22
TERMODINÀMICA Principis bàsics Tecno-Lògics Bellvitge

Termodinamica. Principis bàsics

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Termodinamica. Principis bàsics

TERMODINÀMICA

Principis bàsics Tecno-Lògics Bellvitge

Page 2: Termodinamica. Principis bàsics

TERMODINÀMICA

calor temperatura

transformacions energètiques

en què intervenen

Estudi dels fenòmens i

Energia que es transfereix d’un cos a un altre com aconseqüència de la diferència de temperatures entre ells.

El cos que absorveix calor incrementa l’energia de les seves partícules.

Es mesura en J o en cal.

Magnitud física proporcional a l’energia interna dels cossos(Ecinètica de les seves molècules).

Es mesura en graus Kelvin (zero absolut = -273 ºC).

+

Page 3: Termodinamica. Principis bàsics

CALOR específic

Q = m·Ce·(T2–T1)

La quantitat de Q cedida o absorvida per un cos per variar la sevatemperatura depén de:

Massa del cos (m)Tipus de substància què el constitueix (Ce)Temperatures inicial i final (T2-T1)

Ce: calor específic d’una substànciaQuantitat d’energia que cal subministrar a 1g de substància per elevar la seva temperatura 1 grau. [J/g·K]

Conveni de signes:

Q absovit: + Q cedit: -

Page 4: Termodinamica. Principis bàsics

Durant un canvi de fase, l’energia que rep el cos es destina a augmentar l’energia cinètica de les seves molècules per tal de realitzar el canvi de fase.

Calor latent: quantitat de calor necessària per efectuar el canvi de fase d’1 g de substància

CALOR latent

Absorció de Q provocaaugment de T, ocanvi de fase (sense augment de T) Fusió: de sòlid a líquid

Vaporització: de líquid a gas

calor de fusió Qf = m·Lfcalor d’evaporació Qv = m·Lv

Lf: calor latent de fusióLv: calor latent de vaporització [kJ/kg]

Page 5: Termodinamica. Principis bàsics

Poder calorífic dels gasos: depén de la Temperatura (T) i la Pressió (P)Condicions normals (CN): Temperatura: TCN = 0ºC (273 K) Pressió: PCN = 1 atm (101.300 Pa)

poder CALORÍFICLa quantitat de Q subministrada per la combustió d’un combustibledepén de:

Quantitat de combustible (q = massa o volum)Tipus de combustible (PC)Rendiment del cremador ( )ƞ

Q = q · PC · ƞ

PC: poder calorífic d’un combustibleQuantitat d’energia que desprén la combustiód’1 unitat de combustible (1 g o 1 m3) [kJ/kg, kJ/m3]

PC = PCCN · P/PCN · TCN/T [K]

Page 6: Termodinamica. Principis bàsics

Lleis dels gasos perfectes

Gas: l’estat de la matèria en què les molècules que el componen resten poc lligades entre elles per les forces de cohesió. No presenta ni una forma ni un volum definits.

Són els cossos en els quals més es manifesten els efectes termodinàmics a baixes temperatures. Això és a causa de la seva activitat molecular a teperatura ambient.

Page 7: Termodinamica. Principis bàsics

Llei de Boyle-Mariotte: a T constant: p1·V1 = p2·V2 = p3·V3 = constant

Llei de Gay-Lussac: (p1 · V1) / T1 = (p2 · V2) / T2 = (p3 · V3) / T3 = constant

Lleis dels gasos perfectesrelacionen pressió i volum amb temperatura

Page 8: Termodinamica. Principis bàsics

Llei de Boyle-Mariotte: a T constant: p1·V1 = p2·V2 = p3·V3 = constant

Llei de Gay-Lussac: (p1 · V1) / T1 = (p2 · V2) / T2 = (p3 · V3) / T3 = constant

Lleis dels gasos perfectesrelacionen pressió i volum amb temperatura

E12. Dins d’un cilindre hi ha aire a 18 ºC amb un volum inicial d’1 L a 1 atm de pressió. Si desplacem l’èmbol de manera que el volum es redueixi a 1/8 part del volum inicial i la temperatura s’incrementi en 5 ºC, determina la pressió final.Considerem l’aire un gas ideal o perfecte.

