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UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE CIENCIAS AGRICOLAS
PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS
CURSO DE FISICOQUIMICA DE ALIMENTOS
UNIDAD 2: LEY CERO, TEMPERATURA, CALOR Y
TRABAJO
Ing. RAMIRO TORRES GALLO
IV SEMESTRE
MONTERÍA, COLOMBIA
Universidad de
Córdoba,
comprom
etida con
el
desarroll
o
regional.
2
OBJETIVO
Establecer el concepto de temperatura a partir de
la ley cero de la termodinámica.
Calcular el calor transferido según el tipo de
transferencia que se presente.
Establecer el concepto de trabajo y calcular el
trabajo en diferentes procesos termodinámicos
Representar el trabajo mediante diagramas de
presión contra volumen
Establecer diferencias y semejanzas entre el
trabajo y el calor
3
CONTENIDO2.1 INTRODUCCIÓN
2.2 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Y
TEMPERATURA
2.3 PROPIEDADES TERMOMÉTRICAS Y
TERMÓMETROS
2.4 ESCALAS DE TEMPERATURA
2.5 EL CALOR
2.6 FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL CALOR
2.7 APLICACIONES EN LA INDUSTRIA DE
ALIMENTOS
2.8 TRABAJO
2.9 TRABAJO PARA PROCESOS TERMODINAMICOS
2.10. OTRAS FORMAS DE TRABAJO
4
1.1.INTRODUCCIÓN
Un avance importante para la ciencia y la
tecnología es poder cuantificar que tan
caliente o que tan frío se encuentra un
cuerpo mediante el termómetro. Gracias
Anders Celsius Daniel Gabriel Fahrenheit.
Todos tenemos la experiencia sensorial de
calor o de frío, también sabemos que si
dejamos un tinto bien caliente servido en
la mesa, éste terminará por enfriarse
.
5
QUE ES LA TEMPERATURA ?
Tratar de construir una definición de
temperatura no es tarea fácil sin caer
en imprecisiones propias de una
apreciación sujetiva
Para salvar esta dificultad, la definición de
temperatura se establece a partir de la
ley cero de la termodinámica, formulada
en 1931, muchos años después de
formuladas la primera y segunda leyes.
6
Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio
térmico con un tercero, los dos se
encontrarán en equilibrio térmico entre sí.
2.2 LEY CERO DE LA
TERMODINÁMICA Y TEMPERATURA
La propiedad común a todos los sistemas
que se encuentran en equilibrio térmico es
la TEMPERATURA
7
Para medir la temperatura es necesario
disponer de una propiedad termométrica,
observable de un sistema que varía con la
temperatura y que es susceptible de
medida.
Longitud de una columna de mercurio
Presión de un gas a volumen constante
La conductividad o la resistencia
eléctrica,
2.3 PROPIEDADES TERMOMÉTRICAS
Y TERMÓMETROS
8
PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y TERMÓMETROS
Un termómetro es un sistema con una
propiedad fácilmente mensurable que es
función de la temperatura.
9
Celsius y Fahrenheit: son escalas de
temperatura relativa basadas en la variación
lineal entre dos estados de referencia que son
el punto de fusión y el punto de ebullición del
agua a la presión de una atmósfera.
Temperatura absoluta de gas, la cual utiliza la
presión de un volumen fijo de un gas, que varía
linealmente con la temperatura, como se
expresa con la siguiente ecuación
2.4 ESCALAS DE TEMPERATURA
10
Escala de temperatura termodinámica: escala
de temperaturas que es independiente de las
propiedades de las sustancias. Se puede
establecer a partir de la segunda ley de la
termodinámica y se denomina. La unidad de
temperatura sobre esta escala es el Kelvin y en
el sistema inglés es Rankine
Que sabes sobre la Escala de
temperatura termodinámica?
Consulta el tema.
11
COMPARACIÓN ENTRE ESCALAS DE TEMPERATURA
12
¿De dónde surge el factor (5/9) en la
equivalencia de las escalas Celsius a
Fahrenheit?
¿Existirá una temperatura donde las
escalas Celsius y Fahrenheit
presenten el mismo valor?
13
La energía transferida entre dos sistemas
debida a la diferencia de temperaturas
Forma particular de energía en transición
que se identifica sólo cuando cruza las
paredes del sistema que se encuentra a
temperatura diferente de otro sistema o de
los alrededores.
