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.. ,

•

CAPITULO 1

INTRODUCCION y CONCEPTOS BASIeos

•

1.1.- nlTRODUCCION: La Ingenieria. Su m~todo. vUS alcances.

Para comenzar Dodemos mirar una de las definiciones clási­

cas 'que se ha querido dar a la Ingenieria:

liLa. Ingeniería es una. rama de las ciencias física s que

tiene como objetivo el análisis de los fen6menos natura -les, industriales, tecno16gicos y sociales con el fin

de aplicar una generalizaci6n matemática que per~ita su

renroductividad y mejoramiento, en busca de un bienes­

,tar social".

A simple vista ~arece ser muy abstracta, pero tratando de

profundizar en su significado se puede~ extraer ideas más

precisas de esta definición:

a. Lo prLnero, es tener claro que para analizar un fenómeno

debemos familiarizarnos con él a fin de úoderlo enten-~

der y controlar convenientemente.

b. Al hablar de una generalizaci6n matemética, se está ha­

ciendo mención a la interrelaci6n funcional que deben

tener las principales variables que intervienen en un ,

fen6meno, de tal forma que en base a haber entendido y

a estar en capacidad de controlar el mentado fen6meno

nodamos deducir un "Modelo Simplificado" que nos permi­

ta reproducirlo en condicicnes similares o pr6ximas, d~

pendiendo de la representatividad del modelo • .

c. Estos modelos simnlificados que describen total o uar-

cialmente el fen6meno que se analiza deben fl:eben permi­

tir, además, avanzar en conocimientos similares o rela­

cionados, e incluso llegar a conclusiones tales como r~

chazarlo por inadecuado en la práctica, nara dar pie a

otro más aplicable. . .

11

d. Tambi~n, la definici6n consultada nos guía hacia la ne­

cesidad de ofrecer todos esos conocimientos ~enomeno16-

gicos a una utilidad social real dejando en un seeundo

plano, por principios, la investigaci6n puramente cien­

tífic~ que conlleve tan solo a acrecentar el patrimonio

cul tural, pero que no siem:ore muestra frutos de taugi-,

ble aplicabilidad; en esta parte nos conduce, más bien,

al estudio de 6.c:u0110s descubrimientos científicos "Bco -,

n6micamen te Realiza'bles y Provechosos Socialmente ", es

decir, nos da a entender que la Ingeniería es,

mente, una disciplina aplicada.

tínica-~

e. Finalmente, allí se clasifican los fenómenos de inter~s

ingenieríl en cuatro grupos principales:

1) Naturales, como la Electricidad, el I\lagnetismo,

la combusti6n.

2) Industriales, como la Producci6n de Electricidad ,

por m~todos hidráulicos o térmicos, el Control de ,. . maqUlnas, equlPos y procesos.

3) Tecno16gicos, como ,los sistemas novedosos de gen~

raci6n de fluido el~ctrico a nartir de Enerfía So - - -lar, de las Mareas y de Energía Geotérmica, las

,

nuevas técnicas Dara Desalinizaci6n del Agua del - .

Mar • •

4) Sociales, como la Distribuci6n de Electricidad Ru -ral, el Manej 'o de Personal en Planta y Campo, el

Control de la Contaminaci6n Ambiental.

Ahora bien, el profesion~l que utiliza (o que la va a uti­

lizar) la Ingeniería debe prepararse convenientemente, ad­

quiriendo fuertes conocimientos t~cnicos, econ6micos y ad­

ministrativos, principalmente, ya que es el encargado de

interrelacionar el mundo científico con el mundo de la pro -ducci6n y del consumo.

Por lo tanto, un Ingeniero conciente debe dominar las he­

rramientas fundamentales de su profesi6n, las cuales pueden

•

•

, .. ,

12

resumirse en las siguientes á,reas: Matemáticas, Ciencias

(Naturales), Tecnologia, Economía, Administración y Cien­

cias Humanas, áreas que se constituyen en los nuntos de r~

ferencia nara cumplir su cometido social.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que todos los concep­

tos y herramientas mencionados como tales son insuficien­

tes para el análisis de situaciones reales. ~s indispens~

ble que el Ingeniero adquiera un buen grado de "Experiencia

e Intuición", ya que por sí solas las fórmulas y las ecua- '

ciones no sirven para explicarlo todo.

