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Mg. Joel Herradda Villanueva

TERMODINÁMICA Y

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TERMODINÁMICA Y. ONDAS MECÁNICAS. Mg. Joel Herradda Villanueva. TEMPERATURA. CONCEPTO: - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: TERMODINÁMICA   Y

Mg. Joel Herradda Villanueva

Page 2: TERMODINÁMICA   Y

CONCEPTO:

La temperatura es aquella magnitud física de tipo tensorial que nos indica de un modo directo el grado de movilidad de las moléculas de una sustancia. Es decir es la manifestación del grado de agitamiento molecular

Page 3: TERMODINÁMICA   Y

Considérense dos sistemas “A” y “B” separados entre sí por un material aislante, y puesto en contacto cada una de ellas con un tercer sistema “C” mediante un mateial conductor.

C

A B

Material aislante

Material conductor

Page 4: TERMODINÁMICA   Y

Se produce una transferencia de energía entre los sistemas “A” y “c” hasta que ambos sistemas llegen al equilibrio térmico; lo mismo pasa con los sitemas “B” y “C”.

Es decir los sistemas “A” y ”B” alcanzan el equilibrio térmico con el sitema “C”.

Ahora, si después de ello se ponen en contacto los sistemas “A” y “B” mediante un material conductor.

Material conductor

Evidentemente, no se producirá más cambios, los sistemas “A” y “B” estan a la misma temperatura, e igual a la del sistema “C”.

Es decir lo sistema “A” y “B” estan en equilibrio térmico.

Page 5: TERMODINÁMICA   Y

La temperatura se expresa en grados, por lo general en una de las dos escalas relativas: Celsius y Fahrenheit, o en una de las dos escalas absolutas Kelvin o Rankine.

• Escala Celsius: Es aquella que tiene 100 divisiones donde 0 grados y 100 grados centígrados son las temperaturas de referencia.

• Escala Fahrenheit: Esta tiene 180 divisiones, donde 32°F y 212°F son las temperaturas de referencia.

• Escala Kelvin: Esta tiene 273 divisiones desde el cero absoluto hasta la fusión del agua y 100 divisiones entre las temperaturas de referencia.

• Escala Rankine: Esta tiene 492 divisiones desde el 0 absoluto hasta la fusión del agua y 180 divisiones entre las temperaturas de referencia

Page 6: TERMODINÁMICA   Y

100 212 373 672

C F K R

0 32 273 492

-273 -460 0 0

°C ° F ° K ° R

PE

PF

CA

PE = Punto de ebullición del agua.

PF = Punto de fusión del agua (punto triple del agua).

CA = Cero absoluto.

Nota: Se denomina cero absoluto a la temperatura a la cual las moléculas tienden a cesar su movimiento, es decir, es el estado de energía cinética mínima, pero no igual a cero.

Page 7: TERMODINÁMICA   Y

OBSERVACIÓN: Si ° C, ° F, ° K y ° R son las lecturas de una misma temperatura en las distintas escalas, se cumple la siguiente relación:

9492º

5273º

932º

5º RKFC

Page 8: TERMODINÁMICA   Y

Cuando aumentamos o disminuimos la temperatura de un cuerpo a nivel microscópico se produce un aumento o disminución respectivamente de la distancia promedio entre las moléculas, efecto que en conjunto aumentan o disminuyen el tamaño de los cuerpos.

De este modo se deduce que:

“Al calentarse los cuerpos se dilatan y al enfriarse se contraen”

DILATACIÓN LINEAL DILATACIÓN SUPERFICIAL DILATACIÓN VOLUMÉTRICA

Page 9: TERMODINÁMICA   Y

Tipo de dilatación que experimentan los cuerpos cuya dimensión predominante es la longitud

Lf

Lo ∆ L

∆L = Lf – Lo

∆L = Lα ∆T

Lf = L(1+ α ∆T)

∆T = Tf - To

Donde: α: coeficiente de dilatación lineal propio del material y que se expresa en (1/° C) ó (1/° K). Además se verifica que su valor es pequeño:

Page 10: TERMODINÁMICA   Y

Es el tipo de dilatación que experimentan los cuerpos en donde la superficie es la dimensión predominante. Aquí se verifica lo siguiente:

∆S = Sf – So

∆S =Soβ ∆T

Sf = So(1+ β ∆T) Tf

So So

To

Donde: β: coeficiente de dilatación superficial.

