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8/18/2019 Clase_1_Magnitudes y Energía.pdf

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Ingeniería Industrial Ingº Danny Zelada Mosquera1

TERMODINÁMICA: Estudio macroscópico de las transformaciones de la energía y de las propiedades de las sustancias

involucradas.

Sus leyes son restricciones generales de la naturaleza.

Áreas de aplicación: motores de combustión interna, turbinas, compresores, bombas, bombas de calor,equipos de aire acondicionado, sistemas de energía alternativa, sistemas geotérmicos, etc.

SISTEMA, FRONTERA Y ALREDEDORES:

Sistema es una porción de materia o región del espacio elegida para realizar un estudio.

La superficie real o imaginaria que delimita el sistema se llama frontera.

Alrededores es la masa o región fuera del sistema.

Clasificación de los sistemas: Sistema Aislado: no intercambia materiani energía con el entorno.Sistema Cerrado: llamado también masade control, sólo intercambia energía.

Sistema Abierto: llamado tambiénvolumen de control, intercambia materiay energía.

Sistemas con límites móviles: Sonsistemas que tienen límites que varían.Sistemas con límites Fijos: Son sistemasque tienen límites que no varían puedenser reales o imaginarios.Limites Reales: Son límites que existenfísicamente.Limites Imaginarios: No existen físicamente.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS:

Cualquier cantidad que sirva para describir un sistema:

Propiedades Extensivas: no dependen de la masa. Ejm: temperatura, presión, densidad, volumenespecífico, peso específico, etc.

Propiedades Extensivas: dependen de la cantidad de materia. Ejm: masa, volumen, peso, energía, etc.

Propiedades Específicas: resultan al ser divididas entre la masa “m” y se representan por su

equivalente en letras minúsculas. Ejemplo: V = volumen;

m

Vv = volumen específico.

Cuando se dividen entre el número de moles “n”, se representan por su equivalente con una línea en la

parte superior. Ejemplo: V = volumen;n

VV = volumen molar.


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Magnitudes Importantes:

A)

Densidad (D o ): Se obtiene al dividir la masa entre el volumen de una sustancia:

V

mD Unidades: kg/m3; g/cm3; lbm/pulg3; lbm/pie3

B)

Volumen Específico (v):Es el volumen ocupado por unidad de masa de un material.Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia

m

Vv Unidades: m3/kg; cm3 /g; pulg3 /lbm; pie3/lbm

C)

Peso Específico (

):Es la relación que existe entre el peso y el volumen de un cuerpo.Para sustancias homogéneas se define:

V

w Unidades: N/m3; lbf /pulg3; lbf /pie3

Se conoce que: w = m.g; entonces: g.

D) Gravedad Específica (SG):Llamada también densidad relativa (DR).Es el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad del agua a 4ºC cuyo valor es1000kg/m3.

agua

xxSG

E)

Presión (p):

Presión Mecánica: Relación entre la fuerza normal (perpendicular) a una superficie y su árearespectiva:

A

Fp

Unidades: N/m2 (pascal = Pa) lbf /pulg2 (psi) klbf /pulg2 (ksi) kgf /cm2


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Presión Hidrostática:- Es la presión ejercida por un fluido en reposo.- A una profundidad “h” y considerando p2 = p0, además y2

– y1 = h, tenemos:

hgpp o1 -

Esto indica que la presión en un punto, sólo depende de la

profundidad “h” y no de la forma del recipiente. - Al valor de g h, se le conoce como presión manométrica.

h.hgpman

Presión Atmosférica (p0):-

Presión que ejerce el aire atmosférico a causa de su peso.-

Se mide con el barómetro.- Valora a nivel del mar:

P0= 76 cm Hg = 760 mm Hg = 10,33 m H 2O = 1 atm = 0,1013MPa =1,013 bar = 14,7 psi.

Manómetros:-

Se emplean para medir pequeñas diferencias de presiones.-

Para medir presiones por debajo de la presión atmosférica,denominadas presión de vacío o presiones negativas, se utilizan losvacuómetros.

Presión Absoluta:

-

Se obtiene al sumar la presión atmosférica, a la presión manométrica (positiva o negativa).

p abs = p man + p 0

F) Temperatura (T°):

Medida que indica que tan caliente o frio está un cuerpo. Muchas de las propiedades de la materia cambian con la temperatura. Es una propiedad intensiva que indica el nivel de energía es decir actividad molecular, que tiene

un cuerpo.

Es la única propiedad suficiente para determinar si dos cuerpos están en equilibrio térmico.