En la práctica se ve cómo todas las áreas de la Ingenie~ia ,

han sido desarrolladas mediante un proceso histórico-evolu -tivo de "Experiencia Acumulada" y con ello se ha logrado u

,

una comprensi6n más completa de los fenómenos analizados.

Fero muchos (por no decir la mayo~ia) de ta+es fen6menos

carecen de interuretación cOIDuleta. De esta manera, en

casos de fenómenos o 'orocesos que carecen de interDretaci6n

éompleta, el Ingeniero deberá optar por "aproximarse" al

fenómeno por medio de un "Modelo Simplificado ll de 'fácil ma -nipulación.

Para lograr estos modelos, se escogerán por selección cui­

dadosa los parámetros (variables) que más afecten el fen6-

meno o proceso y, luego de ordenados convenientemente, se

harán variar sistemáticamente desarrollando una exnresi6n •

que los relacione (empírica en la mayoria de los casos).

Es así cómo las herramientas profesionales de la Ingenieria

han alcanzado el desarrollo y el grado de esuecializaci6n

que hoy muestran; gracias al método cientifico empleado:

Postular, Experimentar, Correlacionar, Acumular, Perfeccio -nar y Sofisticar, la Ingenieria ha pasado de ser un arte

para convertirse en una verdadera ciencia. .Mas sin embar­

go, por el tipo de modelo simplificado del método ingenie­

ril, muchas de las que ahora llamamos "Leyes" pOdrían con­

vertirse en ficción a medida que los investigadores con ti-

•

..

13

nuan sus exploraciones.

Para darse confiabilidad en sus proyectos, la Ingenieria

prouone los "Factores de SefUrid.ad", los cuales son ad qui­

ridos ya por la experiencia directa y la intuici6n de los

Ingenieros. Por esta raz6n es muy corriente el uso de "Re!!.

dimientos y Efictencias" para relacionar los "Comportamie!!.

tos Reales" con los de un "Modelo Altamente Idealizado" de

un fen6meno o proceso no suceptible de descri9ci6n exacta.

Dentro de todo este atisimo grado de especializaci6n de la

Ingenieria se entiende fácilmente la divisi6n existente uor

camuos de acci6n. La rama de la Ingeniería ~léctrica cubre

los campos: Producci6n', Distribuci6n y Consumo de la Elec­

tricidad; Electr6nica Fundamental, y Controles. La rama de

la Ingenieria Quimica cóbre los campos de Procesos Quimicos

y Fisico-Quimicos. La Ingenieria Mecánica, el cam~ o de la

Tecnologia Mecánica en Diseñ o y Construcc6n de equipos.

De igual forma, existen otras ramas como Ingenierias Indu~

trial, Agricola, de Petr61eos, de Mine.s, etc., que cubren

campos especificos pero desprendidas, todas ellas, del mi~

mo objetivo central de la Ingeniería.

Por lo anterior, todas las ramas de la Ingeniería deben t~

ner una área básica común, orientada a su campo de acci6n,

la cual debe servir de fundamento a su especialidad, pro­

piciar una disciplina formativa y aportar un nivel cultu­

ral mínimo propio de todos los profesionales que ODstenten

el título de Ingeniero.

Entonces, la preparaci6n del Ingeniero en su área básica

d~be contemplar aspectos disciplinantes, como las matemátl

cas; aspectos descriptivo-analiticos, como la fisica; aspe~ . tos socio-econ6micos, como las humanidades; aspectos econQ

micos y administrativos, como la contabilidan, , la economia,

la legislaci6n y la administraci6n; aspectos operacionales­

sistemáticos, como computadores, programaci6n lineal e in­

vestigaci6n de operaciones.

...

•

14

Además, existen problemas básicos que inquietan a la huma­

nidad entera y cuyos fundamentos se encuentran plasmados

en unas pocas leyes o principios fQndamentales, tales como

la producci6n y distribuci6n de bienes y suministros y la

contaminaci6n ambiental. Por ser problemas sociales intere · -san a todas las ramas de la Ingeniería en mayor o menor grª do. Sin embargo, siendo optimistas, podemos resumir estos

"prob~emas en uno solo: "El Problema de la Energía".

