaginarias o reales y son llamadas “límites” o “paredes”

del sistema.

El espacio exterior que rodea al sistema se llama entorno, medio circundante, medio

ambiente o medio externo.





A través de los límites del sistema puede o nó haber transferencia de energía y/o

de masa con el medio circundante (hacia o desde). Si la hay entonces serán no-

restrictivas, en tanto que si no la hay son restrictivas.

Sistema “aislado” es aquél en el cual no hay transferencia de masa ni de energía

a través de las paredes del sistema; es decir, las paredes son restrictivas al paso

de la masa o de energía.

Sistema “cerrado” es aquel en el cual puede existir transferencia de energía a

través de las paredes pero no de masa. Las paredes son, por tanto, restrictivas o

“impermeables” al paso (o flujo) de masa.

Sistema “abierto” es aquel en el cual existe flujo de masa (o de energía) a través

de las paredes o límites del sistema. . Las paredes son no restrictivas o

permeables al flujo de masa.

Las paredes o límites de un sistema pueden ser también:

Rígidas: restrictivas a los cambios de volumen

Móviles: no restrictivas a los cambios de volumen

Adiabáticas: restrictivas al paso sel calor

Diatérmicas: no restrictivas al paso del calor



Prof. Sr. Ubaldo Zúñiga Q.

PRIMER SEMESTRE 2010

SISTEMA + ENTORNO (o medio ambiente) = UNIVERSO





Volumen de control.- concepto utilizado cuando existe flujo de fluidos. Es una

región fija del espacio que puede ser estacionaria o desplazarse a velocidad

constante y a través de la cual existe flujo de masa. Las paredes o límites que rodean

al volumen de control se llaman “superficies de control”.

El VC es equivalente al sistema abierto si éste (el VC)

cambia en tamaño y en posición, y es equivalente al sistema cerrado si no hay

transferencia de materia.

Propiedades Termodinámicas.- son aquellos valores –características observables

de los sistemas-, necesarios para definir un punto en un plano termodinámico. Ejp.,

presión, p, temperatura, T, densidad, ρ.

Se llaman también variables de estado, parámetros de estado, coordenadas

termodinámicas o, simplemente, propiedades.

Las propiedades termodinámicas pueden ser “intensivas” o “extensivas”.

Las intensivas son independientes de la masa o “tamaño” del sistema y sólo tienen

significado para sistemas que se encuentran en un estado de “equilibrio

termodinámico” (ejp., p, T, ρ).

Las extensivas dependen de la masa o tamaño del sistema. Son aditivas y tienen

siempre significado aún en sistemas que no estén en equilibrio (ejp., V, m,).





Volumen específico (v).- se define como el volumen total (∀) de una sustancia por

unidad de masa (m); es decir: v = ∀/m (unidades: m3/kg, pie3/lb, o equivalentes).

Es por tanto propiedad intensiva. Su valor inverso es la densidad, ρ (ρ = 1/v = m/∀

[Kg/m3; Kg/lt; Lb/pie3]. ⇒ m = ρ*∀).

Aclaración:

Las propiedades extensivas se designan siempre con letras mayúsculas y las

Intensivas con minúsculas. Así, si una propiedad extensiva es “X”, la intensiva

Será x = X/m.

Estado termodinámico.- es aquel punto en un plano o superficie termodinámica que

queda definido por sus propiedades.

Estado = f(p, T);

f(p,V), etc.

Equilibrio Termodinámico.- Se habla de un “estado de equilibrio” termodinámico

cuando las propiedades del sistema no cambian.

Pueden existir diferentes tipos de equilibrio termodinámico, entre ellos:

Equilibrio térmico (igual T)

Equilibrio mecánico (igual p)

Equilibrio químico (no hay reacción química)





Fase.- Se llama así al estado en el cual toda la estructura de una sustancia de

trabajo, o materia, es homogénea. Puede ser sólida, líquida o gaseosa, pero también

puede existir una fase mixta o combinación de fases (sol-líq; líq-gas; sol-líq-gas, etc).

Las superficies de separación de las fases mixtas se llaman límites de

fase o, simplemente, interfase.

