clase 1 - termodinámica v1 - unad

7/29/2019 Clase 1 - Termodinámica V1 - UNAD

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Unad2013-2 *

TRMONMIC



Escuela de Ciencias Básicas, Tecnologías e Informática

TERMODINÁMICA

OBJETIVOS GENERALES:

• Utilizar el concepto de sistema termodinámico para

analizar los cambios que ocurren en él.

• Explicar los cambios energéticos producidos en losprocesos termodinámicos.

• Establecer las leyes de la termodinámica y analizar sus

implicaciones.

• Explicar el funcionamiento y determinar la eficiencia de

máquinas térmicas y sistemas de refrigeración con base en

sus correspondientes ciclos termodinámicos.

• Aplicar las leyes de la termodinámica a la solución de

problemas técnicos relacionados con la energía.



UNIDAD 1: CONCEPTOS Y LEYES FUNDAMENTALES DELA TERMODINÁMICA

CAPÍTULO 1: CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LATERMODINÁMICA

OBJETIVOS:

• Establecer el concepto de sistema termodinámico.

• Clasificar los sistemas termodinámicos de acuerdo al

intercambio de materia y energía.

• Identificar las propiedades de un sistema termodinámico.

• Diferenciar por sus características particulares los

principales procesos termodinámicos.• Con ayuda de una hoja de cálculo trazar las trayectorias de

los principales procesos termodinámicos de un gas ideal.

• Analizar sistemas particulares que se presentan en la

industria de alimentos.



1.1 INTRODUCCIÓN

La termodinámica es la ciencia que se ocupa del estudio

de la energía y sus transformaciones, part icularmente la transfo rmación del calor en trabajo.

La termodinámica por tanto permite responder ainterrogantes como:

• ¿Qué cantidad de energía eléctrica se genera en una

central termoeléctrica a partir de una tonelada de

combustible?

• ¿Qué energía se requiere para mantener en

funcionamiento un cuarto frío, un sistema de aireacondicionado, un motor de combustión interna o una

bomba para el transporte de fluidos?

• ¿Qué cantidad de combustible será consumido por una

caldera para producir el vapor requerido en un proceso?



1.2 SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Es cualquier región o porción de materia que se quiera

estudiar o analizar desde el punto de vista energético.

Un sistema se

encuentraseparado de losalrededores por paredes, fronteras

o límites quepermiten o no elintercambio demateria o energía.

Un sistema puede ser tan grande

como una galaxia, el sol, la tierra o

tan pequeño como una red

cristalina, las moléculas o

partículas subatómicas.

Todo lo que se encuentre fuera delsistema y tenga alguna relación

con él se le denomina ambiente,entorno o alrededores.



a. Interacciones térmicas: Donde hay intercambio decalor entre el sistema y los alrededores.

b. Interacciones mecánicas: Relacionadas con las

diversas formas de trabajo.

c. Interacciones químicas: Si se dan cambios en la

composición de la materia.

Dependiendo del tipo de

pared de un sistema sepueden presentar tres clasesde interacciones:



Las paredes pueden permitir o no el intercambio demateria o energía entre el sistema y sus alrededores.

Según este criterio se pueden presentar sistemasabiertos, cerrados y aislados:

• SISTEMAS ABIERTOS: Son aquellos donde hay

intercambio tanto de materia como de energía.

• SISTEMAS CERRADOS: Son aquellos para loscuales sólo se presenta intercambio de energía pero

no de materia.• SISTEMAS AISLADOS: Son aquellos para los cuales

no se presenta intercambio ni de materia ni deenergía.



Ejemplo:

La densidad está definida

por la relación de dospropiedades extensivas,

masa y volumen y

siempre que se presente

esta situación el resultado

será una propiedadintensiva, independientede la cantidad demateria del sistema.

1.3 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

Todo sistema termodinámico se caracteriza por unas

propiedades que definen su estado energético:

a. Propiedades intensivas:No dependen de la masa

del sistema (presión,temperatura)

b. Propiedades extensivas:

Dependen de la masa o“extensión” del sistema.

(volumen, número de

moles, masa)



Si no ocurren cambios en

el sistema se dice que éstese encuentra en

EQUILIBRIO.