Acts fins a 15

Page 9: Termodinamica. Principis bàsics

Llei de Boyle-Mariotte: a T constant: p1·V1 = p2·V2 = p3·V3 = constant

Llei de Gay-Lussac: (p1 · V1) / T1 = (p2 · V2) / T2 = (p3 · V3) / T3 = constant (k)

Equació d’estatdels gasos perfectes:

p·V = k·T = n·R·T

k = n·R

P: pressió de la massa del gas (Pa)V: volum (m3)T: temperatura absoluta (K)n: núm de mols d’un gas idealR: constant universal dels gasos idealsR = 8,314 J/ K mol (per a tots els gasos)

Lleis dels gasos perfectesrelacionen pressió i volum amb temperatura

Page 10: Termodinamica. Principis bàsics

Equació d’estatdels gasos perfectes:

p·V = k·T = n·R·T

P: pressió de la massa del gas (Pa)V: volum (m3)T: temperatura absoluta (K)n: núm de mols d’un gas idealR: constant universal dels gasos idealsR = 8,314 J/ K mol (per a tots els gasos)

Lleis dels gasos perfectesrelacionen pressió i volum amb temperatura

E13. Determina la pressió p a la qual es troba una massa m = 1 kg d’oxígen (O2) a T = 40 ºC si és dins d’un recipient de V = 25 L

(un mol d’oxígen té una massa de 32 g)

Un mol és una quantitat de matèria determinada que conté 6,02·1023 molècules, xifra que rep el nom de nombre d’Avogadro.Així doncs, la massa molar és la massa molecular expressada en grams.Un mol de qualsevol substància gasosa ocupa en condicions normals (0 ºC i 1 atm) un volum de 22,4 L.

Page 11: Termodinamica. Principis bàsics

L’energia interna d’un sistema (ΔU) variaràsi es realitza treball sobre el sistema (W)o bé aquest intercamvia calor amb un altre (Q)

ΔU = Q + W

ΔU = Variació d’energia interna que pateix el sistema

Q = Calor que entra (+) o surt (-) d’un sistema

W = Treball fet (+) o rebut (-) pel sistema

Ecos = U + E [J]E: altres formes d’energia degudes a la seva posició dins d’un camp de forces (gravitacional, elèctric, magnètic) i al seu moviment en conjunt.

U: energia interna del cos (Energia tèrmica)Conseqüència de la seva activitat molecular

Primer principi de la termodinàmica(principi de conservació de l’energia)

Page 12: Termodinamica. Principis bàsics

Primer principi de la termodinàmica(principi de conservació de l’energia)

E14. Un recipient aïllat del seu entorn amb un volum V = 3 L d’aigua cau des de h = 100 m d’alçada i xoca inelàsticament amb el terra.

Si la temperatura inicial de l’aigua era T1 = 15 ºC, quina serà la variació de la seva energia interna ΔU? I la seva temperatura T2 després del xoc?

E15. Un cilindre amb un èmbol conté un volum V = 10 L d’aigua i es col·loca el conjunt sobre una estufa. Durant el procés es transfereixen Q1 = 100 kJ a l‘aigua, mentre que a través de les parets es produeixen unes pèrdues equivalents a Q2 = 25 kJ. L’èmbol puja com a conseqüència de la dilatació de l’aigua i fa un treball equivalent a W = 15 kJ.

Determina la variació de l’energia ΔU de l’aigua en el procés i la temperatura final T2 de l’aigua si la temperatura inicial era T1 = 18 ºC (Ce aigua = 4,18 kJ/kgºC)

ΔU = Q + W

Page 13: Termodinamica. Principis bàsics

Quan s’estudia el treball que realitza un gas, cal tenir en compte què els gassos solen estar tancats a pressió dins d’un cilindre i el desplaçament què es produeix és el d’un pistó.

Treball fet per un gas

Per tant:en comptes de força es treballa amb pressió, ien comptes de desplaçament es treballa amb volum.

p = F / SV = S · xW = F · x = p · V

Page 14: Termodinamica. Principis bàsics

Processos termodinàmics

Sobre el gas a l’interior d’un cilindre es pot variar la seva pressió, temperatura i volum.