Sustancia de trabajo.- Se llama así a una cierta cantidad de materia, comúnmente

un fluído, sobre la cual se hacen las mediciones (p,T,ρ) y a la cual se le aplican las

leyes temodinámicas

Número de moles (n).- número total de moléculas de una sustancia (gas) dividido

por el número de moléculas contenidas en un mole de la sustancia –o número de

Avogadro ( Av = 6.024x 10 ۸23 moléculas/mole). Se puede obtener como n = m/M

(donde M = peso molecular de la sustancia).

Fracción molar (y).- Corresponde a la relación entre el número de moles de una

sustancia presente en una mezcla, dividido por el número total de moles de la mezcla

.





Medidas de Presión:

Absoluta

Atmosférica o barométrica

Manométrica o relativa

Vacuométrica (presión de vacío)

Definimos la presión como

la componente normal de fuerza por unidad de superficie.

Concepto mecánico de presión: Fuerza por unidad de área (ejercida por un fluido

sobre la cara de un pistón, por ejp.).

En el caso de un fluido el concepto de presión se relaciona con los millones de

choques entre las moléculas del fluido y la pared del sólido que lo contiene.

En el estado de equilibrio la presión en un punto de un fluido es la misma en todas

direcciones (se llama presión estática o simplemente presión)





Presión atmosférica.-

Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre.

Para medirla se utiliza un barómetro (existen diversos tipos).

La presión atmosférica disminuye con la altura.

Presión atmosférica normal.- se define como la presión producida por una columna

de mercurio de 760 mm (76 cm) a 0 ºC y a nivel del mar.

Ese valor se toma como unidad práctica de presión y se denomina atmósfera.

1 atm = 760 mmHg = 10.3 m.c.a. = 14.7 psi = 101.325 kPa = 1.013x10۸5 N/m2

1 atm = 1.01325 bar = 1.033 kg/cm2 = 1013 milibar = 29.92 pulgHg

obs: 1 Pa = 1 N/m2 ; 1 bar = 10 ۸5 N/m2

p abs = pman + p atm









Temperatura Es una medida del estado térmico de un cuerpo.

Existen dos escalas comunes para medir la temperatura: La Celsius (antes

centígrado) y la Fahrenheit.

En Termodinámica es habitual trabajar con escalas absolutas de

temperatura.

La escala Kelvin usada en el sistema internacional de unidades, SI, la

cual eliminó el superíndice º ( de “grado” K, ºK) por lo que se habla solamente

de Temperatura K.

La segunda escala absoluta era usada por el viejo sistema inglés de

unidades y es la escala Rankine.

La relación entre ambas es T [R] = 1.8 T [K]





Proceso termodinámico.- Sucesión de estados por los que pasa un sistema

Cuando una propiedad termodinámica se mantiene constante se

utiliza el prefijo “iso”.

Si T = cte → Proceso Isotérmico

Si P = cte → Proceso isobárico

Si v = cte → Proceso isocórico o isométrico

Si en un proceso no existe intercambio

de calor se habla de un proceso adiabático.

Ciclo.- Serie de procesos que experimenta un sistema volviendo luego a su

estado inicial (propiedades al inicio son iguales que al término).





USO DE UNIDADES

El uso correcto de unidades es fundamental en termodinámica,

Las unidades permiten apreciar:

• Ordenes de magnitud de un parámetro,

• “tamaño” o dimensión de un elemento,

• “cantidad” de materia

• comparaciones diversas entre parámetros, entre sistemas, entre

elementos, etc.

Antiguamente (anterior a 1960) se utilizaban distintos sistemas de unidades,

como el CGS (centímetro-gramo-segundo), el MKS (metro-kilógramo-

segundo) y el sistema inglés, en adición a diversas unidades muchas hoy ya

obsoletas (braza, yarda, legua cuadrada y otras).





A partir del año 1956 se inicia la adopción a nivel internacional del Sistema

Internacional de Unidades “SI”.

Este sufre diversas modificaciones hasta el año 1995, año en que culmina el proceso

de adecuación.

En la actualidad a nivel mundial se emplea el sistema internacional SI pero muy

ampliamente también el sistema inglés

El uso de sistemas locales sigue siendo muy común, sobre todo en zonas rurales o

en zonas de barrios urbanos.

(China, medio oriente y otros lugares del planeta, han hecho estandarizaciones para

aproximar sus sistemas de medidas locales al sistema internacional).