Si cambia el valor de

algunas de suspropiedades se dice que

se presenta un CAMBIO

DE ESTADO.

1.4 ESTADO, EQUILIBRIO, PROCESOS YTRAYECTORIAS

El ESTADO del sistema está determinado por el valor desus propiedades en un determinado instante.

Un cambio de estado de un

sistema se puede realizar manteniendo constante elvalor de alguna de suspropiedades, ya sea la

presión, el volumen o latemperatura, generando de

este modo los diferentes

procesos termodinámicos.



Proceso reversible: es aquel que una vez efectuado puede

invertirse, es decir que puede realizarse en sentido

contrario, sin ocasionar cambios ni en el sistema ni en los

alrededores.

1.4.1 Procesos termodinámicos

Un proceso termodinámico es el conjunto de cambios de

estado que conducen a un sistema determinado desde unascondiciones iniciales, el “estado inicial”, hasta unas

condiciones finales, “estado final”.

Se clasifican en reversibles e irreversibles según la forma

como se efectúen.

Proceso irreversible: es aquel en que tras pasar del estado

inicial al estado final es imposible volver al estado inicial sin

producir algún cambio en el entorno.



PROCESO ADIABÁTICO: no existe transferencia decalor entre el sistema y los alrededores

PROCESO ISOTÉRMICO: Se realiza manteniendo la

temperatura constante

PROCESO ISOBÁRICO: Se realiza manteniendo lapresión constante

PROCESO ISOCÓRICO O ISOMÉTRICO: Se realiza

manteniendo el volumen constante

PROCESOS CÍCLICOS: Son aquellos formados por

secuencias de procesos intermedios al final de los cualesel sistema se encuentra nuevamente en el estado inicial

TRAYECTORIA: serie de estados intermedios y sucesivos

por los que pasa un sistema para ir de un estado a otro



Las líneas horizontales son de presión constante, lasverticales representan trayectorias donde el volumenpermanece constante y las líneas curvas son líneas

hiperbólicas que representan la relación entre la presión y

el volumen de un gas ideal a temperaturas constantes.

1.4.2 Diagramastermodinámicos

Sonrepresentaciones en

coordenadas

cartesianas de las

propiedades de un

sistema durante el

transcurso de un

proceso.



Ejercicio:

Comenzando en el punto:

V= 10 L

P= 200 kPa

Trace la siguiente secuencia de trayectorias:

a) isóbara hasta V = 20 L

b) isoterma hasta V = 25 L

c) isócora hasta P = 50 kPa



Ejemplo 1:Un gas ideal se encuentra en el interior de un cilindro

provisto de un pistón móvil, y se mueve sin que exista

fricción, (fig. 6)

Asuma que en el cilindro se encuentran 0,4 moles del gas a

20 ºC y 100 kPa, y que primero el gas se expande

isobáricamente hasta alcanzar un volumen de 12 L y luego

se expande isotérmicamente hasta un volumen de 20 L.Se requiere determinar las propiedades del estado

intermedio, las del estado final y con esta información

dibujar las trayectorias en un diagrama PV.

Figura 6:Expansión de ungas



SOLUCIÓN DEL PROBLEMA:

Del estudio de la química existe una relación dada por las

leyes de los gases entre presión, volumen, temperatura ynúmero de moles de un gas:

Ecuación de estado PV = nRT

Ecuación general

Estado 1 Estado 2 Estado 3

n = 0,4 moles V2 = 12 L T2 = T3 T1 = 20 = 293,16 K P2 = P1 V3 = 20 L

P1 = 100 KPa = 100.000 Pa T2 = ? P3 = ?

V1 = ?



El volumen inicial se puede determinar a partir de la

ecuación de estado.

De la ecuación general y considerando que del estado 1 al

estado 2 la presión es constante, se puede hallar la

temperatura 2.

En el estado 3 la temperatura también tendrá el valor de361,5 K y la presión se determina de la ecuación general

aplicada entre los estados 2 y 3.



Conociendo ya las propiedades de cada estado se puede

realizar la representación. Es decir, trazar los ejes

cartesianos de presión y temperatura, elegir una escala

apropiada, ubicar los puntos correspondientes a cada estadoy trazar las trayectorias.