Se mide observando el cambio de una propiedad con la temperatura de un cuerpo patrón, sedebe definir una escala de temperatura y poner los dos cuerpos en contacto.

Se mide con el termómetro. El funcionamiento de un termómetro, generalmente se fundamenta en el fenómeno de

expansión.

Equilibrio Térmico: se determina cuando se detiene la transferencia de calor.

Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura, incluso si no se encuentranen contacto. Ley cero de la termodinámica: (R. H. Fowler – 1931), establece que si dos cuerpos se

encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.


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Escalas Termométricas:

FASE Y EQULIBRIO TERMODINÁMICO: FASE: Es una condición homogénea de la sustancia; existe sólida, líquida y gaseosa.

Cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física. EQUILIBRIO: Un sistema se encuentra en equilibrio cuando no tiene tendencia a cambiar de estado por

sí mismo. Cuando en él no puede ocurrir un cambio espontáneo hacia otro estado sin que ocurra uncambio en los alrededores.El equilibrio termodinámico lo define:Equilibrio Térmico: Si la temperatura es la misma en todo el sistema.Equilibrio Mecánico: Cuando la presión es la misma en todo el sistema.Equilibrio Químico: Si su composición química no cambia con el tiempo. Equilibrio de fases: Cuando lamasa en cada fase alcanza su nivel de equilibrio y permanece ahí.Equilibrio de Fase: Cuando la masa en cada fase alcanza su nivel de equilibrio y permanece ahí.El sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si satisface todas estas condiciones.

ESTADO, PROCESO Y CICLO TERMODINÁMICO: ESTADO: Condición descrita al dar valores a sus

propiedades.

PROCESO: Cuando un sistema cambia de un estado deequilibrio a otro, el curso de estados sucesivos.

CICLO: Cuando un sistema en un estado inicialdeterminado experimenta una serie de procesos y regresa

a su estado inicial.

PROCESOS CUASISESTÁTICOS:

Llamados también de cuasiequilibrio.

Son procesos que ocurren suficientemente lentos quepermiten al sistema realizar un ajuste interno de maneraque las propiedades en una parte del sistema nocambien más rápido que en otras partes.

Se desarrollan de tal manera que todo el sistemapermanece infinitesimalmente cerca de un estado deequilibrio.

Pueden representarse en una gráfica (sucesión de puntosde equilibrio).

Ejm: Compresión y expansión de gases en un motor decombustión.


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ENERGÍA: Capacidad para producir trabajo: Térmica, mecánica, eléctrica, magnética, química, nuclear. Formas de Energía:

Macroscópica: Energía externa:

Son las que posee un sistema como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior Se originan por la posición y movimiento de un sistema.

Energía potencial y energía cinética.Microscópica: Energía interna (U):

Grado de actividad molecular: energía cinética y potencial.

Independiente de los marcos de referencia externos.

Energía Mecánica: Se puede convertir completamente en trabajo:

Energía de flujo: p . V

Energía Cinética: 2

v.m 2

Energía Potencial: m . g . h

Por tanto, la energía mecánica total está dada por:

h.g.mv.m2

1V.pE

2

mec

J

Por unidad de masa:

h.gv2

1v,pe

2

mec

J/kg

Por unidad de tiempo:

h.gv2

1p

me.mE

2

mecmec J/s W

Donde

m es el flujo másico.

Calor (Q): Energía que se transfiere entre dos sistemas, por diferencia de

temperaturas. Energía en transición. Convención de signos: Calor que Entra al sistema es POSITIVO. Calor

que Sale del sistema es NEGATIVO.

Depósito de calor: atmósfera, océano, horno, etc. Proceso adiabático: Q = 0. Unidad SI: joule (J); unidad inglesa: BTU.

Otra unidad: caloría (cal). 1cal = 4,1868 J (Equivalente mecánico)1BTU = 1055 J1BTU = 252,16 cal

Calor por unidad de masa:

kg/Jm

Q q

Tasa de transferencia de calor o flujo de calor:

s/Jt

Q Q

Formas de transferencia: Conducción, Convección y Radiación.


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Trabajo (W): Interacción de energía que ocurre entre un sistema y

sus alrededores.

Unidad SI: joule (J) o kilojoule (kJ).

Convención de signos:

Trabajo que entra al sistema trabajo negativo.

Trabajo que sale del sistema trabajo positivo.

Trabajo Mecánico:

ds.FW Trabajo en un eje:

.Wn2W flechaflecha

Trabajo en un resorte: 2122resorte xxk2

1W

TRABAJO EN PROCESOS CUASISESTÁTICOS:

Se presenta comúnmente en procesos de expansión ocompresión de un gas en un dispositivo de cilindroémbolo.