En china por ejemplo, La unidad de referencia para medir la longitud es el chì. Para

las áreas es el lí; para las masas, el jīn y para el volumen, el shēng, todas ellas tienen

una equivalencia al SI).

En el presente curso las unidades de medición utilizadas son las del sistema

internacional y, adicionalmente las del sistema inglés, por ser ambas de uso

recurrente en el sector industrial y comercial de Chile y de muchos países del

mundo.





El sistema SI considera unidades básicas o fundamentales y unidades

derivadas. Por ejemplo,

• Longitud, masa y tiempo son unidades básicas;

• fuerza, velocidad y aceleración son derivadas.

Lo mismo ocurre, equivalentemente, en el sistema inglés. La tabla a

continuación muestra unidades para masa, longitud, tiempo y fuerza en

ambos sistemas.

En el sistema SI se utilizan prefijos característicos para el “tamaño” de la magnitud. Estos prefijos son:





En la escala numérica, para ambos sistemas, SI e Inglés, deben tenerse

presente tanto el uso de decimales como de los prefijos que acompañan al

término “illón” para referirse a una cantidad en millones. En particular, por

ejemplo: 1 millón = 106 = 1.000.000 (1 seguido de 6 ceros)

1 Billón = 1012 = 1.000.000.000.000 (1 seguido de 12 ceros)

1 Trillón = 1018 = 13000.000 .2000.0001000.000

1 Cuatrillón = 1024 = 14000.0003000.0002000.0001000.000

Respecto al uso de decimales, debe tenerse especial cuidado en su uso dado que

es común en la vida cotidiana la aproximación o el “redondeo” para simplificar “las

cuentas” o cuantificaciones. Por ejemplo:

6,1472 se puede aproximar a 6,1; a 6,15 o 6,2. En un “redondeo” sería simplemente 6.

Pero el uso permanente y descuidado de esas aproximaciones puede llevar a

importantes errores en cálculos de ingeniería, por lo que la experiencia, o la

observación de cifras equivalentes, es una guía para no cometer esos errores.





Basta considerar, para ilustrar lo señalado anteriormente, el valor estándar de

la aceleración de la gravedad,

Esta equivale exactamente a: g = 9,80665 m/s2 en el SI, o

g = 32,174 ft/s2 en el sistema inglés.

Las aproximaciones frecuentemente empleadas son 9,81 o 9,8 en el primer

caso y 32,2 o simplemente 32 en el segundo caso.

Multiplicación de efectos:

En el SI, la unidad de fuerza, es el Newton -unidad derivada-, (definida en

términos de las unidades básicas para la masa, la longitud y el tiempo).

El newton, N, es la fuerza necesaria para comunicar a la masa de un

kilogramo la aceleración de un metro por segundo en cada segundo

(F=m*a).

Así, un newton equivale a: 1 N = (1 kg)*(1 m/s2) = 1 kg • m/s2





Si se busca determinar el peso en newtons de un objeto cuya masa es 1000 kg, con

g=9,80665 m/s2, entonces:

F = m*g = (1000 kg)*(9,80665 m/s2) = 9806,65 kg • m/s2 = 9806,65 N

En términos aproximados se podrían indicar: 9.806,7 N o 9.807 N

Al usar las aproximaciones de g indicadas antes (9,81 o 9,8) se tendrían 9.810 N o

9.800 N

El arrastre de aproximaciones modifica mayormente los resultados.

Ejemplo: Trabajo = F*x, donde x es el desplazamiento.

Si x=1,12 m (metros), podrían tenerse los siguientes resultados:

Trabajo = F*x = 9806,65 [N]*1,12[m] = 10.983,448 Nm (1)

Aproximaciones: 10.983,45; 10.983,5; 10.983,4 o, incluso 10.983 Nm

Con los valores aproximados de g los resultados serían:

Trabajo = 9.810*1,12 = 10.987,2 ≈ 10.987 Nm, o

Trabajo = 9.800*1,12 = 10.976 Nm (2)

Puede apreciarse que, entre el valor original (1) y la aproximación (2) se da

una diferencia de: 10.983,448 – 10.976 = 7,448 Nm





(Potencia = Energía/Tiempo)

OTRAS:

1 kgf = 9.80665 N

1 lbf = 4.44822 N

! Kgm = 2.2046 lbm 1 pie(ft) = 12 pulg (in) = 0.3048 m [1 m = 3.28 ft]

[1 hp = 0.746 kW]





Observación:

La numeración decimal en inglés usa el punto. Por ejemplo 1.12 y

en la separación en miles, habitualmente la coma. Por ejemplo 9,800.