La energía es el motor social por excelencia; siem~re es n~

cesario utilizar algunas formas de energía para producir,

recolectar, almacenar, transportar, distribuir y preparar

los alimentos Que deb~ cons~mir el ser hum8no. Además, la

p~ducci6n de bienes y servicios siemure está ligada a una

forma de energía.

Por estas razones todos los Ingenieros deben entender y ma -nipular los principios básicos que rigen las transformaciQ

nes energéticas, para tratar de ponerlos en práctica dentro

del campo de acción de su especialidad.

El Ingeniero Eléctrico, por ejemplo, debe entender los fenQ

menos de transformacinn de energía que intervienen en la g~

neraci6n de electricidad, que a su vez es una forma de e­

nergía. Es decir, se debe com~render c6mo se produce la

transformaci6n de la energía química almacenada en un com­

bustible o la en~reía potencial almacenada en un? represa,

en fluido eléctrico •

En lo anterior se ve la importancia de la TermOdinámica,

. es decir, aquella ciencia física que estudia la enertda,

sus transformaciones y los principios ·que la rigen, desde

un punto de vista práctico y global.

Esta ciencia auxiliar de la Ingeniería se ha desarrollado

muchísimo a nartir de su formulaci6n inicial, y nor lo mis­

mo en la actualidad se puede subdividir en dos ramas más o

menos bien definidas: la Termodinámica Clásica o Mecánica

•

•

15

y la Termodinámica Quimica.

La Termodinámica Clásica se encarF-a de analizar los dos

principios básicos de la energética:

a. La base cuantitativa de las transformaciones y,

b- La base cualitativa de la dirección de las mismas.

Aqui se toman las formas de energía transitoria (calor y

trabajo) como impulsQs generadores de cambios en las pro-•

piedades de : los fluidos con que se trabaja en equipos de

transformaci6n energética y se analiza la interconvertibi­

lidad de calor y trabajo.

En la Termodinámica Química se analizan las leyes que r 'i­

gen los equilibrios fisico-químicos y la posibilidad de

desplazarlos y manipularlos utilitariamente mediante impul

sos energéticos externos. Así, se estudian las soluciones,

las fases simultáneas, las reacciones químicas, los fen6m~

nos de superficie, los fen6menos de transyorte de masa y

energía, y los fen6menos electroquímicos.

En la actualidad, gracias a los adelantos de la ciencia y

la tecnología, están tomando auge dos nuevos aspectos de

la Termodinámica. La Termodinámica Estadística, que anali

za los fenómenos energéticos desde el punto de vista prome -dial y probabilistico, basándose en modelos moleculares

que proporcionan la Mecánica Estadística y la Mecánica Cuán -.. tica. Y la Termodin~:;:nica de los Procesos Irrev~r'sibles, que

trata de describir con mayor aproximaci6n y exactitud los

fen6menos enerpéticos, principalmente utilizando la inter­

relaci6n dinámica (variables en el tiempo) de los fen6menos

energéticos y la descrinci6n de transformaciones directas

de la energía •

Cabe anotar que la funda~entaci6n de todas las ramas de la . .

Termodinámica está en la Termodinámica Clásica. De manera

que en aquellas Ingenierias donde la utilización de la TeK

modinámica no es directa o ;inmediata, bastaría con estu­

diar la Clásica; este es el caso, por ejem~lo, de la Inge-

, 16

.'

..

nieria. Eléctrico. o la In{~eniería Inuustrial. Pero la Ter­

modinámica es una herramienta nrofesional para el InCenie­

ro Qufmico y nor lo tanto debe cubrir también el camno de

la Terrnodiná!11ica (¿uirnl·ca. Las Termodinámicas Estad istica

y de los Procesos Irreversibles, es~án todavía en la etana

de acoulamiento a las técnicas ingenieriles (por lo ~enos

en nuestro medio), 1?ero se les ve como herramienta de apli -caci6n casi inmediata Dara solucionar muchos de los nroble .- -mas ener~éticos del mundo.