β = 2 α

Page 11: TERMODINÁMICA   Y

Se le llama también dilatación cúbica y viene a ser la dilatación real que experimentan todos los cuerpos. Aquí se verifica lo siguiente:

∆V = Vf – Vo

∆V = Voθ∆T

Vf = Vo(1+θ ∆T) Vo

Tf

Vf

To

Donde: θ = coeficiente d dilatación volumétrica

Θ = 3 α

Page 12: TERMODINÁMICA   Y

• Si un cuerpo se dilata, sus dimensiones internas también se dilatan.

• Si se incrementa la temperatura de un cuerpo, la distancia entre dos puntos específicos del cuerpo aumenta según el fenómeno de la dilatación lineal.

Page 13: TERMODINÁMICA   Y

CONCEPTO:

Cuando expusimos los fundamentos de la ley cero de la termodinámica intuimos la existencia de una forma especial de energía que se transmite desde un cuerpo de alta temperatura hacia un cuerpo de baja temperatura otras veces de una pérdida de energía vibratoria de las moléculas de cuerpo de alta temperatura, y que ganaban las moléculas de bajas temperaturas, es a esta energía a la que llamamos calor, y que solo existe como energía en transito entre cuerpo que mantienen una diferencia de temperaturas.

Page 14: TERMODINÁMICA   Y

El calor procede de una energía no almacenable se mide por los efectos que produce; de este modo se establecieron las siguientes unidades.

Caloría: (cal) representa la cantidad de calor que debe ganar un gramo de agua para elevar su temperatura 1ºC. De 14,5ºC a 15,5 ºC

Kilocaloría: (kal) es la cantidad de calor que debe ganar o perder un kilogramo de agua para elevar o disminuir su temperatura en 1° C.

1kcal = 1000cal

Por convenio internacional la caloría se define en la actualidad como 1/860 watio-hora.

Como el calor es una forma de energía, también se mide en Jouls

1 cal = 4,186 J (equivalente mecánico del calor)

Page 15: TERMODINÁMICA   Y

Es la magnitud física escalar que nos indica la cantidad de calor que debe ganar o perder un cuerpo para elevar o disminuir su temperatura en un grado

Page 16: TERMODINÁMICA   Y

Es la magnitud escalar que expresa una característica propia de cada sustancia que nos indica la cantidad de calor (Q) que un cuerpo debe de ganar o perder para que su unidad de masa aumente o disminuya su temperatura en un grado.

mdtdQ

mdtdQ

C )(

mcdtdQ

Page 17: TERMODINÁMICA   Y

tmcQ

ttmcdtmcQ

CdtmQ

t

t

t

t

)(

: tienese Integrando

12

2

1

2

1

Page 18: TERMODINÁMICA   Y

Muchas veces es muy útil emplear como unidad de masa el mol_gramo. Un mol_gramo es un numero igual al peso molecular M.Para calcular el numero de moles M, se divide la masa en gramos por el peso molecular.

Mm

nmdt

dQc

molar) calorifica capacidad(ndtdQ

McC

Page 19: TERMODINÁMICA   Y

La capacidad calorífica molar medida a presión cte, La capacidad calorífica molar medida a presión cte, para todos los metales excepto los muy ligeros, es para todos los metales excepto los muy ligeros, es aproximadamente la misma e igual a 6 cal/mol°caproximadamente la misma e igual a 6 cal/mol°c

• EL CALORIMETRO: Es un recipiente que se usa para : Es un recipiente que se usa para calcular calores específicos, el interior de este calcular calores específicos, el interior de este recipiente se encuentra aislado convenientemente recipiente se encuentra aislado convenientemente con el propósito de evitar perdidas de calor.con el propósito de evitar perdidas de calor.el calorímetro contiene agua cuya masa se ha el calorímetro contiene agua cuya masa se ha medido previamente, y un termómetro sumergido medido previamente, y un termómetro sumergido en él, que mide la temperatura.en él, que mide la temperatura.