En Chile, como en la mayoría de los países de habla hispana es al revés. Esto

debe tenerse presente sobretodo en el uso de calculadoras científicas o

software de cálculos.

En nuestro curso, al igual que como ocurre en distintos ámbitos, podrán

encontrarse muy habitualmente ambas modalidades de puntuación.

Asimismo, como antes se señaló, se usarán en el curso la equivalencia

de unidades, entre el SI, el sistema inglés, e incluso otras unidades de

uso habitual.

Será requisito fundamental del curso manejar con

soltura estas exigencias elementales.





Medición de Presión

La presión es la fuerza de compresión por unidad de área y da la impresión de

ser un vector. Sin embargo, la presión en cualquier punto de un fluido es la misma

en todas direcciones, es decir, tiene magnitud pero no dirección específica y por lo

tanto es una cantidad escalar.

La presión en un líquido se incrementa de forma lineal

con la profundidad desde la superficie libre.

El diferencial de presión entre los dos puntos será:

P2 - P1 = ρgh = Ɣh

Siendo: ρg = Ɣ Peso específico del fluido





Es posible usar una columna de fluido para medir diferencias de presión. Un

dispositivo basado en este principio se llama manómetro, y comúnmente se usa

para medir diferencias de presión pequeñas y moderadas.

Un manómetro consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que

contiene uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite. Para que el

manómetro tenga un tamaño manejable se usan fluidos pesados como el mercurio,

si existen grandes diferencias de presión.

El manómetro de la figura, se utiliza para medir la presión

del gas en el recipiente. Este sistema corresponde a un

manómetro básico. La presión en cualquier parte del

recipiente y en la posición 1 tiene el mismo valor.

Dado que la presión en un fluido no varía dentro de éste en dirección horizontal, la

presión en el punto 2 es la misma que la presión en el punto 1, (P2 = P1).

La columna diferencial de fluido de altura h está en equilibrio estático y se halla abierta

a la atmósfera; por lo tanto, la presión en el punto 2 se determina de forma directa,

como P2 = Patm + ρgh

donde ρ es la densidad del fluido en el tubo





Una consecuencia de la presión en un fluido que permanece constante en

la dirección horizontal es que la presión ejercida sobre un fluido

incompresible (todos los líquidos son fluidos incompresibles) dentro de un

recipiente rígido, se transmite a todos los puntos del mismo con el mismo

valor. Esto se llama ley de Pascal.

Pascal también señaló que la fuerza ejercida

por un fluido es proporcional al área

superficial. Basado en ese principio estableció

que dos cilindros hidráulicos de áreas

diferentes podían ser conectados y que el

más grande se podía usar para ejercer una

fuerza proporcionalmente mayor que la

aplicada al menor. (Frenos y ascensores hidráulicos operan bajo ese principio)





Particularmente, los manómetros son adecuados para medir caídas de presión en

una sección de flujo horizontal entre dos puntos

especificados, debidas a la presencia de un

dispositivo como una válvula, intercambiador

de calor o cualquier resistencia al flujo.

Esto se hace conectando las dos ramas de un manómetro

a estos dos puntos, según se ilustra en la figura.

El fluido de trabajo puede ser un gas

o un líquido cuya densidad es ρ1. La densidad del fluido del

manómetro es ρ2 y la altura diferencial del fluido es h.

La diferencia de presión viene dada por: P1 – P2 = (ρ2 – ρ1)gh

Cuando el fluido dentro de la tubería es un gas,

entonces ρ1 << ρ2 y la ecuación se

simplifica a:

P1 – P2 ≅ ρgh





Otro tipo de dispositivo mecánico de medición de presión de uso común es el tubo

de Bourdon, nombrado así en honor del ingeniero e inventor francés Eugene

Bourdon (1808-1884). Este instrumento consiste en un tubo metálico hueco y

curvado como un gancho, cuyo extremo está cerrado y conectado a una aguja

indicadora de disco.

