FACULTAD DE INGENIERIA EN MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION

TERMODINAMICA I

II TERMINO 2014-2015

CAPITULO # 1

INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA

CONCEPTOSTermodinmica: Es la ciencia de la energa y sus transformaciones, incluye: Generacin de potencia, Refrigeracin, Calefaccin, y Relaciones entre propiedades de la materia.

Energa: Es una propiedad termodinmica y esta relacionada con la capacidad de generar trabajo o lograr la transformacin de algo (causar cambios).

CONCEPTOSPROPIEDAD Cualquier caracterstica de un sistema se llama propiedad (ejemplos):Presin, temperatura, volumen, masa, viscosidad, conductividad trmica, resistividad elctrica, modulo de elasticidad, velocidad, elevacin

Propiedades pueden ser intensivas o extensivas:Intensivas son independientes de la masa de un sistema como: temperatura, presin, densidad.Extensivas dependen del tamao o extensin del sistema (masa total, vol. total, cantidad movimiento total).

CONCEPTOSEstado: En un instante en que un sistema no experimenta ningn cambio, en esas circunstancias todas las propiedades se pueden medir o calcular, dando un conjunto de propiedades que describe por completo la condicin o estado del sistema. En un estado especifico todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos. Si cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente.La termodinmica trata con estados de equilibrio donde no hay potenciales desbalanceados dentro del sistema.

CONCEPTOSProceso: Es una transformacin en la que alguna de las variables que caracteriza el sistema se modifica en el tiempo, o cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema, es un proceso.La serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso, se denomina trayectoria del proceso.Se describe un proceso cuando se especifica condicin inicial y final, la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores. Ejemplos: calentamiento, enfriamiento, compresin, expansin, trabajo, vaporizacin, condensacin,Compresin lenta (proceso de cuasiequilibrio)

CONCEPTOS

Primera ley de la Termodinmica:Principio de conservacin de la energa: La energa puede cambiar de forma y su cantidad total permanece constante (la energa no se crea ni se destruye solamente se transforma)

Ejemplos: Una piedra que cae (EP = EC),Calentamiento de una sustancia (W=Q)

CONCEPTOS

CONCEPTOSEl cambio en el contenido energtico de un cuerpo o de un sistema, es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energa. El balance esta expresado como:

Eentrada Esalida = E

La Primera Ley de la Termodinmica es una expresin del principio de conservacin de la energa.

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICASegunda ley de la Termodinmica

La energa tiene calidad y cantidad. Los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energa.

Ejemplos:Tasa de leche caliente sobre la mesa, con el tiempo se enfra transfiriendo calor a sus alrededores, pero una tasa de leche fra en el mismo sitio nunca se calienta.

La energa de alta temperatura se degrada (se transforma en energa menos til a otra con menor temperatura cuando se ha transferido esa energa al rea circundante).

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICALa termodinmica se encuentra en los sistemas de la ingeniera, e inclusive en aspectos de nuestra existencia diaria.

La interaccin entre energa y materia se da en todas las actividades.

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICAConfort humano: Depende de la temperatura y la humedad del medio ambiente.

Calor corporal: Se transfiere al ambiente, cuya tasa esta en funcin de la actividad desarrollada (reposo, deporte, trabajo..).

Mediante los principios de la termodinmica se han diseado sistemas de refrigeracin y aire acondicionado, calefaccin, humidificadores, calentadores de agua, computador, equipo de TV, etc.

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICAAplicaciones de la termodinmica a otra escala: Motores de aviacin y de vehculos, cohetes, plantas de energa de vapor de agua, motores de combustin interna, plantas trmicas a gas, energa nuclear, colectores solares, aeroplanos, intercambiadores de calor, condensadores, evaporadores, etc.

Los edificios inteligentes usan la energa de forma eficiente mediante control por sensores (control de temperatura, luminosidad, calidad de aire, etc.). Para ahorrar energa, el hogar se disea en base a la reduccin de calor en invierno y ganancia de calor en la poca de verano (mediante el uso apropiado de los materiales).