No es una propiedad termodinámica, no
podemos hablar de que un sistema contenga
calor en un determinado estado.
2.5 EL CALOR
14
Para determinar el calor en un proceso es
necesario establecer la forma como se
realiza su transferencia, es decir, el tipo de
proceso.
Es una función de trayectoria y como tal
depende del proceso, por lo que se
representa Q. Como función de trayectoria
su diferencial es inexacta y se representa
por medio de Δq
Las unidades utilizadas para el calor
corresponden a unidades de energía.
15
La cantidad de calor transferida en un
proceso por unidad de masa
Tasa de transferencia de calor y se
representa
16
Si no se presente transferencia de calor se
denomina proceso adiabático.
FORMAS EN LAS QUE UN PROCESO SE
PUEDE CONSIDERAR ADIABÁTICO
Sistema tiene paredes no conductoras de
calor y por tanto se encuentra aislado
térmicamente
Si se realiza tan rápidamente que la
transferencia de calor es despreciable.
17
CONDUCCIÓN
Forma de transmisión de calor donde las
moléculas más energéticas transfieren su
energía a las adyacente, menos energéticas,
debido a las interacciones entre ellas.
Modelo
2.6 FORMAS DE TRANSMISIÓN DEL
CALOR
dx
dTAkQ t
LEY DE FOURIER
18
CONVECCIÓN
Forma de transmisión del calor que se presenta
entre una superficie sólida y un líquido o gas
debido al movimiento de las partículas
provocado por agentes externos (convección
es forzada) o por diferencias de densidad
causadas por la variación de la temperatura
(convección es natural).
Modelo
)( fs TThAQ
19
RADIACIÓN
Forma de transmisión de calor mediante ondas
electromagnéticas generadas por la
temperatura. No se necesita de un medio
físico para que se produzca esta
transferencia. A cualquier temperatura todo
cuerpo irradia energía en forma de calor
hacia los alrededores.
Modelo
ε para un cuerpo negro es 1
4
semitidoATQ
20
RADIACIÓN
La relación entre la radiación absorbida (Qab ) y
la radiación incidente (Qinc ) se denomina
absorbancia, se representa por la letra a y se
expresa como
incab QQ /La determinación de la tasa de transferencia
entre dos superficies es un problema que se
sale de los objetivos de este curso. Sin
embargo Ud. tendrá oportunidad de
profundizar en estos temas en el curso sobre
transferencia de calor.
21
Procesos de transformación y
conservación de alimentos. Las bajas
temperaturas inhiben el crecimiento
microbiano y por tanto aumentan el tiempo
de vida útil del alimento.
Las temperaturas más altas son necesarias
en escaldado, cocción, pasterización,
esterilización, evaporación, secado, fritura,
o tostación.
2.7 APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
DE ALIMENTOS
22
El control de la temperatura es un factor
crítico, si no se alcanza la temperatura
especificada para un proceso el producto
puede perder su valor nutritivo al
descomponerse algunos de sus
componentes por reacciones térmicas.
En el diseño de equipos de transferencia de
calor es necesario tener en cuenta la forma
como se realizará la transferencia de calor
para poder especificar el área de
transferencia y dimensionar los equipos.
2.7 APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
DE ALIMENTOS
23
Forma particular de energía, que corresponde
a una magnitud escalar, definida como el
producto punto de dos magnitudes
vectoriales, fuerza y desplazamiento
realizado en la misma dirección de la fuerza.
También recordará que matemáticamente el
trabajo se expresa como
2.8 TRABAJO
2
1FdxW
24
2.9 TRABAJO PARA PROCESOS
TERMODINÁMICOS
2
1PAdxW
2
1PAdxW
2
1PdVW
25
Para poder calcular el trabajo es necesario
conocer como cambia la presión en
función del volumen
Para poder determinar el trabajo se
requiere conocer primero el tipo de
proceso y su trayectoria.
Al igual que el calor es una función de
trayectoria, nunca se dice que un sistema
en un determinado estado tenga una
cantidad de trabajo
26
TRABAJO EN PROCESOS ISOBÁRICOS
2
112 )( VVPWdVPW
27
TRABAJO EN PROCESOS ISOTÉRMICOS
1
22
1ln
V
VKW
V
dVKWPdVW
28
En los procesos isocóricos, el volumen se
mantiene constante, por tanto dV = 0, lo que
implica que no existen interacciones de trabajo
ya que la paredes del sistema en este tipo
de procesos permanecen fijas, inmóviles.