Cuando el tubo se encuentra abierto a la atmósfera no tiene desviación y la aguja indicadora de disco en este estado se calibra a cero (presión manométrica). Cuando se incrementa la presión del fluido dentro del tubo, éste se alarga y mueve la aguja en proporción a la presión aplicada.





La presión puede medirse también por otros medios. La electrónica, por

ejemplo, ha abierto camino a diversos dispositivos de medición de presión.

Un tipo importante de medidores incorpora el efecto piezoeléctrico.

Cuando ciertos materiales sólidos se deforman se genera una carga en su

interior. La relación estímulo mecánico/respuesta eléctrica suministra la base

para la medida de la presión y también para las medidas de fuerza y

desplazamiento.

Sensor de presión

piezoeléctrico conectado a

un sistema automático de

adquisición de datos.





Los modernos sensores de presión, llamados transductores de presión,

utilizan varias técnicas para convertir el efecto producido por la presión a

otro de tipo eléctrico como el cambio de voltaje, resistencia o capacitancia.

Los transductores de presión son más pequeños y más rápidos y pueden

ser más sensibles, confiables y precisos que sus contrapartes mecánicas.

Además, con ellos es posible medir presiones inferiores a una millonésima

de 1 atm hasta varios miles de atm.









ENERGÍA Y SUS INTERACCIONES. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en

las transformaciones que ocurren en la naturaleza. Es un concepto central en

Termodinámica y uno de los aspectos fundamentales en los análisis de ingeniería. La

termodinámica se puede incluso llegar a definir como la ciencia de la energía.

Cada persona tiene una

idea sobre este término,

Sin, tal vez, ni siquiera poder

explicarla adecuadamente.

En términos simples se puede

señalar que la energía se

manifiesta en los cambios

físicos, por ejemplo, cuando se eleva un objeto, cuando éste se transporta, cuando se

deforma o cuando se calienta.

http://www.google.cl/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=mHN2wdLTXd1gvM&tbnid=xSR1umN2K335lM:&ved=0CAYQjRw&url=http://ceiplarreasexto.blogspot.com/&ei=_WciU5TbF-nY0QGB5oDoDQ&bvm=bv.62922401,d.dmQ&psig=AFQjCNEMXRUS7S7_kdckFlcS-Vry2n593Q&ust=1394849915013800





Una idea básica es que la energía puede almacenarse dentro de los sistemas en

diversas formas macroscópicas. La energía también puede transformarse de una

forma a otra y transferirse entre sistemas.

Para sistemas cerrados la energía se transfiere por medio de trabajo y de calor. La

cantidad total de energía se conserva en todas las transformaciones y transferencias.

Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio

de conservación de la energía. Éste expresa que durante una

interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero

su cantidad total permanece constante. Es decir, la energía no

se crea ni se destruye.

Una roca que cae de un acantilado, por ejemplo, adquiere

velocidad como resultado de su energía potencial convertida

en energía cinética.

http://www.google.cl/imgres?safe=active&sa=X&biw=1051&bih=478&tbm=isch&tbnid=ZYRxuZt5dT_7eM:&imgrefurl=http://html.rincondelvago.com/energia-solar_15.html&docid=1Q3yE75jxBpcZM&imgurl=http://html.rincondelvago.com/000349275.jpg&w=695&h=380&ei=lWkiU7yyMofn0gGqloCgAg&zoom=1&ved=0CKMBEIQcMBg&iact=rc&dur=4391&page=3&start=20&ndsp=12





El principio de conservación de la energía también

se aprecia en las dietas: una persona que tiene un

mayor consumo energético (alimentos) respecto a

su gasto de energía (ejercicio) aumentará de peso

(almacena energía en forma de grasa), mientras

otra persona con una ingestión menor respecto a

su gasto energético perderá peso.

El cambio en el contenido energético de un cuerpo

o de cualquier otro sistema es igual a la

diferencia entre la entrada y la salida de energía, y

el balance de ésta se expresa como: Eentrada - Esalida = ΔE

La primera ley de la termodinámica es una expresión del principio de conservación

de la energía.

Existe también la segunda ley de la termodinámica, la cual afirma que la energía tiene

calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la

calidad de la energía.