Para calcular el calor especifico de una sustancia se Para calcular el calor especifico de una sustancia se toma una muestra de dicha sustancia y se calienta toma una muestra de dicha sustancia y se calienta evitando que alcance temperaturas altas, porque evitando que alcance temperaturas altas, porque cambiara de fase en el agua del calorímetro, se cambiara de fase en el agua del calorímetro, se mide la temperatura y se introduce en el mide la temperatura y se introduce en el calorímetro para después medir la temperatura de calorímetro para después medir la temperatura de equilibrio. equilibrio.

Page 20: TERMODINÁMICA   Y
Page 21: TERMODINÁMICA   Y

En un calorímetro de plomo cuya En un calorímetro de plomo cuya masa es de 200gr y que se masa es de 200gr y que se encuentra a 20°C, se coloca 50gr de encuentra a 20°C, se coloca 50gr de agua a 40°C y se añade 60gr de agua a 40°C y se añade 60gr de agua a 80°c. determinar la agua a 80°c. determinar la temperatura del equilibrio térmico.temperatura del equilibrio térmico.(Ce pb=0.03 cal/g°c)(Ce pb=0.03 cal/g°c)

Page 22: TERMODINÁMICA   Y

20°c T40°c 80°c

grmpb 200 grm OH 502

grm OH 602

cgcalCepb /03.0

cT

TTT

TCemTCemTCem

QQQ

Qi

OHOHOHOHpbpb

6.59

0)80)(1)(60()40)(1)(50()20)(03.0)(200(

0)80()40()20(

0

0

:calor delón conservacipor

2222

321

Page 23: TERMODINÁMICA   Y

• FASE: FASE: Es estado de una sustancia que Es estado de una sustancia que tiene constitución física homogénea y su tiene constitución física homogénea y su composición química permanece composición química permanece inalterable.inalterable.En la naturaleza pueden existir como fase En la naturaleza pueden existir como fase liquida, fase sólida, vapor.liquida, fase sólida, vapor.

• CAMBIOS DE FASECAMBIOS DE FASE: Es aquel fenómeno : Es aquel fenómeno físico que consiste en el reordenamiento físico que consiste en el reordenamiento molecular, que experimenta una sustancia molecular, que experimenta una sustancia como consecuencia de la ganancia o como consecuencia de la ganancia o perdida de calor bajo determinadas perdida de calor bajo determinadas condiciones, de presión y temperatura. condiciones, de presión y temperatura.

Page 24: TERMODINÁMICA   Y

Sólido Vapor

Líquido

Page 25: TERMODINÁMICA   Y

• FUSIÓNFUSIÓN: Es el cambio de la fase sólida ala fase liquida.: Es el cambio de la fase sólida ala fase liquida.

• TEMPERATURA DE FUSIÓN (Tf)TEMPERATURA DE FUSIÓN (Tf): Es la temperatura : Es la temperatura alcanzada por un cuerpo en la cual está en condiciones alcanzada por un cuerpo en la cual está en condiciones de cambiar de la fase sólida a fase liquida. La de cambiar de la fase sólida a fase liquida. La temperatura de fusión depende de la presión ejercida temperatura de fusión depende de la presión ejercida sobre el cuerpo.sobre el cuerpo.

• CALOR LATENTECALOR LATENTE: Es el calor por unidad de masa que se : Es el calor por unidad de masa que se debe de entregar a una sustancia para que cambie de debe de entregar a una sustancia para que cambie de fase.fase.El calor latente representa la cantidad de calor que debe El calor latente representa la cantidad de calor que debe recibir 1 kg de una sustancia cuando se encuentra a su recibir 1 kg de una sustancia cuando se encuentra a su temperatura de fusión para pasar de la fase sólido a la temperatura de fusión para pasar de la fase sólido a la fase liquido, para el hielo el calor latente de fusión es fase liquido, para el hielo el calor latente de fusión es

mQ

L

grcalL /80

Page 26: TERMODINÁMICA   Y

• SOLIDIFICACIÓNSOLIDIFICACIÓN: Es el proceso inverso a la : Es el proceso inverso a la fusión es decir, es el cambio de fase fusión es decir, es el cambio de fase liquida a fase sólida esto ocurre en las liquida a fase sólida esto ocurre en las mismas condiciones de presión y mismas condiciones de presión y temperatura de la fusión.temperatura de la fusión.