•

1.2.- C~~T~AnBS FI3ICA5: Unidades. Conversiones.

a. Cantidad fisic9. (1): C2ntidad física o variable física .

es el ele:wento fundamental de las expresiones y leyes

~ue ri5en los modelos físicos. Desde el punto de vis­

ta científico e ingenieril, una cantidad física ~ueda

definida cuando se estipulan los procp.dimientos para me -dir dicha cantidacl .

~n efecto, la medici6n debe conducir en últimas a deter -minar 'lL't1 número C011 1,U12.. unidad y un sentido o direcci6n.

Lo cual puede quec.ar rec:ucido a' los C0!.1Ce--: tOS de Magni-

tud, Dimensiones, Unidades y Orientaci6n . ~ _ :'.

especifica el m.1iD.ero, la dimensi6n 6c 1. . .::; » ::i1'l<... L . clase

de cantida.d fisica, la unidad illc1ir. :: . el T'a t r 6n d l-; .:tedida

y la 'orientaci6n define el senti~o .

. b. Sistemas de Unidades (2): Se denomin2. Sistema de Unida-

• 1 _

des al conjunto de patrones de rnec1i (':1 . H e ~-;0 u ti 1 izan

para distitt5Uirlas cantidades físicas. '::Gl'C 1 : 1'30 defi­

nir los 'Da trones de medirla debe :>r:i.~ero e3ti , ~ulnrse cuá -. les son las UT)imensiones Fundamentales" a nartir de las

cuales se va a diseñar el sistema de 'Lmida.des.

Aún cuando los natrones deben cumnlir con las car..:~, cterís

tice.s él.e eX8.cti tu el , rieurosioélt1 y reproductividad, es

arbitraria su escot:cncia COl'!lO oimenoi6n fundamental y

-

•

•

-

• •

.. •

11

por esta raz6n han existido tradicionalmente sistemas de

unidades particulares no U11ificados. ~

Si hacemos un análisis sobre las cantidades físicas oue ~

intervienen en la segunda ley del movimiento

nica ?'fewtoniana (la aceleraci6n de un cuerpo

de la l¡: ecá -es directa -

mente Dro~orcional a la fuerza resultante e inversamen­te pro~orcional a su masa) se puede obtener una ecuaci6n

(modelo) que relacina las tres cantidades asi: •

a = K (F/m) (1.1)

donde a es aceleraci6n, F es fuerza resultante, m e$

masa del cuerpo y K es una constante de pro~orcionali­

dad a'JJ.."'oDiada. ~ -

En todos los sistemas de unidades se ha acentado a la

Longitud(L) y al Tiempo (Q) como dimensiones fundament~ .

les; además, en Física Newtonia~a se ha podido deducir

que a = d2L/dQ2 (1.2)

por lo tanto la aceleraci6n es una di~ensi6n derivada

dado que sus unidades

de longitud/unidad de

se pueden exoresar como (unidad

tiemDo~ aue son fun~amentales. •

(1.3) , y , a[=]Upidad de L 2 (1.4) (Unidad de Q)

En (1.3) el símbolo [ ], indica "Tiene Dimensiones de ", .

y en (1.4) el símbolo [=] , indica "Tiene unidades de".

Ahora bien, volviendo a observar la eco (1.1) podemos

seguir uno de tres caminos:

1) Como en los Sistemas Absolutos 6 Dinámicos 6 Newto­

nianos de Unidades, asumir como fundamental la masa

(dimensi6n M) y por lo tanto la fuerza queda como d~

rivada. Si se asume, tambi~n, Que K = 1 , obtenemos:

(F)=[a][m)= LMQ-2 (1.5), es decir,

F [=) (unid.de M)(unid.de a) (1.6)

Por comodidad se puede ":Definir" la fuerza ca 'jáz ele

impulsar un movi1 de "masa unitaria" a U1la "acelera-

18

ci6n unitaria 11 . ,como "una unidad de fuerza" ; entonces

por "Conveniencia" hacemos:

K :; g = 1.0 (unidad ,de M),(un.~r:1ad de

c (unidad de F)(unidad de (1.7)

,

De esta forma, podemos transformar la eco (1.1) en:

(1.8)

Bn estos sistemas absolutos de unidades tambié'n son

fundamentales, además de masa, longitud y ti 'empo, la

temperatura (T) y la carea eléctrica.