Al realizar el diagrama PV se observa que se
trata de una línea paralela al eje de presión,
de talmanera que no existe área bajo la curva.
TRABAJO EN PROCESOS ISOCÓRICOS
29
TRABAJO EN PROCESOS POLITRÓPICOS
n
VPV
n
VVCWdVCVW
nnn
11
)( 12
1
2
)1(
22
1
30
2.10 OTRAS FORMAS DE TRABAJO
2
1VIdtW
TRABAJO ELÉCTRICO
donde V = diferencia de potencial eléctrico (v)
I = intensidad de corriente eléctrica (A)
t = tiempo (s)
Si tanto V como I no cambian con el tiempo
tVIW
31
Donde es la tensión superficial (N/m) y dA
el cambio de área superficial (m2),
xaWdAW ss 22
1
TRABAJO DE TENSIÓN SUPERFICIAL
s
dA = 2adx . 2 por que
la película tiene
dos superficies en
contacto con el
aire.
32
Donde es momento de torsión
nnrr
xFW 22.
TRABAJO DE EJE
33
Donde k La constante de proporcionalidad
característica de cada resorte.
)(2
1 2
1
2
2
2
1xxkkxdxW
TRABAJO DE RESORTE
Investiga sobre trabajo
gravitacional y Trabajo de
aceleración
34
CONTESTAR EL CUSTIONARIO DE
CONCEPTUALIZACION Y
ANALISIS EN AULA VIRTUAL.
ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE
Solución de
Ejercicios
en clase
35
1. Durante el diseño de un depósito para
productos alimenticios, se desea
conocer la tasa de transferencia de
calor por metro cuadrado que se
presentaría a través de las paredes de
ladrillos que tienen 25 cm de espesor y
una conductividad térmica de 0,70
W/(m.K), si la temperatura interior
debe mantenerse a 5 ºC y la temperatura
exterior promedio es de 30 ºC. Realice
los cálculos correspondientes y exprese
el valor de la tasa de transferencia de
calor .
EJERCICIOS
36
2. Experimentalmente se ha determinado
que el coeficiente de transmisión de
calor por convección para aire caliente
que circula junto a una superficie plana
es de 60 W/(m2.K). Si la temperatura del
aire es de 90 ºC, la superficie plana es
de 3 m x 2 m y se encuentra a 20 ºC
determine la tasa de transferencia de
calor.
EJERCICIOS
37
3. En el interior de un cilindro provisto de
un pistón móvil se encuentran 2,80g de
nitrógeno a 27°C y 150 KPa, si el gas se
expande a presión constante hasta un
volumen de 5,0 litros. Determine el
volumen inicial y el trabajo desarrollado
en este proceso.
EJERCICIOS
38
4. Determine el volumen final de 0,5 moles
un gas ideal que se encuentra a 20 ºC y
200 kPa después de un proceso
isotérmico donde el sistema realiza un
trabajo de 2 kJ..
EJERCICIOS
39
4. Determine Calor para concentrr un jugo
de 10 a 20 °Brix a una Temperatura de
40 °C, si el jugo esta a 30 °C.
Considere las propiedades termicas del
jigo como las del agua.
EJERCICIOS
40
VAN NESS SMITH, Abbott. Introducción a la termodinámica en la ingeniería
química. México: Mc Graw Hill, 1997.
J. VAN WYLEN, Gordon y E. SONNTAG, Richard. Fundamento de
termodinámica. México: Limusa, 1980.
CASTELLAN, Gilbert W. Fisicoquímica. México: Fondo Educativo
Interamericano S.A., 1976.
MARON y PRUTTON. Fundamento de fisicoquímica. Limusa Wiley.
LEVINE, Ira N. Fisicoquímica. España: Vol. I y II. Mc Graw Hill, 1996.
SERWAY, Raymond A. Física. México: Tomo I y II. Mc Graw Hill, 1994.
LÓPEZ TASCON, Carlos. Mecánica newtoniana. Santafé de Bogotá:
Universidad Nacional de Colombia, 1995.
BIBILOGRAFIA
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