• CALOR LATENTE DE SOLIDIFICACIÓN (Ls): CALOR LATENTE DE SOLIDIFICACIÓN (Ls): Es la cantidad de calor que se debe Es la cantidad de calor que se debe extraer a cada unidad de masa de la extraer a cada unidad de masa de la sustancia para cambiar de fase liquida a sustancia para cambiar de fase liquida a fase sólida. fase sólida.

sf LL

Page 27: TERMODINÁMICA   Y

• VAPORIZACIÓNVAPORIZACIÓN: Se define como el : Se define como el proceso de cambio de fase liquida a proceso de cambio de fase liquida a vapor.vapor.

• CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (Lv)CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (Lv): : Es el calor que se debe entregar a cada Es el calor que se debe entregar a cada unidad de masa de la sustancia liquida.unidad de masa de la sustancia liquida.

El calor latente de vaporización de agua El calor latente de vaporización de agua a una atm de presión es:a una atm de presión es:

grcalLv /540

Page 28: TERMODINÁMICA   Y

• CONDENSACIÓNCONDENSACIÓN: Es el proceso inverso a : Es el proceso inverso a la vaporización. Ocurre a la misma la vaporización. Ocurre a la misma temperatura de ebullición.temperatura de ebullición.

• CALOR LATENTE DE CONDENSACIÓN (Lc):CALOR LATENTE DE CONDENSACIÓN (Lc): Es la cantidad de calor que se debe quitar Es la cantidad de calor que se debe quitar a 1gr de vapor de una sustancia para a 1gr de vapor de una sustancia para cambiarla a la fase liquida cuando se cambiarla a la fase liquida cuando se encuentra a su respectiva temperatura de encuentra a su respectiva temperatura de condensación o vaporización.condensación o vaporización.

cv LL

Page 29: TERMODINÁMICA   Y

• CANTIDAD DE CALOR LATENTECANTIDAD DE CALOR LATENTE: Es la : Es la cantidad de calor que recibe o pierde una cantidad de calor que recibe o pierde una sustancia durante el proceso de cambio de sustancia durante el proceso de cambio de fase.fase.

m = masa de cambio de fase m = masa de cambio de fase

L = Lv (si se tiene vaporización o L = Lv (si se tiene vaporización o condensación)condensación)

L = Lf (si se tiene fusión o solidificación)L = Lf (si se tiene fusión o solidificación)

mLQ

Page 30: TERMODINÁMICA   Y

Se tiene 20gr de hielo a -10°c Se tiene 20gr de hielo a -10°c ¿Cuánto de calor es necesario ¿Cuánto de calor es necesario entregar para convertir el hielo en entregar para convertir el hielo en vapor a temperatura de 150°C?vapor a temperatura de 150°C?

Ce hielo = 0.5cal/g°CCe hielo = 0.5cal/g°C

Ce vapor = 0.5cal/g°CCe vapor = 0.5cal/g°C

Page 31: TERMODINÁMICA   Y

-10°c

0°c 100°c 150°c

M hielo = 20gr

Análisis de calorQ1: calor sensible necesario para calentar el hielo desde -10°c hasta 0°cQ1 = m hielo Ce hielo (0- (-10))Q1 = (20)(0.5)(10)Q1 = 100cal.

Q2: calor latente de fusión necesaria para derretir el hielo a 0°c (Lf=80cal/gr) Q2 = mLfQ2 = (20)(80)Q2 = 1600cal

Page 32: TERMODINÁMICA   Y

Q3 = calor sensible necesaria para calentar el agua desde 0°c Q3 = calor sensible necesaria para calentar el agua desde 0°c hasta 100°chasta 100°c

Q3 = mCe(100-0)Q3 = mCe(100-0)Q3 = (20)(1)(100)Q3 = (20)(1)(100)Q3 = 2000calQ3 = 2000cal

Q4 = calor latente de vaporización necesaria para vaporizar Q4 = calor latente de vaporización necesaria para vaporizar todo el agua a 100°c todo el agua a 100°c (Lv=540cal/gr) (Lv=540cal/gr)