Pertenecen a esta categoría:(ver Tabla 1.1)

a) Sistema Científico CGS (cm, gr, seg)

b) Sistema Internacional de Unidades SI (3) ó siste­

ma científico MKS modificado en 1967 por la Conie -rencia Internacional de Pesos y Hedidas (metro,

kilogramo, segundo)

c) Sistema Inglés Absoluto FPS (foot, pound, second)

6 (pie, libra, segundo)

2) En los Sistemas Técnicos 6 Estáticos 6 Gravitaciona­

les de Unidades se asume como fillldamental la fue~za

(dimensi6n F) y por lo tanto la masa queda como deri

vada. Si se asume, también, que K = 1 , obtenemos:

(1.9) , es decir, .

me=] (unidad de F)/(unidad de a) (1.10)

Si se define la masa caoáz de moverse con una "acele­

raci6n unitaria" cuando se le anlica una "fuerza uni':' "

taria" como "una unidad de masa"; entonces, haciendo

K = g como en (1.7) podemos obtener (1.8). c

En estos sistemas técnicos de unidades también son

fundamentales, además de fuerza, longitud y tiempo,

la temperatura, la car{:';a eléctrica y el calor.

Pertenecen a esta categoria:(ver Tabla 1.1)

,

"

..

19

a) Sistema !,iKS ?écnico (metro, kilogramo (F), see.)

b) Sistema l!'PS Técnico (pie, libra (F), see;undo)

3) En los Sistemas de Ineenieria 6 Prácticos 6 Mixtos

de Unidades se asumen como fundamentales la masa (di -•

mensi6n M) Y la fuerza (dimensi6n F); además, se es­

tablece arbitrariamente que "una unidad de masa"

pese "una unidad de fuerza" cuando la aceleraci6n de

la g~ravedad es normal (medida al nivel del mar a

la latitud promedio, es decir, 45 0 norte o sur). En

estas condiciones K f l.

Aulicando la eco (1.8) para el caso donde F = F -P

peso de un cuerpo de masa = m en donde a = g = ace­n

leraci6n de la gravedad normal, obtenemos:

K = gc= gn ~p = I gnl (uni.d. ,d.7n, M)( unid, •. de

(unid.de F)(unid.de

L) (1.11) . -g)2

Aqui el símbolo I I indica "r.1agni tud de"; entonces re­

sulta que el fáctor de proporcionalidad de la segun-

da ley de Newton cumple 1.0 dado Que •

,

En estos sistemas de ingenieria de unidades también

son fundamentales, ade~ás de masa, fuerza, longitud

y tiempo, la temperatura, la carba e16ctrica y el

calor • •

Pertenecen a esta categorí'a:(ver Tabla 1.1)

a) Sistema Métrico de Ingeniería 6 Sistema Práctico

Europeo (kilogramom

, kilogramof

, metro, segundo),

aouí g = 9.80665 m/(seg)2 • n

b) Sistema Inglés de Ingeniería 6 Sistema Práctico

Inglés (libram, librar' pie, segundo), aquí

g = 32.1740 ft/(seg)2 n

,

SISTEMA DE MASA FUERZA LONG I T IJ D !=ACTO R ge ,{l/ERGIA cALORle A

UI'{IPADES Unidad Abye~iot. Unidad Abrev. Unidad A 6rell. Me 9" i +ucJ Unidades Unidad Abreviaf.

5t~fem~ I n+ef"t1Q· kg . m .

kilO9ramo K9 N ew fo n N rn e tro kito juU o kJ ciondL 5 J m 1.0 N· ,5-< .

11151e'5 de lbm L ¡bra Juer;;a. ebf • ft .3Z.1 t '/-0 16m' ft Unidad Térmica.

]tu. Libra masa pIe ¡11genjer(a Jbt . 51.. 'tJ r; fin; CA..