Trayector ias isobara e iso terma



Ejemplo 2:Una mezcla formada por 4,40 Kg de gas carbónico y 7,00 Kg

de nitrógeno, se encuentra a 300 KPa y 25 °C en el interior

de un tanque provisto de una válvula. Determine laspresiones parciales de cada gas. ¿Cuál será la nueva

presión si se introducen 2 Kg adicionales de nitrógeno?

Datos:

Paso 1: Calcular la prensión parcial y la fracción molar

de cada gasa. Moles de cada gas:



b. Fracción molar de cada gas:

c. Presiones Parciales:

Paso 2: Presión final del sistema

a. Moles de nitr ógeno adicionales:

b. Moles totales en el sistema:

c. Presión final del sistema:



APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA

La termodinámica se aplica en todo proceso donde se

presente intercambio de energía.

• En el ámbito industrial la termodinámica se aplica en el

análisis, diseño, construcción y mantenimiento de calderas,

equipos para transferencia de calor, secadores,

evaporadores, reactores, motores, cohetes, turbinas,

centrales eléctricas, plantas nucleares, etc.

• En ingeniería de alimentos se manejan procesos tales

como cocción, pasterización, esterilización, evaporación,secado, refrigeración, congelación donde el correcto

manejo de la energía es un factor crítico y determinante

para mantener el valor nutricional del alimento, la calidad

del producto y establecer los costos de producción.



Taller No. 1Preguntas de selección múltiple.

1. A la región de interés, que se delimita para ser estudiada desdeel punto de vista del intercambio energético, se le denomina

a) Región de referencia

b) Sistema termodinámico

c) Pared termodinámicad) Ambiente termodinámico

2. Corresponden a propiedades intensivas

a) Volumen y presión

b) Presión y número de moles

c) Temperatura y densidad

d) Presión y temperatura



3. Es una propiedad extensiva

a) Volumen específico

b) Volumen molar

c) Energíad) Densidad

4. El estado de un sistemas de define mediante

a) Una propiedad intensiva y otra extensiva

b) Dos propiedades extensivasc) Dos propiedades intensivas

d) Una sola propiedad

5. Se desea estudiar los cambios que ocurren en las propiedades de un

gas almacenado en un cilindro cuando éste se expone a los rayos del

sol. Para este caso el sistema que se considera debe tener paredes

a) Rígidas y diatérmicas

b) Rígidas y adiabáticas

c) Móviles y permeables

d) Móviles e impermeables



6. Una pared diatérmica permite el intercambio de

a) Materia

b) Trabajo

c) Calor d) Energía

7. El proceso de expansión de un gas, en el interior de un cilindro

provisto de un pistón móvil, donde a presión de 100 kPa se duplica el

volumen se denomina

a) Adiabático

b) Isobárico

c) Isotérmico

d) Isocórico

8. En el diagrama VT, las líneas rectas corresponden a trayectoria

a) Isóbaras

b) Adiabáticas

c) Isotermas

d) Isócoras



9. Cuando un proceso pasa por una serie de estados intermedios

después de los cuales sus propiedades son iguales a las del estado inicial

el proceso se denomina

a) Reversibleb) Irreversible

c) Cíclico

d) Cuasiestático

Solucione el siguiente ejercicio:

• En un diagrama PV trace las trayectorias para cada uno de los

siguientes procesos que ocurren en forma sucesiva en un sistema cerrado

consistente en 2 moles de aire a condiciones estándar de presión y

temperatura.

Proceso 1: isobárico hasta duplicar la temperatura inicial

Proceso 2: isotérmico hasta triplicar el volumen del estado inicialProceso 3: isocórico hasta reducir la temperatura al valor del estado inicial

Proceso 4: isotérmico hasta reducir el volumen al valor inicial.

Nota: Los valores para P y T a condiciones normales son: P= 1 atm y

T=273,16 K



FACTORES DE CONVERSIÓN

1 pascal (Pa)= 1 newton/metro2 (N/m2) = 9,869 x 10-6 atm

1 atm = 101325 Pa

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