UNIDAD 1

Fundamentos de la termodinámica.

Ing. Mario Arrieta

TermodinámicaCiencia de la

energía.

Energía: Capacidad para producir cambios

Termodinámica Dynamis: Fuerza Therme: Calor

Esfuerzos por convertir el calor en energía.

Ley de conservación de masa (primera ley de la

termodinamica)

Segunada ley de la termodinamica)

La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones entre el calor y el resto de las formas de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos de los cambios de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en los sistemas a nivel macroscópico.

Termodinámica

Ley de conservación de masa (primera ley de la termodinámica)

Principio de conservación de la energia: durante una interacción, la energia puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante.

Ejemplo: una persona que tiene mayor consumo energético (alimentos) respecto a su gasto de energia (ejercicio) aumentara de peso (almacena energia en forma de grasa), mientras otra persona con una ingestión menor respecto a su gasto energético perderá peso.

E entrada – E salida = ∆E

La primera Ley de la termodinámica es una expresión del principio de conservación de la energia, y sostiene que la energia es una propiedad termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica)

La energia tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurre hacia donde ocurre la calidad de la energia.

Por ejemplo, una taza de café caliente sobre la mesa en algún momento se enfría, pero una taza de café frio en el mismo espacio nunca se calienta por si misma (proceso irreversible).

La energia del café de alta temperatura se degrada (se transforma en una forma menos útil a otra con menor temperatura) una vez que se transfiere hacia el aire circundante).

Sistema

Una cantidad de materia o una región del espacio elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera de un sistema (puede ser fija o móvil).

Tipos de SistemaLos sistemas pueden ser considerados cerrados o abiertos, dependiendo si se elige para el estudio de una masa fija o un volumen fijo en el espacio.

Un sistema cerrado (conocido como masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna puede cruzar sus fronteras. Es decir, ninguna masa puede salir o entrar de un sistema cerrado, pero la energia en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera, y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. Si, se prohibe que la energia no cruce la frontera, entonces es un sistema aislado.

Un sistema abierto o un volumen de control, como se le llama, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por esos dispositivos se estudia mejor se selecciona la región dentro la región dentro del dispositivo como volumen de control. Tanto la masa como la energia pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

Ejemplos: calentadores de agua, un radiador de automóvil, una turbina y un compresor se relacionan con el flujo de masa y deben analizarse como volúmenes de control.

Tipos de Sistema

Un sistema abierto o un volumen de control

Propiedades de un Sistema

Cualquier característica del sistema se llama propiedad. Presion (P), Temperatura (T), Volumen (V), masa (m).

Las propiedades termodinámicas son características que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias. La cantidad y tipo de propiedades que se puedan establecer para un sistema dependen del tipo de observación que se halla establecido para el análisis del sistema. Por ejemplo si el enfoque usado es el macroscópico se pueden establecer propiedades como temperatura, presión, energía, energía interna y entalpía y otras.

Propiedades de un SistemaIntensivas

• Resultan independientes de la extensión del sistema (presión y densidad, temperatura). No son aditivas, si medimos algunas de estas variables en cualquier subdivisión del sistema obtendremos los mismos valores numéricos.

Extensivas• Son proporcionales a la

extensión del sistema y estas si resultan aditivas (Volumen total, masa total, Energía, etc). Si medimos el volumen de la mitad del sistema, hallaremos un valor que corresponde al valor del sistema completo.

m, V, T, P, ρ½ m, ½ V, T, P, ρ

½ m, ½ V, T, P, ρ

Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades especificas. Volumen especifico (v = V/m) y energía total especifica (e = E/m).

EstadoSi el sistema no experimenta ningún cambio; en estas circunstancias, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición o estado del sistema. En un estado especifico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, e incluso si cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente.

Propiedades de un Sistema

Temperatura

La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo (su capacidad para ceder energía calorífica) y el calor (Q) la energía que pierde o gana en ciertos procesos (es un flujo de energía entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas). Nivel térmico es el nivel de agitación. Comparando los niveles térmicos sabemos hacia donde fluye el calor.

SI

Sistema Ingles (Rankine) RR = °F + 459,67

Experiencias:Taza caliente sobre una mesa se enfría con el tiempo.Bebida fría se entibie en algún momento.

Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que esta a una temperatura diferente, el calor se trasfiere del caliente al frio hasta alcanzar ambos la misma temperatura. (Equilibrio térmico)

Equilibrio Termico

Ley cero de la termodinamicaSi dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, éstos están en equilibrio térmico entre sí.