DIMENSIONES Y UNIDADES: IMPORTANCIACantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones.Las magnitudes asignadas a esas dimensiones sedenominan unidades.

Dimensiones bsicas (primarias o fundamentales):

Dimensiones derivadas (secundarias):Velocidad: vEnerga: EVolumen: V

Masa: kilogramo (kg)Tiempo: segundo (s)Longitud: metro (m)Corriente elctrica: Ampere (A)Temperatura: Kelvin (K)Cantidad luminosa: candela (cd)

SISTEMAS

Se han creado varios sistemas de unidades y hasta laactualidad se usa el sistema ingles y el sistemaInternacional (SI o sistema mtrico). Permanecer elsistema ingles hasta que se complete la transicin alsistema SI.

El sistema SI esta basado en una relacin decimal, eslgico y muy simple.

Los prefijos usados para expresar los mltiplos de lasdiferentes unidades se muestran en la tabla deprefijos, y se utilizan como estndar para todas, su usoes muy aplicado.

Tabla de prefijos en unidades del sistema SI

TERA (T) : 1012GIGA (g): 109MEGA (M): 106KILO (k) : 103HECTO (h): 102DECA (da): 101DECI (d) : 10-1CENTI (c): 10-2MILI (m): 10-3MICRO () : 10-6NANO (): 10-9PICO (p): 10-12

UNIDADES

lbm = 0.45359 kgmF = m x aEn el sistema SI (unidad de fuerza es el Newton N)N = fuerza necesaria para mover 1 kg masa a una aceleracin de 1 m/s2 N = kgm m/s2 lbf= 32.174 lbm.pie/s2kgf = 9.81 N

TRABAJOTrabajo es una forma de energa (fuerza x distancia)Unidad: (N-m), denominado Joule (J) que es una cantidad de trabajo muy pequea.

Calora (cal): energa requerida para elevar en 1C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 C1 cal= 4.1868 J1 BTU = 1.0551 kJ Unidad mas frecuente en sistema SI: (kJ)Unidad mas frecuente en sistema ingles: BTU

OBSERVACION IMPORTANTE: Tener presente en la solucin de los ejercicios que en una ecuacin todos los trminos deben tener las mismas unidades.

SISTEMA

< FRONTERA

ALREDEDORES

Sistema: Cantidad de materia o una regin en un espacio seleccionado para el anlisis.

Regin fuera del sistema: alrededores, incluida la frontera.

Superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores: frontera

Frontera:

Fija (cuerpo con superficie fija, rgida); Mvil (superficie mvil, ejemplo un sistema de mbolo)

SISTEMA

SISTEMA CERRADOSistema cerrado o masa de control consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. El volumen de un sistema cerrado no necesariamente debe ser fijo (frontera mvil).

Ninguna masa entra o sale del sistema cerrado. (Ver Fig.1-16 texto gua)

La energa en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera.

Si no cruza calor por la frontera, entonces se trata de un sistema aislado.

SISTEMA CERRADO

Ejemplo:

Sistema es el gas contenido en un cilindro equipadocon un embolo (tiene fronteras fija y mvil).

(Ver Fig. 117 texto gua: sistema cerrado con frontera mvil)

Todo lo que se encuentra fuera del gas incluso elmbolo y el cilindro (frontera fija y mvil) se denomina alrededores.

SISTEMA ABIERTO O VOLUMEN DE CONTROL

REGION ELEGIDA EN EL ESPACIO

Encierra un dispositivo que tiene que ver con el flujo msico (entrada y salida de masa), ejemplos:

CALENTADOR DE AGUA INTERCAMBIADOR DE CALOR CALDERA TURBINA, CONDENSADOR DIFUSOR TOBERA BOMBA COMPRESOREl flujo en estos dispositivos se estudia relacionando la regin dentro del mismo como un volumen de control.