Q4 = mLvQ4 = mLvQ4 = (20)(540)Q4 = (20)(540)Q4 = 10800calQ4 = 10800cal

Q5 = calor sensible necesario para calentar el vapor desde Q5 = calor sensible necesario para calentar el vapor desde 100°c hasta 150°c100°c hasta 150°c

Q5 = mCe (150-100)Q5 = mCe (150-100)Q5 = (20)(0.5)(50)Q5 = (20)(0.5)(50)Q5 = 500calQ5 = 500cal

El calor necesario total será:El calor necesario total será:

Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=15000calQ1+Q2+Q3+Q4+Q5=15000cal

Page 33: TERMODINÁMICA   Y

Se mezclan 5gr de hielo a 0°C con Se mezclan 5gr de hielo a 0°C con 45gr de agua a 10°C ¿Qué cantidad 45gr de agua a 10°C ¿Qué cantidad de energía gana el hielo cuando el de energía gana el hielo cuando el sistema se estabiliza?sistema se estabiliza?

Page 34: TERMODINÁMICA   Y

0°c T 10°c

grmhielo 5 grm OH 452

Page 35: TERMODINÁMICA   Y

Cuando el sistema se estabiliza se cumple que:Cuando el sistema se estabiliza se cumple que:

0Qi0321 QQQ

cT

TT

TT

TCemTCemLm OHOHLLfhielo

1

0450455400

0)10)(1)(45()0)(1)(5()80)(5(

0)(22

Page 36: TERMODINÁMICA   Y

Cuando la temperatura del equilibrio Cuando la temperatura del equilibrio T=1°C, entonces la cantidad de calor que T=1°C, entonces la cantidad de calor que gana el hielo es:gana el hielo es:

calQ

Q

TCemLmQ

QQQ

T

T

LLfhieloT

T

405

)1)(1)(5()80)(5(

21

Page 37: TERMODINÁMICA   Y

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DECALOR

CONDUCCIÓN

CONVECCIÓN

RADIACIÓN

El calor se define como la forma de energía que se puede transferir en forma natural de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Page 38: TERMODINÁMICA   Y

3838

Mecanismos de transmisón de

calor

Conducción: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material.

Convección: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia.

Convección natural: el origen del mezclado es la diferencia de densidades que acarrea una diferencia de temperatura.Convección forzada: la

causa del mezclado es un agitador mecánico o una diferencia de presión (ventiladores, compresores...) impuesta externamente.Radiación: transferencia de energía mediada por ondas

electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.

Page 39: TERMODINÁMICA   Y

3939

sólidos

Interacción de partículas

gaseslíquidos

Transferencia de calor por conducción

Vibración de

moléculas

Colisiones y

difusión de

moléculas

Page 40: TERMODINÁMICA   Y

4040

Conducción Ley de Fourier: determinación del flujo de calor

dx

dTkAQx

(Estado estacionario)

Calor difundido por unidad de tiempo

Conductividad térmica (W·m-

1·grado -1): calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestos

Superficie (m2): superficie a través de la cual tiene lugar la transmisión de calor

Gradiente de temperatura (grados/m): variación de la temperatura en la dirección indicada por x.

X

xQ

Page 41: TERMODINÁMICA   Y

Ecuación para la conducción del calor

][Wdx

dTAkQ

Que se conoce como ley de Fourier de conducción de calor. El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente, y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando la temperatura disminuye con x creciente.

Page 42: TERMODINÁMICA   Y

Ecuación para la conducción del calor

][Wdx

dTAkQ

Page 43: TERMODINÁMICA   Y

4343

Conductividades térmicas de algunos materialesa temperatura ambiente

k

Buenos conductores

Malos conductores

La conductividadtérmica cambia con el estado de agregación

... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción

Page 44: TERMODINÁMICA   Y

4444

Conductividad térmica

Área A

Espesor

Calor transferido en el tiempo t

EJEMPLO 1:CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana)

t

QQ

Integración de la ecuación de Fourier

Page 45: TERMODINÁMICA   Y

4545

Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K

15034.0

522

mKxx

TT

dxdT

fueradentro

fueradentro

25.125025.0 mWdx

dTk

S

Q

Gradiente de temperaturas

Densidad de flujoTfuera

xdentr

o

xfuera

Gradiente de temperaturas constante la temperatura varía linealmente

Gradiente de temperaturas constante densidad de flujo constante

0.34 m

dx

dT

S

Qx

Tdentro

Page 46: TERMODINÁMICA   Y

4646

Resistencias térmicas

Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una resistencia a la conducción