Densidad

La densidad (ρ) se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el S.I. la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). En sistema ingles Lb/pies3.

ρ H2O = 1000 kg/m3 = 1 g/cm3 = 62,4 lb/pies3

Densidad RelativaEs una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades.

SG = ρr = ρ / ρ H2O

PresiónSe define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área.

Unidades: Newton sobre metro cuadrado (N/m2) conocida como Pascal (Pa)

1 N/m2 = 1Pa (SI)Lbf/in2 = psi (sistema Ingles)

1 atm = 14,696 psia

P = F / A

Presión

Presión absoluta es la presión medida con referencia a un vacío perfecto.

Presión manométrica es la diferencia entre la presión de un cuerpo y la presión atmosférica que rodea al cuerpo.

P(manométrica) = P(absoluta) - Patm(absoluta)

Se utiliza el término vacío cuando la presión que medimos es menor que la atmosférica. Vacío es la diferencia

entre la presión atmosférica y la presión absoluta.

Pvacio= P atm - Pabs

PresiónManometro

Un manómetro es un tubo; casi siempre doblado en forma de U, que contienen un líquido de peso específico conocido (aceite,agua, mercurio) cuya superficie se desplaza proporcionalmente a los cambios de presión

Presión

Manómetro básico

P2 = P1

P2 = Patm + ρgh

Patm= presión atmosférica

ρ = densidad del fluido

g = gravedad (9,81 m/seg2 = 32,174 Lb/seg2 )

h = altura fluido

21

2KE mu

Energía CinéticaAquella debida al movimiento del sistema con respecto a una referencia

Energía PotencialRelacionada con la posición del sistema

. .PE m g z

Energía InternaEnergía debida al movimiento aleatorio de traslación, rotación o vibración que puedan poseer sus átomos o moléculas.

Velocidad

Tubería

Altura

Energía

Intercambio de energía Sistema - Entorno

CalorSe de fine como una forma de transferencia de energia entre dos estados de equilibrio de un sistema termodinamico, como consecuencia de una interacción térmica entre el sistema y el entorno.

El calor (Q) es positivo (Q>0) si es absorbido y negativo (Q<0) si es cedido por el sistema.Unidades: Joule (J), Caloria (1cal= 4,186 J)

El trabajo en termodinámica siempre representa un intercambio de energía entre un sistema y su entorno.

La forma habitual de realizar un trabajo sobre un sistema termodinámico es mediante

un cambio de volumen.

La fuerza que el gas ejerce sobre una superficie, determina una presión, que al provocar desplazamiento, origina un cambio de volumen, es decir:

Cuando se comprime el sistema, recibe en forma de trabajo una energía transmitida por el entorno , incrementando, por tanto, su propia energía por lo que diremos que, Wcompresión > 0

Cuando el sistema se expande, transmite una parte de su energía al entorno en forma de trabajo, disminuyendo así su energía, por lo que consideraremos que, Wcompresión < 0

Intercambio de energía Sistema - Entorno

Trabajo

El calor se transfiere cuando existen diferencias de temperatura entre un sistema y su entorno.

El trabajo se transfiere cuando actúan fuerzas entre el sistema y el entorno que producen algún desplazamiento en cualquiera de ellos.

El calor y la energía son dos formas de medir la energía transferida. La relación entre ellos es:

1 cal = 4,18 J1 J = 0,24 cal

Trabajo - Calor

EntalpiaEs la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

Entalpia (del griego thlpein (calentar)).

La entalpia es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H.

La variación de entalpia expresa una medida de la cantidad de energia absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o , lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

Unidad del entalpia en sistema internacional = Joule (J).

Entalpia

Entropía

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación.

La función termodinámica entropía es central para la segunda Ley de la Termodinámica.

Entropía

int rev

QdS

T

Entropía

Cuando se plantea la pregunta "¿por qué ocurren los sucesos en la Naturaleza de la manera que ocurren y no al revés?" se busca una respuesta que indique cuál es el sentido de los sucesos.

Por ejemplo, si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que finalmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, finalizando en equilibrio térmico. Sin embargo, el proceso inverso, el trozo caliente calentándose y el trozo frío enfriándose, es muy improbable a pesar de conservar la energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía

Nunca consideres el estudio como una obligación sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravillosos mundo del saber.

Albert Einstein