Me'l-y¡,o de J(;/OJramo ma$a. K~w¡ f¡/o9 fomo [uer¡4. KJ-f mefro M 9.'60b65

K~nf' m }(¡/ocalo'(/a. Kcal

In9Q.nie r,'a Kc f· .sZ <1

•

.

CGS . gramo 9 el ; Yl el. d ce"f(me+ro cm 1.0 9 . cm

calor/o... CQ~ d . s~

F P5 Absofu fo Libra lb Poundaf Pi • ti lb . Jt t/Y1ir:lad ?Le 1. O • • ]; Iu.. . Pi . SZ

7~rm ICe<-?J .".; .f 6.. 11 i c. ex.

.

.

Unida d o' si Libra Lb Ji sR . .f t Unidad FP5 Tecr?ico 1écn/cQ. slug pie 1. O T el t' Wf i c. ""- Bfu... Lb· 5~ de ¡.Aa~o.. 13 y,''¡dn '""'-

MKS TécnicO Unidad

u.tm Kilogramo K3 metro m 1. o u.tm · m Ki/ocaLor/o. )(cd 1 tÍ Crl i C04... K9 . ~.z. de l4a So.

S/5TEHA ;;E lJ"'/~A1JE~ ~ sr METRICOS INGLE.SE.5

Unidad Ke l v'/l1 Grado (i '(' o. c:Lo G'('(l do 6. '('o. do

TE/'I1PER4 TU RA CeY1fí<jrado Kel vil? Forhenheí + Ron kir?e

Abfel/ia +u.rq K oc • e °K d K F ~ °F R c: OR-e

a f I i ca b jI; el a d. •

s

1\)

o

..

21

Nota sobre la acelerac1n de la gravedad: (4) Es imp or­

tante recordar que la aceleraci6n de la gravedad es va­

riable, ya que depende, principalmente, de la "Latitu

Geográfica" y de la "Al ti tud sobre el Nivel del Mar".

T. Andriánova," B. Dzámpov, V. ~úbarev y S. Rémizov en

su libro "Problemas de Termodinámica Técnica" (Editorial

Mir, 1977) nos presentan una f6rmula, fruto de la experl

mentaci6n, para calcular la aceleraci6n de la gravedad

en cm/(s2) (pag. 12 del libro):

g = 978.0490(1 + 52.28xlo-4sen2f -

- 30.86xlO-5Z

-6 2 ' 6xlO sen 2cp)

(1.12)

donde g

latitud

es aceleraci6n de la gravedad en cm/s 2 , ~ es la .

geográfica en grados norte 6 sur, y Z es la a1-

titud sobre el nivel del mar en m. •

SegÚn la eco (1.12), la aceleraci6n normal

dad se lograria a una latitud de 45 0 43 1 5'6"

de la grave­

norte 6 sur,

y al nivel del mar (como ejercicio se recomienda calcu­

lar la aceleración de la gravedad para Itiedel11n).

c. Conversiones (5), "(6): Es importante tener claro que •

. las cantidades físicas similares se pueden interconver-

tir entre los distintos sistemas de unidades; as1, por

ejemplo:

En masa: •

1.0 kg = 2.2046 1bm = 1.0 Kgm = 1000 g

= 2.2046 ·lb =" 68.52xlO-3s1 = 10i.97xlO-3utm

En fuerza:

1.0 N = 0.2250 lbf = 0.1020 Kgf = 105d

= 0.2250 Lb = 0.1020 Kg = 0.1383 PI

En longi tud :

1.0 m = 3.28 ft = 100 cm = 39.37 in (6 pulgadas)

En tiemno:

1.0 h = 60 mi = 3600 s

..

22

1.3.- TBRl';!ODIN Ar.íICA: Obj e ti vo . :':~ é todo. (7), (8)

a. TermodinQ"'1ic8. : Es una ciencia Física que estu (1 ia y 3,-•

naliza la ,

ener{' l8., SUS ca tef; orias y sus tr::msforfl3. c.io-

nes, sean estas exuonáneas o inducidas.

Faires (9) nos nrecisa un DOCO más esta definici6rJ.: "Ter • -modinámica es la rama de las ciencias físicas que trata

diversos fenómenos de l a ener~ía y las pr09iedades rela -cionadas de la materia, especialIr~en te en lo que se re­

fiere a las leyes t e transformaci6n de calor en otY'as

formas de energía, y viceversa".