Por ejemplo, una taza de café caliente sobre una mesa en algún momento se

enfría, pero una taza de café frío en el mismo espacio nunca se calienta por sí

misma.





La energía es parte importante en la mayoría de los aspectos cotidianos; por

ejemplo, la calidad de vida y su sostenibilidad dependen de su disponibilidad. De ahí

que sea importante tener una buena comprensión de las fuentes energéticas,

La conversión de la energía de una forma a otra (nuclear en térmica, térmica en mecánica, mecánica en eléctrica)

y las ramificaciones de estas conversiones (térmica del vapor se convierte primero en energía cinética, la cual hace girar un eje y el giro de

ese eje es energía mecánica. El vapor debe luego condensarse, alimentar una bomba de

recirculación que hace ingresar ese condensado a un intercambiador de calor donde se

transforma de nuevo en vapor).

También debe distinguirse lo que son las formas de energía, que son muchas; entre

ellas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear.





Incluso la masa puede ser considerada una forma de energía. Ésta se puede

transferir hacia o desde un sistema cerrado (una masa fija) en dos formas distintas:

calor y trabajo.

La energía total E de un sistema, es la suma de todas las energías (por ejemplo:

cinética + potencial + térmica, etc.). Por unidad de masa se denota como e y se

expresa como e = E/m (KJ/Kg).

Para volúmenes de control, la energía se puede transferir por flujo de masa (por

ejemplo, una tubería que transporta agua caliente).

Una transferencia de energía hacia o desde un sistema cerrado es calor si la provoca

una diferencia de temperatura. De lo contrario es trabajo, y lo origina una fuerza que

actúa a través de una distancia.

La termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto de la

energía total, sólo trata con el cambio de ésta, que es lo importante en los

problemas de ingeniería.

Así, a la energía total de un sistema se le puede asignar un valor cero (E = 0) en

algún punto de referencia. El cambio de energía total de un sistema es independiente

del punto de referencia seleccionado.





La disminución en la energía potencial de una roca que cae, por ejemplo, depende

sólo de la diferencia de alturas y no del nivel de referencia seleccionado.

En el análisis termodinámico, la energía total de un sistema

puede comprender formas externas (macroscópicas) o

Internas del objeto o sustancia (microscópicas).

Las formas macroscópicas de energía son las que posee un

sistema como un todo en relación con un determinado

marco de referencia exterior, como las energías cinética y potencial.

La suma de todas las formas microscópicas de energía (traslación, rotación,

vibración, etc. de cada molécula) se denomina energía interna de un sistema y se

denota como U (como propiedad específica es u = U/m (KJ/Kg)).

La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con

un determinado marco de referencia se llama energía cinética (EC). Cuando todas

las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad, la energía cinética se

expresa como

o bien, por unidad de masa, donde V denota la velocidad del

sistema con respecto a algún marco de referencia fijo.

La energía macroscópica de un

objeto cambia con la velocidad y

la altura.





La energía que posee un sistema como resultado de su incremento de altura en un

campo gravitacional se llama energía potencial (EP)

y se expresa como: EP = mgz (kJ)

O por unidad de masa, ep = gz (kJ/kg)

siendo g la aceleración de gravedad y z la altura del centro de gravedad de un

sistema con respecto a algún nivel de referencia elegido arbitraria mente.

Los efectos magnético, eléctrico y de tensión superficial son significativos sólo en

casos especiales y en general se ignoran, como fue señalado al inicio del curso. En

ausencia de esta clase de efectos, la energía total de un sistema entonces se

expresa como:

o bien, por unidad de masa,

Los sistemas cerrados, característicamente no experimentan cambios en sus

energías cinética y potencial, razón por la cual su variación de energía sólo estará

dada por el cambio que experimente su energía interna.