Llamado también trabajo p dV o trabajo de fronteramóvil.

Trabajo positivo: producido por el sistema (expansión).

Trabajo negativo: hecho sobre el sistema (compresión).

Está dado por:

2

1 dVpW En un diagrama p – V, es equivalente al área total bajo la

curva.

Para un proceso a volumen constante (isométrico):W = 0

Para un proceso a presión constante (isobárico):

)VV(pW 12 Para un proceso a temperatura constante (isotérmico):

1

2

V

VlnCW donde: C = p1V1 = p2V2

Para procesos politrópicos:Se rigen por la ecuación: p . V n = C (constante)

n1

VpVpW 1122

donde: C = p1V1n = p2V2n 1 < n < 5/3.


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Trabajo en un ciclo termodinámico: Un ciclo termodinámico está formado por una serie de

procesos termodinámicos de tal manera que el sistemaregresa a su estado inicial.

La variación de las magnitudes termodinámicas propiasdel sistema es nula; excepto el calor y el trabajo.

Considerando a cada uno de los procesos queconforman el ciclo como cuasiestáticos, el trabajo neto está dado por :

41342312neto WWWWdVpW Ciclo en sentido horario: trabajo neto positivo.

Ciclo en sentido anti horario: trabajo neto negativo.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

Conocida también como el principio de conservación de la energía. Brinda una base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas de interacción de energía. Balance de energía:

sistemasalidaentrada EEE

Donde: inicialfinalsistema EEE

En ausencia de efectos eléctricos, magnéticos y de tensión superficial, el cambio de energíatotal del sistema durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías interna yenergía mecánica:

potencial.energcinética.energflujo.energmecsistema UEUE

Para el caso de sistemas estacionarios, no hay variación de la energía mecánica; entonces elcambio de energía total es equivalente a:

U E sistema

Entonces la expresión de la primera ley, se reduce a: UEE salidaentrada

Balance de energía para sistemas cerrados:

En un sistema cerrado, no existe ningún flujo másico que crucelas fronteras; por lo tanto el calor y el trabajo son las únicasformas de interacción de energía; entonces, asumiendo unatransferencia de calor al sistema (calor positivo) y el trabajorealizado por el sistema, tenemos:

sistemasalida,netoentrada,neto EWQ

O simplemente: sistemaE W Q

Para el caso de sistemas estacionarios: U W Q

O por unidad de masa: uw q

En un ciclo termodinámico, la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema es

nula: E = 0 ; entonces: salida,netoentrada,neto WQ

Como flujos: salida,netoentrada,neto WQ

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsica


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Curso TERMODINÁMICA Facultad Ingeniería Asunto Práctica de Aula

Docente Ing° Danny Zelada Carrera Ingeniería Industrial Nº 1

Unidad I Tema Magnitudes y Energía Tipo Aplicaciones

SEMESTRE: 2016 – 0

Estudiante: _________________________________________________________ Fecha: ____________

PRESIÓN:1.

En una cámara de vacío hay una presión de 268.2 kPa. Exprese la presión en mm Hg y en pulg de agua.

2.

Un vacuómetro conectado a un recipiente indica 30kPa en un lugar donde la presión barométrica es750 mm Hg. Determine la presión absoluta en el recipiente. Suponga que ρHg = 13 590 kg/m3.

3.

El barómetro básico se puede utilizar para medir la altura de un edificio. Si las lecturas barométricas en

la parte superior y en la base del edificio son 675 y 695 mm Hg respectivamente, determine la altura

del edificio. Tome las densidades del aire y del mercurio como 1.18 kg/m3 y 13 600 kg/m3,

respectivamente.

4. La mitad inferior de un recipiente de 10 m de altura cilíndrica se llena con

agua (=1000 kg / m3) y la mitad superior con aceite que tiene una

gravedad específica de 0,85. Determinar la diferencia de presión entre la

parte superior y la parte inferior del cilindro.

5. La figura muestra un

manómetro tipo pozo

inclinado, en el que la

distancia L indica el

movimiento en el nivel delfluido del instrumento

conforme se aplica la

presión pA en el tubo. El

fluido manométrico tiene

una gravedad específica de 0.87 y L=115 mm. Ignore el descenso del nivel del fluido en el tubo y calcule

pA.

6.

La presión arterial máxima en la parte superior del brazo de una

persona sana es de unos 120 mm Hg. Si un tubo vertical abierto a la

atmósfera está conectado a la vena en el brazo de la persona,

determinar a qué altura “h” la sangre se elevará en el tubo.