xTT

kAQ 12

x

kx

TT

/12

Conductividad

RTT 12

RT

Resistencia térmica en W-1·m2·K

Similitud con circuitos eléctricos

R

I

0V

R

VI 0

R

T

A

Q

I

Vo

R=

Page 47: TERMODINÁMICA   Y

4747

Ejemplo. Resistencias en serie

Resistencia equivalente = suma de resistenciasEjemploCalcúlese la resistencia térmica de la pared de un refrigerador, formada por tres capas de material, cuyos espesores son, de dentro afuera 2 cm, 10 cm y 3 cm. Las conductividades térmicas de los tres materiales son, respectivamente, 0.25, 0.05 y 0.20 W· m-1 ·K-1.

08.025.002.0

1

11

kx

R W-1·m2·K

00.205.010.0

2

22

kx

R W-1·m2·K

15.020.003.0

3

33

kx

R W-1·m2·K

Resistencias en serie

23.2321 RRRR W-1·m2·K

R1 R2

2 10 3(cm)

Page 48: TERMODINÁMICA   Y

4848

CONVECCIÓN

• La convección es un fenómeno de transporte (materia y energía) que tiene su origen en diferencias de densidad.

• Cuando un fluido se calienta, se expande; en consecuencia su densidad disminuye.

• Si una capa de material más fría y más densa se encuentra encima del material caliente, entonces el material caliente asciende a través del material frío hasta la superficie.

• El material ascendente disipará su energía en el entorno, se enfriará y su densidad aumentará, con lo cual se hundirá reiniciando el proceso.

Page 49: TERMODINÁMICA   Y

Transferencia de calor por Transferencia de calor por convecciónconvección

• La La convecciónconvección es el modo de transferencia es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y de energía entre una superficie sólida y líquido o gas adyacente que está en líquido o gas adyacente que está en movimiento, y tiene que ver con los movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de conducción y efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor sea éste mayor es la transferencia de calor por convección.por convección.

4949

W][)( ambsconv TTAhQ

Page 50: TERMODINÁMICA   Y

5050

Ley de enfriamiento de Newton

ThATThAQ )(

Temperatura superficial Temperatura del fluido libre

Coeficiente deconvección

Superficie deintercambio

T superficial

T fluido libre

Capa límite T

Page 51: TERMODINÁMICA   Y

Transferencia de Transferencia de calor por conveccióncalor por convección

5151

W][)( ambsconv TTAhQ

Page 52: TERMODINÁMICA   Y

5252

Valores típicos del coeficiente de convección

Page 53: TERMODINÁMICA   Y

Transferencia de calor por Transferencia de calor por radiaciónradiaciónLas energías Las energías radiantes podemos radiantes podemos mencionar:mencionar:-Los rayos cósmicosLos rayos cósmicos-Rayos xRayos x-Rayos gamaRayos gama-Rayos ultravioletaRayos ultravioleta-La luz visibleLa luz visible-Rayos infrarrojosRayos infrarrojos-Ondas de radioOndas de radio

W][)( 44recs TTAQ

Boltzmann -Stefan de ]constanteK[W/m 105.67x

superficie la de emisividad;4 28-

Page 54: TERMODINÁMICA   Y

Es la ciencia que analiza las leyes de la transferencia de energía y el estudio de las propiedades de las sustancias involucradas.

CONCEPTOS PREVIOS

SISTEMA TERMODINÁMICO

Es aquella región del espacio que se va a seleccionar para analizar los fenómenos que ocurren en él.

Un sistema termodinámico es:

Sistema Cerrado

Sistema Abierto

Page 55: TERMODINÁMICA   Y

Cuando no existe transferencia de masa entre el sistema y sus alrededores o ambiente.