Cuando existen variaciones entre dos estados 1 y 2 deben considerarse las

variaciones de energía entre esos dos estados; así se podrán tener:

• Variaciones de la energía interna, ΔU = U2 – U1 = m2u2 – m1u1

Si el sistema es de masa constante entonces ΔU = m (u2 – u1)

• Variaciones de la energía cinética, ΔEC = EC2 – EC1 = m2

𝑉22

2 - m1

𝑉21

2

si la masa es la misma, entonces: ΔEC = EC2 – EC1 = m(𝑉2

2

2 -

𝑉21

2)

• Variaciones en La energía potencial, ΔEP = EP2 – EP1 = m2gz2 – m1gz1

si la masa es la misma, entonces: ΔEC = EP2 – EP1 = mg(z2 – z1)

Y la variación total de energía será:

ΔE = ΔU + ΔEP + ΔEC





En cuanto a los volúmenes de control, éstos en general están relacionados con el

flujo de un fluido durante determinados periodos de tiempo.

Por ello es conveniente expresar los términos de manera tal que se manifieste la

rapidez con la que se transmite la energía asociada al flujo de un fluido. Esto se

consigue al incorporar el flujo másico 𝒎 (kg/s), que es la cantidad de masa que

fluye por una sección transversal por unidad de tiempo.

y se relaciona con el flujo volumétrico 𝑽 (o ∀ ), definido como el volumen de un fluido que fluye

por una sección transversal por unidad de tiempo,

mediante 𝒎 = ρ*𝑽 = ρ*At*Vprom

donde ρ es la densidad del fluido, At el área de

sección transversal de flujo y Vprom es la velocidad

media del flujo normal a At.

Así, el flujo de energía asociado con un flujo de fluido será: 𝑬 = 𝒎 *e

Las variaciones de energía en este caso, Δ𝑬 , deben considerar consecuentemente

las diversas variaciones de la energía incluyendo la condición de flujo.





TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR

La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos

formas distintas: calor y trabajo, como lo muestra la figura.

Respecto del calor: Cuando un cuerpo se coloca en un medio que

está a una temperatura diferente, la transferencia de energía tiene

lugar entre el cuerpo y el medio hasta que se establece el equilibrio térmico, es decir,

cuando ambos alcanzan la misma temperatura. La dirección de la transferencia de

energía es siempre del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura. Una

vez establecida la igualdad de temperatura, termina la transferencia de energía. En

este proceso se afirma que la energía se transfiere en forma de calor.

El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o

entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperaturas.

El calor es energía en transición y se reconoce sólo

cuando cruza la frontera de un sistema. Así, en

termodinámica el término calor significa simplemente

transferencia de calor.





Un proceso durante el cual no hay transferencia de calor se denomina proceso

adiabático. El término adiabático proviene de la palabra griega adiabatos, que

significa “no pasar”.

Hay dos maneras en que un proceso puede ser adiabático: el

sistema está bien aislado de modo que sólo una cantidad

insignificante de calor cruza la frontera, o bien, tanto el

sistema como el exterior están a la misma temperatura y por

lo tanto no hay fuerza impulsora (diferencia de temperatura)

para la transferencia de calor.

Como forma de energía, el calor tiene unidades de energía, la más común es el kJ (o

Btu). La cantidad de calor transferida durante el proceso entre dos estados (1 y 2) se

denota mediante Q12 o sólo Q. La transferencia de calor de un sistema por unidad de

masa se denota como q y se determina a partir de

q = Q/m (kJ/kg)

La “rapidez” con la que se transfiere el calor se expresa como 𝑸 , donde el punto

significa la derivada con respecto al tiempo, o “por unidad de tiempo”. La “tasa” de

transferencia de calor 𝑄 tiene las unidades kJ/s, equivalente a kW.

Cuando 𝑄 varía con el tiempo, la cantidad de transferencia

de calor durante un proceso se determina integrando 𝑄 sobre el intervalo de tiempo del proceso:





Cuando 𝑄 permanece constante durante un proceso, esta

relación se reduce a

donde ΔT = t2 - t1, es el intervalo de tiempo durante el que

ocurre el proceso.

El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una

sustancia a las adyacentes menos energéticas, como resultado de la interacción entre

partículas. La convección es la transferencia de energía entre una superficie sólida y el

fluido adyacente que se encuentra en movimiento, y tiene que ver con los efectos

combinados de la conducción y el movimiento del fluido. La radiación es la

transferencia de energía debida a la emisión de ondas electromagnéticas (o fotones).





TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO

Al igual que el calor, el trabajo es una interacción de energía que ocurre entre un

sistema y el exterior.

