cengely.a., boles m.a. (2012). termodinámica. séptima

Cengel Y.A., Boles M.A. (2012). Termodinámica. Séptima Edición.

Sonntag R.E., Van Wylen G.J. (1996). Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística. Primera Edición.

Semana Unidad Tema Principal Sub-temas

1,2 1Introducción a la Termodinámica,

Conceptos Básicos

- Conceptos de Termodinámica

- Dimensiones y Unidades

- Temperatura

- Escalas de Temperatura y

Transformaciones

- Presión Atmosférica, Absoluta y

Manométrica

3 2 Leyes de los gases

- Leyes de los gases

- Ley de Boyle

- Ley de Charles

- Ley de Avogadro

- Ley de los Gases Ideales

- Constante universal de los gases

4 3

Energía y Transferencia de Energía - Formas de Energía

- Transferencia de Energía por

Calor

- Transferencia de Energía por

Trabajo

- Formas Mecánicas de Energía


5,6 4

Primera Ley de la Termodinámica - Enunciado de la Primera Ley de la

Termodinámica

- Balance de Energía

- Cambio de Energía de un Sistema

- Mecanismos de Transferencia de

Energía

7 5

Energía y Ambiente - Eficiencia en la Conversión de

Energía

- Emisiones y Calidad del Aire

- Ozono y Esmog

- Lluvia Ácida

- Calentamiento Global y Cambio

Climático

8 6

Propiedades de las Sustancias Puras - Fases de una Sustancia Pura

- Procesos de Cambio de Fase

- Diagramas de Propiedades para

Cambio de Fase

- Entalpía y Entropía

- Tablas de Propiedades


9, 10 7

Análisis de Energía en Sistemas

Cerrados

- Sistema Cerrado

- Balance de Energía en Sistemas

Cerrados

- Energía Interna, Entalpía, y

Calores Específicos

11, 12 8

Análisis de Masa y Energía en

Volúmenes de Control

- Volumen de Control

- Conservación de la Masa

- Trabajo y Energía de Fluido en

Movimiento

- Análisis de Energía en Sistemas de

Flujo Estacionario

- Dispositivos de Ingeniería de Flujo

Estacionario


13, 14 9

Segunda Ley de la Termodinámica - Enunciado de la Segunda Ley de la

Termodinámica

- Depósitos de Energía Térmica

- Máquinas Térmicas

- Entropía – Reversibilidad e

Irreversibilidad

- Exergía – Potencial de Trabajo de

la Energía

15 10

Ciclos de Potencia de Vapor - Vapor como Fluido de Trabajo

- Ciclo Rankine

- Cogeneración

16 11

Ciclos de Refrigeración - Refrigeradores y Bombas de Calor

- Ciclo Invertido de Carnot

- Humedad Específica y Relativa del

Aire

- Selección del Refrigerante

Adecuado

- Comodidad Humana y

Acondicionamiento de Aire

QUÉ ES LA TERMODINÁMICA?TERMODINÁMICA: Proviene de las palabras griegas

therme (calor) y dynamis (fuerza). Se relaciona con los primeros esfuerzos en convertir calor en energía.

TERMODINÁMICA es la ciencia de la energía.

TERMODINÁMICA es la ciencia que trata del calor y del trabajo, y de aquellas propiedades de las sustancias que tienen relación con éstos.

PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía.

Durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante.

Es decir, la energía no se crea ni se destruye Se transforma.

TERMODINÁMICA CLÁSICA Y ESTADÍSTICA

TERMODINÁMICA CLÁSICA: Se basa en un enfoque macroscópico, donde no importa el comportamiento de las partículas que conforman un fluido.

TERMODINÁMICA ESTADÍSTICA: Se basa en un enfoque más detallado, microscópico, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales

TERMODINÁMICA Y SU APLICACIÓN

Desde la naturaleza hasta aplicaciones de ingeniería, están relacionadas en mayor o menor grado con la Termodinámica.

Desarrollar una buena comprensión de los principios básicos de esta ciencia ha sido durante mucho tiempo parte esencial de la educación en ingeniería.

TERMODINÁMICA Y SU APLICACIÓN

DIMENSIONES Y UNIDADESSistema Inglés o denominado United States

Customary System (USCS)

Sistema Internacional o Métrico SI, que viene de Le Système International d’Unités

Dimensión Unidad

Longitud Metro (m)

Masa Kilogramo (kg)

Tiempo Segundo (s)

Temperatura Grado Kelvin (K)

Corriente Eléctrica Amperio (A)

Cantidad Luminosa Candela (cd)

Cantidad de Materia Mol (mol)

DIMENSIONES Y UNIDADESEquivalencia de Unidades Inglesas a Unidades Internacionales

1 lb = 0.45359 kg

1 kg = 2.2 lb

1 pie = 0.3048 m

Note que libra es una unidad de masa, algunos textos emplean la nomenclatura lbm para expresar que se trata de una libra de masa. De manera similar se puede utilizar kg o kgm.

DIMENSIONES Y UNIDADESLa masa por sí sola no expresa las unidades correctas de su peso, ya que conocemos que:

Fuerza = Masa x Aceleración

En Sistema Inglés la aceleración de la gravedad es 32.17 pie/s2

En Sistema Internacional la aceleración de la gravedad es 9.8 m/s2

DIMENSIONES Y UNIDADES

1 N = 1 kg x 1 m/s2

kilogramo fuerza = peso de 1 kg a nivel del mar, o sea:

F = mg = 1 kg x 9.8 m/s2 = 9.8 N

Entonces, qué será una libra fuerza?

Cuánto pesa Usted?