El Sistema Cerrado a su vez puede ser:

Sistema Aislado

Sistema Adiabático

Sistema Cerradom=cte

límite o frontera del sistema

Page 56: TERMODINÁMICA   Y

Es un sistema cerrado incapaz de interactuar energéticamente con el medio que lo rodea, es decir, no intercambia calor, masa, trabajo con el medio circundante

Page 57: TERMODINÁMICA   Y

Es un sistema cerrado que se caracteriza por ser impermeable al calor fundamentalmente, es decir, no admite ni emite calor a través de su límite o frontera.

Sistema Adiabático

Q=0

Page 58: TERMODINÁMICA   Y

Es aquel que intercambia masa con el medio que lo rodea a través de su límite o frontera.

Ejemplo:

El motor de un automóvil, una bomba de agua, una turbina, etc.

Page 59: TERMODINÁMICA   Y

Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con su medio interior cuando no hay transferencia energética que altere sus propiedades termodinámicas, o sea, no hay cambio de estado

Page 60: TERMODINÁMICA   Y

Sucede cuando entre sistemas y su medio exterior no hay transferencia de calor. Esto se observa cuando las temperaturas son iguales

Page 61: TERMODINÁMICA   Y

Permítase que un sistema cambie de un estado inicial i aun estado final de equilibrio f, en un camino determinado, siendo Q el calor absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema.

Después calculamos el valor de Q-W. A continuación cambiamos el sistema desde el mismo estado i hasta el estado final f, pero en esta ocasión por un camino diferente, lo, hacemos una y otra ves, usando diferentes caminos en cada caso encontramos que en todos los intentos Q-W es la misma.

Esto es, que aunque Q y W separadamente dependen del camino, Q-W no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del estado i hasta el estado f, sino solo de los estados inicial y final (de equilibrio).

Page 62: TERMODINÁMICA   Y

Del estudio de la mecánica conocemos, que cuando un objeto se mueve de un punto inicial a otro final , en un campo gravitacional en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las posiciones de los puntos inicial y final y no, de la trayectoria por la que el cuerpo se mueve.

De esto concluimos que hay una energía potencial, función de las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo.

Ahora, en la termodinámica, encontramos experimentalmente, que cuando en un sistema ha cambiado su estado, la cantidad de energía depende solo de las coordenadas inicial y final y no, en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos.

Concluimos que hay una función de las coordenadas termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual al cambio en el proceso. A esta función le llamamos FUNCION DE LA ENERGIA INTERNA.

Page 63: TERMODINÁMICA   Y

Representemos la función de la energía interna por la letra U . Entonces la energía interna del sistema en el estado f, Uf , es solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad tiene un valor determinado independientemente de la forma en que el sistema pasa del estado i al estado f: Tenemos entonces que:

Como sucede para la energía potencial, también para la energía interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario para la energía interna en un sistema patrón de referencia, su valor en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado.

Esta ecuación se conoce como la Primera Ley de la Termodinámica al aplicarla debemos recordar que Q se considera positiva cuando el calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace el sistema.

if UUU WQU

Page 64: TERMODINÁMICA   Y

A la función interna U, se puede ver como muy abstracta en este momento.

En realidad, la TERMODINAMICA clásica no ofrece una explicación para ella, además que es una función de estado que cambia en una forma predecible. ( Por función del estado, queremos decir, que exactamente, su valor depende solo del estado físico del material: su constitución, presión, temperatura y volumen)

La primera ley de la termodinámica, se convierte entonces en un enunciado de la ley de la conservación de la energía para los sistemas termodinámicos.

La energía total de un sistema de partículas, U cambia en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.

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  Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo: Todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio , tiene una variable de estado llamada energía interna U cuyo cambio dU en un proceso diferencial está dado por la ecuación.

 

La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro.

Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, volumen temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado.

dWdQdU

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Esta ley experimental axiomática nos permite analizar cualitativamente los proceso o transformaciones de la energía; esta ley servirá para definir la posibilidad de realización de un proceso termodinámico y sus limitaciones físicas reales. La segunda ley de la termodinámica será determinante para afirmar la validez de un proceso termodinámico cualquiera y la importancia de producir un trabajo efectivo .

ES IMPOSIBLE CONSTRUIR UNA MÁQUINA QUE OPERANDO EN CICLOS TRANSFORME TODO EL CALOR QUE SE LE SUMINISTRA EN TRABAJO MECÁNICO ÚTIL.