El trabajo hecho por, o sobre, un sistema y evaluado en términos de fuerza y despla-

zamiento observable macroscópicamente es:

W = 𝐹. 𝑑𝑠𝑠2

𝑠1

De esta manera, el trabajo es la transferencia de energía relacionada con una fuerza

que actúa a lo largo de una distancia.

Un pistón ascendente

o un eje que gira, son

las formas más clási-

cas de trabajo.

Hay también otras formas como: trabajo eléctrico, trabajo de un resorte y otros, que

cruzan las fronteras del sistema son también situaciones que se relacionan con

interacciones de trabajo, aunque de menor uso en termodinámica.

Siendo una energía, las unidades de trabajo son kJ o sus equivalentes. El trabajo

realizado durante un proceso entre los estados 1 y 2 se denota por W12 , 1W2, o sólo

W..





El trabajo por unidad de masa de un sistema se denota mediante w y se expresa

como w = W/m (kJ/kg)

CONVENIO DE SIGNOS:

En la termodinámica se utiliza un convenio de signos para Calor y Trabajo, que

tiene que ver con el grado de aporte o entrega de energía de un sistema o hacia el

sistema. Dicho convenio establece que:

El calor aportado a un sistema es positivo

El calor que “entrega” el sistema es negativo

El Trabajo que entrega o “sale” del sistema es positivo

El Trabajo que se le entrega a un sistema es negativo

Q > 0

W > 0

W < 0

Q < 0





Calor y Trabajo no son propiedades del sistema:

Estas formas de energía como Calor y trabajo dependen del tipo de proceso que se

dé en un determinado sistema; en otras palabras dependen de la trayectoria, razón

por la cual frente a un pequeño cambio, son lo que matemáticamente se conoce

como diferenciales inexactas, es decir, no dependen de sus estados inicial y final.

La diferencial del trabajo 𝛿W se conoce como inexacta porque, en general, la integral

correspondiente no puede calcularse sin especificar los detalles del proceso:

Lo mismo ocurre en el caso del calor.

Por otra parte, la diferencial de una propiedad se llama exacta cuando el cambio en

dicha propiedad entre dos estados particulares no depende en modo alguno del tipo

de proceso que los une. Por ejemplo, el cambio de volumen entre dos estados puede

determinarse integrando la diferencial dV, sin importar los detalles del proceso, esto

es:

Toda propiedad es una diferencial exacta





Al igual que en el caso del calor, cuando se evalúa el trabajo en un período de tiempo,

equivalente a lo que antes llamamos “rapidez” (o velocidad) con la que se transfiere el

calor, si bien esa rapidez es también llamada “potencia” calórica o potencia térmica, el

término potencia, es explícitamente utilizado en el caso de trabajo.

Así, La velocidad de transferencia de energía mediante trabajo se llama potencia y

se representa por 𝑾 . Sus unidades son típicamente el Watts (W).

TRABAJO DE EXPANSIÓN O COMPRESIÓN

Queremos calcular el trabajo hecho por

el sistema cerrado de la figura,

consistente en un gas (o líquido) conte-

nido en un dispositivo cilindro-pistón,

cuando el gas se expande.

Durante ese proceso de expansión, la

presión del gas ejerce una fuerza normal

sobre el pistón.

Si p es la presión que actúa en la superficie de separación entre el gas y el pistón, la

fuerza que ejerce el gas sobre el pistón es simplemente F = p*A. donde A es el área

de la superficie del pistón (también conocido como émbolo).





El trabajo hecho por el sistema cuando el pistón se desplaza una distancia dx es

El producto A dx equivale al cambio en el volumen del sistema, dV. Así, la expresión

del trabajo puede escribirse como

puesto que dV es positiva cuando el volumen aumenta, el trabajo en la frontera en

movimiento es positivo cuando el gas se expande. El valor de dV es negativo para

una compresión y también lo es el trabajo resultante. Estos signos están de acuerdo

con lo establecido previamente en el convenio de signos para el trabajo.

El trabajo, para un cambio en el volumen desde V1 a V2, se obtiene integrando la

ecuación anterior con lo cual:

Aunque esta ecuación se ha deducido para el caso de un gas (o líquido) en un

dispositivo cilindro-pistón, es también aplicable a sistemas de cualquier forma

siempre que la presión sea uniforme con la posición sobre la superficie límite en

movimiento.

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