En la transformació el gaspot variar la seva energia interna:

D’acord amb les condicions de variació de volum, pressió i temperatura, poden donar-se els processos termodinàmics següents:

processos isobàrics processos isocors processos isotèrmics processos adiabàtics

rebre o perdre calor, o

realitzar o absorvir un treball

Page 15: Termodinamica. Principis bàsics

Processos termodinàmics durant els quals p = constantP. ex: l’expansió de l’aire dins d’un cilindre pneumàtic

Força exercida pel sistema:F = p·A [N]

Treball fet pel gas:W = F·x = p·A·x = p· ∆V [J]

Diagrama pVRepresentació gràfica del W

Processos isobàrics

W

p1 = p2

V1/T1 = V2/T2

Page 16: Termodinamica. Principis bàsics

E16. Determina la força F i el treball W que realitzarà un cilindre pneumàtic de ø 16 mm que es desplaça 150 mm. La pressió del sistema és de 6 bar i romàn constant durant tot el procés.

Processos termodinàmics durant els quals p = constantP. ex: l’expansió de l’aire dins d’un cilindre pneumàtic

Força exercida pel sistema:F = p·A [N]

Treball fet pel gas:W = F·x = p·A·x = p· ∆V [J]

Processos isobàrics

p1 = p2

V1/T1 = V2/T2

Page 17: Termodinamica. Principis bàsics

Processos termodinàmics durant els quals V = constant

W = p · ∆V = 0 (no hi ha cap desplaçament)La Q subministrada al sistema es transforma en ΔU

Processos isocors

W = 0

P. ex: quan es deixa un recipient de parets rígides amb un gas al seu interior en contacte amb una font de calor, com ara una bombona de butà al sol.La calor subministrada augmenta l’energia interna del gas, que es tradueix en un increment de temperatura i, per tant, també de pressió.

Diagrama pVveure animació procès

V1 = V2

p1/T1 = p2/T2

W = p·V = 0ΔU = Q

Page 18: Termodinamica. Principis bàsics

Processos isotèrmicsProcessos termodinàmics durant els quals T = constant

El gas rep calor però manté la seva T augmentant la seva p i VΔT = 0 ⇒ ΔU = 0, i la Q rebuda es transforma íntegrament en W

ΔU = 0 Q = WW = n·R·T·ln (V2/V1)

T1 = T2

p1·V1 = p2·V2 = k (Boyle-Mariotte)

hipèrbola

W P. ex: la vaporització de l’aigua en una caldera de vapor o la seva condensació, ja que mentre dura el canvi de fase la temperatura roman constant.

Diagrama pVveure animació procès

Page 19: Termodinamica. Principis bàsics

Processos adiabàtics

Tenen lloc sense cap intercanvi d’energia amb l’exterior, és a dir, dins d’un sistema totalment aïllat.

Aquestes transformacions es produeixen quan hi ha una expasió o una compressió molt ràpida, durant la qual no hi ha temps per que es produeixi intercanvi de calor. El gas varia la seva p, T i V d’acord amb:

P·Vγ = k i T·Vγ-1 = k

γ: coeficient adiabàtic del gasγ = Cp / Cv Cp: calor específica molar a pressió constant Cv: calor específica molar a volum constantγ = 5/3 per a gassos monoatòmics idealsγ = 1,4 per a gassos diatòmics (nitrògen, oxígen)

Q = 0 ⇒ ΔU = W

Diagrama pVveure animació procès

Page 20: Termodinamica. Principis bàsics

Isobàricsp = constantW = p· ∆VΔU = W + Q

IsocorsV = constantW = 0 ⇒ ΔU = Q

IsotèrmicsT = constantΔU = 0 ⇒ Q = WW = n·R·T·ln(V2/V1)

AdiabàticsP·Vγ = constantT·Vγ-1 = constantQ = 0 ⇒ ΔU = W

Processos termodinàmics

Page 21: Termodinamica. Principis bàsics

E17. Un volum V1 = 1 L d’un gas a T = 20 ºC s’expandeix des d’una pressió inicial p1 = 12 atmòsferes fins a assolir un volum V2 = 10 L. Determina el treball W realitzat durant l’expansió:

• Quan l’expansió és isotèrmica

• Quan l’expansió és adiabàtica amb γ = 1,4

• Dibuixa en un diagrama pV els dos processos

Page 22: Termodinamica. Principis bàsics

E17. Un volum V1 = 1 L d’un gas a T = 20 ºC s’expandeix des d’una pressió inicial p1 = 12 atmòsferes fins a assolir un volum V2 = 10 L. Determina el treball W realitzat durant l’expansió:

• Quan l’expansió és isotèrmica

• Quan l’expansió és adiabàtica amb γ = 1,4

• Dibuixa en un diagrama pV els dos processos