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Es aquel dispositivo que para su operación continua requiere de una fuente y un sumidero, la maquina térmica es el dispositivo mecánico que se encarga de transformar la energía calorífica que se le transfiere en energía mecánica.

Ejemplo:

Los motores de combustión interna (petróleo, gasolina) las turbinas a vapor, los turbo compresores.

Un ejemplo típico de maquinas térmicas lo constituye la planta de generación de vapor.

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caldera

Turbina

condensador

bomba

Ws

Qb

Qa

T°c

We

B

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DONDE:

Qa: cantidad de calor suministrado al vapor en la caldera de una fuente de alta temperatura

Qb: cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura

WS: cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina

We: cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.

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El vapor procedente del caldero se expande adiabáticamente en la turbina desarrollando trabajo ,hasta una presión mucho menor. En el condensador el vapor disipa calor a transformarse en liquido

Puesto que la presión en este es mucho menor que la presión en el caldero ,una bomba incrementa la presión del liquido para introducirlo a este requiriéndose un trabajo negativo para ello.

Mediante la adición de calor en el caldero el liquido se vaporiza y va nuevamente ala turbina completándose así el ciclo termodinámico mostrado.

La máquina térmica (TURBINA) tiene por objetivo transformar el calor en trabajo y también se le denomina maquina de potencia y a su ciclo ciclo de potencia

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MÁQUINA TÉRMICA

Fuente

“T>”

Sumidero

“T<”

Qa

Qb

MTWn

Donde :

Qa=Wn+Qb

Wn=Qa-Qb

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Es aquel foco térmico en el cual se desfoga el calor previamente utilizado, normalmente recepciona calor. Su temperatura siempre es menor que la temperatura de la fuente

Ejemplo:

Los condensadores camisetas de agua, etc.

Es aquel foco térmico que transfiere calor a la sustancia de trabajo

Ejemplo

Generadores de vapor, calderos, hornos, etc

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Es aquel sistema de masa inmensamente grande el cual se le puede sustraer o entregar calor sin que su temperatura experimenta notable cambios.

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REPRESENTACION ESQUEMÁTICA DE UNA MAQUINA

TERMICA

Fuente

“Ta”

Sumidero

“Tb”candensador

Caldero horno

Qa

Qb

MTWn

Donde observamos :

Qa=Wn+Qb

Wn=Qa-Qb

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Es un ciclo teórico, que lo efectúan las máquinas reversibles con un gas perfecto. Este ciclo denominado de máxima eficiencia, está compuesto por:

a)Dos procesos isotérmicos reversibles

b)Dos procesos adiabáticos reversibles

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Denominados gases pérfectos ,son los que tienen las siguinetes caracteristicas ideales

- Se considera que las moleculas tiene dimensiones despreciables.

- Se considera que las interaccion entre moleculas no existen.

- Se consideran que los choques que realizan contra las paredes del recipiente que lo contiene son elasticos.

-Las propiedades tremodinamicas P,V,T necesarias para definir el estado termodinamicodel gas ideal se relaciona con la ecuacion de estado.

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Pv= nRT

P: Presión absoluta (N/ m2 = Pa)

V: Volumen del gas (m3)

n: N° de moles del gas ideal (mol)

R: cte. Universal de los gases ideales

R = 8.31 J / mol °K

T: Temperatura absoluta del gas

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La cantidad de calor necesaria para el calentamiento o enfriamiento de un gas depende de la alternativa:

a) A volumen cte.

b) A presión cte.

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Es la cantidad de calor que necesita un mol de un gas para que su temperatura varie en una unidad de grado manteniendo cte. su volúmen

Gas

Qv

Cv = Qv / n T

Qv = n C TcQv = n Cv ( Tf – To)

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Donde:

n: N° de moles

T: Variación de temperatura del gas

Qv: Calor suministrado a volumen cte.

Los topes colocados en un cilindro que encierra el gas impide que el volumen varíe.

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Es la cantidad de calorque necesita un molde un gas ideal para que su temperatura varíe en una unidad de grado sin que varie su presión.

Gas

Qp

LcCp = Qp / n T

Qp = n C Tc Qp = n Cp ( Tf – To)