SISTEMA ABIERTOEjemplos:

Figuras 1-18 (a) y (b), y 1-19 del texto gua

PROPIEDADES DE UN SISTEMAPropiedad: cualquier caracterstica de un sistema

Propiedad intensiva: (con letra minscula con excepcin de P y T): No dependen de la masa de un sistema, ejemplo: temperatura, presin, densidad.

Propiedad extensiva: (con letra mayscula, no la masa): Dependen del tamao o extensin del sistema, ejemplos: masa total, volumen total, cantidad de movimiento total.

Propiedad especfica: son propiedades extensivas por unidad de masa, ejemplo: Volumen especifico (v=V/m), Energa especfica (e=E/m) > (u, h, s)

Densidad: Se define como la masa por unidad de volumen, y est relacionada con la siguiente ecuacin: = m/Vrepresenta la masa que correspondera a la unidad de volumen de la sustancia considerada. En el sistema internacional de unidades (SI) es kg/m3La densidad de lquidos y slidos depende mas de la Temperatura que de la Presin.Volumen especfico: se define como el volumen por unidad de masa: =1/densidad

Peso especfico: Se define como su peso por unidad de volumen, y esta relacionado por la ecuacin: = mg/V = g = peso especfico mg = peso de la sustancia V= volumen que ocupa la sustancia = densidad de la sustancia g = gravedad terrestre localSe calcula al dividir el peso de la sustancia entre el volumen que esta ocupa. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), es (N/m)

Ejemplo: A 20C la densidad del H2O cambia de 998 kg/m3 a 1 atm, a 1003 kg/m3 a 100 atm, (cambio de 0.5%).

La densidad del agua cambia de 998 kg/m3 a 975 kg/m3 cuando se calienta de 20C a 75C, (cambio de 2.3%)

La densidad relativa (DR) o gravedad especifica (SG): Es el cociente de la densidad de la sustancia entre la densidad de una sustancia estndar a una temperatura especifica. SG (o DR)= densidad del fluido/densidad del agua(*) (*) agua a condiciones estndar (agua =1000 kg/m3 a T=4C)

ESTADO Y EQUILIBRIOESTADO: el estado de un sistema se describe mediante sus propiedades. La termodinmica trata con estados de equilibrioEjemplos: Estado 1 y 2: (fig. 1-23 del texto gua)

Un sistema est en equilibrio trmico cuando todo el sistema tiene la misma temperatura (fig. 1-24).

Equilibrio mecnico se relaciona con la presin; cuando la presin sea igual en todo el sistema.

La variacin de la presin como resultado de la gravedad en la mayora de los sistemas termodinmicos es relativamente pequea y se ignora.

ESTADO Y EQUILIBRIOSi en el sistema hay dos fases: Se encuentra en la fase de equilibrio cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece all.

Un sistema esta en equilibrio qumico si su composicin qumica no cambia con el tiempo (no ocurren reacciones).

ESTADOEl estado de un sistema se describe mediante sus propiedades (especificar un cierto numero de propiedades es suficiente para fijar un estado, ejemplo: P y T; P y ; P y x). Donde x es la calidad del vapor: x= mg/mtmg= masa de vapormt = masa total (vapor + lquido)

ESTADO Y EQUILIBRIOSe requiere que dos propiedades especificas sean independientes para fijar el estado. Son independientes si una de ellas puede variar mientras la otra permanece constante.Temperatura y volumen especifico son propiedades independientes. Las dos propiedades juntas fijan un estado compresible.La Temperatura y Presin son propiedades independientes para una sola fase y son dependientes para sistema multifase.

(Ejemplos en campos T- ; T-s).

ESTADO Y EQUILIBRIOEjemplo: El agua hierve a nivel del mar a 100 C, pero a una altitud mayor el agua hierve a menor temperatura.

Por lo tanto la T = f(P) durante un proceso de cambio de fase.

Conclusin: La Temperatura y la Presin no son suficientes para fijar el estado de un sistema de dos fases.