En sentido original (10) y restrins ido la termoJinánica

trata de las limitaciones imuuestas a la transformaci6n

del calor o de la enerFía interna de una sustancia en -trabajo útil. Pero en un sentido más general, tra ta de

las limitaciones (modelos de cO~D ortamiento) im9uestas

a las transformaciones enerEética s :le una for!J1a a otra

distinta.

• .

Ahora, mirando restrospectivamente, los fundamentos de ,

la termodinámica (11) fueron sentad.os en el sigloXrr,

cuando, debido al desarrollo de los motores térmicos,

se plante6 la necesidad de estudiar las leyes de la

transformaci6n del calor en trabajo. Pero más ta.rde el

método de la termo~inámica rebas6 los límites de, la ter

motecnia y hal16 amplia a~licaci6n en muchas ramas de

la física, la química y otras ciencias.

-

b. Objetivo: El objetivo fundamental de la termodinámica

descansa Drácticamente en la determinaci6n de ' las condi -ciones (ener["éticas, físicas y químicas) que ricen todo

estado de eauilibrio, es decir, a Guel Que se produce

cuando las fuerzas externas oue afecten al sistema en •

estudio son exactamente equiDaradas Dor ~orrespondien­

tes fuerzas internas originadas a lo larpo de un proce-

so. "

..

23

Podría decirse, entonces, que el objetivo formal de la

termodinámica es analizar el fen6meno de L~teracci6n

energ~tica entre una sustancia y el medio Que la rodea,

emnleando o desarrollando modelos simplificados (prin­

cinios o leyes o limitaciones de comportmniento) que

están basados en las condi~iones que rigen los est2aos

de equilibrio •

•

c. ?Y~~,t.odo: Partienc10 del objetivo de la termodinámica, se

puede plantear una metodología para alcanzarlo.

1) Tener un conocimiento completo del comuortamiento de

las propiedades de las sustancias, en especial, de

sus propiedades asociadas con la energía. Este co-

nocimiento debe partir del estudio de los ~odelos

que relacion~ dichas propiedades entre sí (!).

2) Conocer las distintas formas de enerGía, bien sean

asociadas a la sustancia en cuesti6n, al medio que

la rodea, o que sean fruto de la interacci6n de los

dos, sustancia-medio.

3) Establecer las condiciones que deben existir uara que

la sustancia y sus alrededores se encuentren en es­

tado de equilibrio • .

4) Utilizar los principios ya existentes (6 desarrollar

nuevos modelos) para relacionar la vari~ci6n en las

propiedades de la sustancia con la alteraci6n del

equilibrio por efecto de alguna manifestaci6n energ!

tica de sus alrededores.

{!} Axioma de funcionalidad (12): Las propiedades de las

sustancias, tom~da8 como cantid~dcs físicas, están in­

terrelacionadas funcionaDnente y, por esta raz6n, se

pueden desarrollar ecuaciones de dependencia entre

ellas.

•

24

d. Utiliza ci6n: Sieuiendo el anterior m~todo, la termodiná - =- -

mica se podrá utilizar para loerar uno o varios de los

siguientes cometidos, sepÚn sea el fen6meno que se ana­

lice:

1) Poder predecir y calcular la magnitud de las propie­

dades (relacionada s CGn la energía) de una sus~ancia .

en condiciones dadas de eauilibrio energético con - '-

sus alrrededores, de manera que puedan establecerse .

con un mínimo de ñatos experimentales (10).

2) Mostrar en cuánto puede variaF la magnitud de las pro -piedades de una sustancia ante estímulos energéticos

externos dados, si se alteran las condiciones de equ~

librio inicial.

3) Determinar las condiciones de ecuilibrio a las cua­

les puedan tender los procesos físicos 6 químicos,

desde el nunto de vista termodinámico.

4) Predecir cuál deberá ser la magnitud de una forma de

energía externa que haga variar las propiedades de

una sustancia en una cantidad dada.

•

5) Poder predecir o valorar cuénta cantidad de una for-

ma de energía se puede transformar en otra.