HOMOGENEIDAD DIMENSIONALEn Ingeniería, todas las ecuaciones deben ser

dimensionalmente homogéneas, es decir, susunidades deben ser compatibles. Ejemplo:

Un tanque se llena con aceite cuya densidad es 850kg/m3. Si el volumen del tanque es 2 m3 determine lacantidad de masa que hay en el tanque.

Solución: se conoce la densidad (ρ = 850 kg/m3 ) y elvolumen del tanque (V = 2 m3). Se desea hallar la masa(m).

TEMPERATURADos escalas comúnmente usadas para medir

temperatura: la escala Celcius o denominadacentígrada y la escala Fahrenheit. (en honor a AndersCelcius 1701 – 1744 y Gabriel Fahrenheit 1686 – 1736)

Las escalas Celcius y Fahrenheit se basaban en elpunto de congelación y el punto de ebullición delagua.

Surgió entonces una escala independiente de lasustancia, esta es la escala Kelvin (en honor a LordKelvin 1824 – 1907) en sistema internacional.

TEMPERATURAEn sistema inglés surgió la escala Rankine (en honor a

William Rankine 1820 – 1872).

Escala Unidad

Celcius ºC

Fahrenheit ºF

Kelvin K

Rankine R

CONVERSIÓN DE TEMPERATURAS

T (K) = T (ºC) + 273.15 (por simplicidad use solo 273)

T (R) = T (ºF) + 459.67

T (R) = 1.8 x T (K)

T (ºF) = 1.8 x T (ºC) + 32

T (ºC) = (5/9) x (T (ºF) – 32)

APLICACIÓN DE ECUACIONES

Una masa de 1 kgm es acelerada por una fuerza de 10 lbf. Calcúlese su aceleración en m/s2, cm/s2 y pies/s2.

Supóngase que en una estación espacial se induce una gravedad artificial de 1 m/s2 haciendo girar la estación. ¿Cuánto pesaría ahí un hombre de 75 kgm de “peso”? De la respuesta en kgf y Newtons.

Exprese 25ºC en grados Farenheit, Kelvin y Rankine

PRESIÓNSe define como la fuerza

normal que ejerce un fluidopor unidad de área. Fluido:un gas o líquido.

Simplificando, presión esigual a fuerza por unidad deárea.

P = F/A

PRESIÓN La unidad de medida para la presión es ‘Newton por Metro

Cuadrado’ que equivale a 1 ‘Pascal’

1 N/m2 = 1 Pa

Equivalencias:

1 bar = 105 Pa = 0.1 Mpa

1 atm = 101325 Pa

1 atm = 14.69 psi psi: pound per square inch

PRESIÓN Se deben diferenciar cuatro

formas de expresar presión:

Presión atmosférica

Presión manométrica

Presión absoluta

Presión de vacío

PRESIÓN

PRESIÓN La presión real en una determinada posición se llama

presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto (esdecir, presión cero absoluta). Sin embargo, la mayor partede los dispositivos para medir la presión se calibran a ceroen la atmósfera, por lo que indican la diferencia entre lapresión absoluta y atmosférica, o sea:

Pmanométrica = Pabsoluta – Patmosférica

PRESIÓN DE UN LÍQUIDO La presión se mantiene igual en todos los puntos a una misma

profundidad, con tal que los puntos estén interconectados porel mismo líquido. En un gas se mantiene igual en todo elrecipiente.

APLICACIÓN DE ECUACIONES Un manómetro (Fig. A) es utilizado para medir presión en un

tanque. El fluido utilizado tiene una gravedad específica de0.85, y el manómetro tiene una altura de columna h = 55 cm.Si la presión atmosférica local es 96 kPa, determine la presiónabsoluta dentro del tanque.

Figura A

APLICACIÓN DE ECUACIONES El agua en un recipiente se presuriza con aire y la presión se mide por

medio de un manómetro de varios fluidos como se muestra en la Figura A.El recipiente se localiza en una montaña a una altitud de 1400 m donde lapresión atmosférica es 85.6 kPa. Determine la presión del aire en elrecipiente si h1 = 0.1 m, h2=0.2m, h3= 0.35 m. Tome las densidades delagua, aceite y mercurio iguales a 1000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13600 kg/m3,respectivamente.

Figura A

BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICALa presión atmosférica se mide mediante un

dispositivo conocido como barómetro; así, la presiónatmosférica se denomina por lo común presiónbarométrica.

Evangelista Torricelli (1608-1647), realizó elexperimento del tubo lleno de mercurio en unrecipiente con mercurio y abierto a la atmósfera. Lapresión en el punto B es igual a la presión atmosférica,y la presión en C se puede considerar como ceropuesto que sólo hay vapor de mercurio arriba delpunto C y la presión es muy baja en relación con Patmlo que permite ignorarla y obtener una excelenteaproximación.

BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICAUna unidad de presión de uso común es la atmósfera

estándar, que se define como la presión producida poruna columna de mercurio de 760 mm de altura a 0 °C(ρHg = 13 595 kg/m3) bajo la aceleración gravitacionalestándar (g = 9.807 m/s2).

Si se usa agua en lugar de mercurio para medir lapresión atmosférica estándar, sería necesaria unacolumna de agua de casi 10.3 metros.

La unidad mm Hg se llama también torr en honor aTorricelli. Por lo tanto, 1 atm = 760 torr y 1 torr = 133.3Pa.

REPASO – HOMOGENEIDAD DIMENSIONALUna escuela paga $0.09/kWh. Para reducir sus costos

de energía, la escuela instala una turbina de vientocon una potencia nominal de 30 kW. Si la turbinatrabaja 2 200 horas por año a su potencia nominal,determine la cantidad de energía eléctrica generadapor la turbina y el dinero que ahorra la escuela poraño.

cengely.a., boles m.a. (2012). termodinámica. séptima

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