PROCESOS Y CICLOSProceso: Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso.Trayectoria del proceso: La serie de estados por los que experimenta un sistema durante este proceso de denomina trayectoria. Para describir completamente un proceso: Especificar sus estados inicial y final, la trayectoria seguida y las interacciones con los alrededores.PROCESO CUASIESTATICO:Es cuando un proceso se desarrolla de tal forma que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca del estado de equilibrio.

PROCESOS Y CICLOS PROCESO CUASIESTATICO O CUASIEQUILIBRIO:

Un proceso as se considera lo suficientemente lento como para permitir que el sistema se ajusta internamente de tal forma que las propiedades de una de sus partes no cambian.

Ejemplo: compresin rpida y lenta de un gasCompresin rpida: (concentracin de molculas frente a la pared del embolo, se acercan unas otras, esto implica que esa zona tiene mayor presin)Compresin lenta: (la presin se redistribuye, habr aumento uniforme en todos los lugares del cilindro)

PROCESOS Y CICLOSLas propiedades que se utilizan como coordenadas son T, P, y V o (volumen especfico), y son tiles para una representacin visual de un proceso.

Ejemplo: compresin de un gas donde intervienen las propiedades independientes P y V. (fig. 1-28 texto gua)

PROCESO DE FLUJO ESTABLEEstable o uniforme: (No hay cambio con el tiempo con la ubicacin en una regin especifica)

Proceso de flujo estable: Proceso durante el cual un fluido fluye de forma estable por un volumen de control. Durante un PFE (V, m, ETOTAL) permanecen constantes.Ejemplos: turbinas, bombas, calderos, condensadores, intercambiadores de calor (radiadores). En compresores de aire reciprocante hay efectos pulstiles que no se consideran estables.

(fig. 1-29, 1-30 texto gua)

TEMPERATURACuando un cuerpo se pone en contacto con otro que esta a una temperatura diferente, el calor (Q) se transfiere del que esta mas caliente al frio hasta que alcanzan la misma temperatura (el equilibrio trmico). En ese instante cesa el flujo de calor (Q = 0)

Ley Cero de Termodinmica: Dos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura, incluso si no hay contacto.(fig. 1-31 texto gua)

TEMPERATURA: Escalas Temperaturas bases:Punto de congelamiento (punto de hielo): cuando una mezcla de agua y hielo esta en equilibrio con aire saturado con vapor a 1 atm. de presin.)

Punto de ebullicin (punto de vapor): cuando una mezcla de agua y vapor, sin aire, esta en equilibrio a 1 atm. de presin)

ESCALAS: Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine

TEMPERATURAEQUIVALENCIAS

T (K) = T(C) + 273.15

T (R) = T(F) + 459.67

T (F ) = 1.8 T(C) + 32

PRESIONPresin es la fuerza normal que ejerce un fluido (gas o lquido) por unidad de rea.UNIDADES P = F/AF = NA = mP = N/m = Pa1 bar = 10 Pa1 atm = 1.01325 bars1kgf/cm = 9.8 N/cm = 9.8 x 10 Pa

PRESIONPresin absoluta: presin real con respecto al vacio absoluto.Presin manomtrica: presin calibrada a cero con la atmsferaPman = Pabs PatmPvacio = Patm - Pabs

Variacin de presin con la profundidad:

P2- P1 = g Z = Z; = peso especifico del fluido

MANOMETRIAPor medio de un manmetro se mide diferencias de presin pequeas y moderadas a travs de una columna que puede contener uno o mas fluidos (mercurio, aceite, alcohol, mercaptano).

Para medir grandes diferencias de presin en manmetros de tamaos manejables, se utiliza el Hg.

P2 = P1 + g Z (columna de liquido de densidad y de altura Z.

Ejemplo: Presin absoluta (Pabs) en el fondo de una columna de fluido de altura Z.Pabs = P1 + Pman P1 = Patm ; Pman = g Z

Tarea # 1 (Fecha de entrega: 30-octubre-2014)

1-3C; 1-4C; 1-8; 1-10; 1-14; 1-15; 1-17; 1-26; 1-29C; 1-30C; 1-32.

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