6) Mostrar la efectividad y la direcci6n que puede tc ­

ner una transformaci6n energética.

-

7) Predecir la factibilidad de una transformaci6n ener­

gética deseada.

e. ;Limi taciop.es ~el campo de acci6n,: La Termodinámica clá -sica, que es la que nos ocupa, no opera con ti90 alguno

de modelo de estructura de la sustancia (11) y, en gen~

ral, no está ligada directamente al concepto de microe~

tructura de la materia. Por lo tanto se puede conside­

rar como una ciencia abordable desde el punto de vista

-

..

25

de las dimensiones habitua~ente observables o propied~

des macrosc6~icas de la materia.

La termodinámica clásica conduce a "Iíiodelos Técnicos"

que describen s610 parcialmente los fen6:nenos enerr:;éti­

cos y, en muchos casos, a6lo llega a establecer rclaci~

nes cualitativas para los procesos naturales, pero no

por ello deja de ser de gran utilidad para el ingeniero • •

En esta termodinámica clásica lo importante es aplicar

el método termodinámico para los e.fectos energéticos

globales entre un estado de equilibrio inicial y otro

final.

Cuando se hacen consideraciones en t~rminos de la es­

tructura microsc6pica de la materia (at6mica o molecu­

lar), se está en los dominios de la TermodL~ámica Esta­

dística, dentro de la cual se consideran los resultados

de la termodinámica clásica como estimativos promedio.

f. Sustancia de trabajo (9): En termodinámica clásica se

acostumbra a llamar "Sustancia de Trabajo" a la canti­

dad de materia que ha de ser objeto de análisis, la cual

es generalmente un fluido.

Esta sustancia o fluido de trabajo (materia que ofrece •

poca resistencia a la deformaci6n) debe tener la propi~

dad de a]macenar, transportar o ceder energía, según s~

an los estímulos energéticos externos.

Todos los análisis termodinámicos que se haean sobre

los fluidos de trabajo se referirá a estados de equili-.

brio o a desplazamiento desde un estado de eouilibrio

hacia otro, también de equilibrio.

En el siguiente canítulo se estudiarán con algún deta­

lle los comportrunientos de varias pro~iedades de estos

fluidos de trabajo, para seeuir el método termodináoico.

I

f

..

•

26

Pro_blemqs p.ronuesto~

1.1 Un importador de Medellín comnr6 alambre de cobre sin

recubrimiento para procesarlo y venderlo como conduc­

tor eléctrico. En la factura anarece un peso de embar -que

dido

de 5 toneladas. La 'ciudad donde se despach6 el pe -está a 750 421 sur y a 5000 ft sobre el 'nivel del

mar.

Cuál será la masa del producto embarcado en kg? , ,l). in Cuantofel embarque en Meoell , en N ? Si hubo -oér-

dida de peso estímela en Kgf.

Nota: Por informaci6n adicional del Instituto Geofísi-

co Agustín Codazzi, nara Medellín se tienen los

tes datos: Latitud = 60 15 16"N; Altitud = 1479 m

siguien -•

1.2 Un cuerno de 10 kg se mueve con una velocidad constan­

te de 200 mis • Calcule la energía cinética del cuerpo

en unidades del sistema inglés de in~enieria.

1.3 Un o~erario de 145 lbm está trabajando sobre una estru~

tura a 80 m del

en el lugar g = piso, "gero

2 32 ft/s ,

lu~o sube hasta 113 m • Si

encuentre el aumento de su

energía potencial debido al ascenso, que hizo en la es­

tructura. De su respuesta en SI y en unidades del sis­

tema métrico de ingeniería • •

Referencias a 'el caní tulo l. o

(1) l. PI' 20-21 (7) D. PI' 1-5

(2) l. PI' 30-31 (8) L. ::>a.g 39 y pp 41-42

(2) L. PI' 45-53 (9) c. un 1-2 . -(3) l\1. PI' 23-25 (10) F. ~ag 11

(4) l. PI' 444-448 (11) G. pag 11

( 5) D. pag 482 Tabla A.2 (12) D. pag 9

(6) l. pp 756-763 Anéndice H

(Ver biblioerafía al ,f ¡",al ' )