Considera la densidad de la sangre 1050 kg / m3.

Logros específicos:

Aplica las definiciones de las diversas magnitudes a la solución de problemas cercanos a la realidad.

Interpreta la presión como variable de proceso y aplica su definición a la solución de situaciones

problemáticas relacionadas con la industria.

Aplica la definición de energía y trabajo a la solución de problemas cercanos a la realidad.


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7. Se presuriza el agua que está en un tanque mediante aire y

se mide la presión con un manómetro de fluidos múltiples,

como se muestra en la figura. Determine la presión

manométrica del aire en el tanque si h1=0.2 m, h2=0.3 m, y

h3=0.46 m. Tome las densidades del agua, el aceite y el

mercurio como 1 000 kg/m3, 850 kg/m3, y 13 600 kg/m3,

respectivamente.

8. Se mide la diferencia de presión entre un tubo de

aceite y uno de agua con un manómetro de doble

fluido, como se muestra en la figura. Para las alturasy las gravedades específicas dadas de los fluidos

calcula la diferencia de presión A B

P P P .

9. Se va a cargar un reactor químico con 1000 kg de acetato

de butilo, que tiene una densidad de 0,8826 kg/L. Este

producto se toma de un tanque que tiene un diámetro

de 10 m (100 dm) y está lleno, inicialmente hasta 5 m de

altura. El producto se bombea desde el tanque al reactor

con una bomba centrífuga. La bomba tiene un caudal de

20 galones por minuto (75,6 L/min). Calcular:

a) ¿Qué altura bajará el nivel del producto en el tanque al terminar la carga?

b) ¿Cuánto tiempo tomará la bomba en cargar el reactor?

10. Calcule la presión absoluta P1, del manómetro de la figura en

kPa. La presión atmosférica local es 758 mm Hg.


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ENERGÍA:11. Para acelerar un pequeño cohete desde el reposo hasta una velocidad de 200m/s se realiza un trabajo

de 200kJ.a)

Determina la masa del cuerpo en kg.b)

Si se suministra al cuerpo un trabajo adicional de 80kJ, determina su nueva velocidad en m/s.

12.

Inicialmente un coche deportivo de 2000lbm se mueve horizontalmente a una velocidad de 100pie/s auna altura de 2000pie por encima del nivel del valle, donde g = 32pies/s2. Determina:a)

La velocidad final para un incremento de energía cinética de 180 000 lb f .pie.b)

La altura final para una disminución de energía potencial de 180 000 lb f .pie.

13. Un automóvil de 900 kg que va a una velocidad constante de 60 km/h, y debe acelerar a 100 km/h en4s. Determina la potencia adicional, en kW, para tener esta aceleración.

14.

Energía cinética transportada por una corriente que fluye: El agua fluye hacia una unidad de proceso através de una tubería de 2,5 cm de DI a velocidad de 2,50 m3/h. Calcula la velocidad de transporte deenergía cinética para esta corriente en joule/segundo.

15. En fecha reciente, adquiriste un amplio lote de terreno muy barato en la jungla del Amazonas. Estásfeliz con tu adquisición hasta que llegas al sitio y observas que la fuente más cercana de electricidadestá a 1500 millas de distancia, hecho que tu amigo, el agente de bienes raíces, olvidó mencionar.Como la ferretería de la localidad no vende extensiones de 1500 millas de largo, decides construir unpequeño generador hidroeléctrico bajo una cascada cercana de 75 m de alto. La velocidad de flujo de lacascada es 105 m3/h, y anticipas que necesitarás 750 kW.h/semana para que funcionen la iluminación,el aire acondicionado y la televisión. Calcula la energía máxima que puede producirse en teoría de lacascada y ve si es suficiente para cubrir tus necesidades.

16.

Se va a generar electricidad instalando un turbogenerador en un lugar a 160 m debajo de la superficiede un gran depósito de agua, que puede suministrarla continuamente a 3500 kg/s. Calcule la potenciaque se pueda generar.

17. Un chorro de agua sale por una turbina a 60 m/s, con una tasa de flujo de 120 kg/s; se va a usar paragenerar electricidad, al chocar con las paletas en la periferia de una rueda. Calcule la potencia quepuede generar ese chorro.

TRABAJO:18.

En un dispositivo cilindro – émbolo sin fricción se expande nitrógeno desde 0,10 a 0,30m3. El proceso sedescribe mediante P = 7,4 – 40V + 60V2, donde P está en bar y V en metros cúbicos:a) Calcula P para volúmenes de 0,1; 0,2 y 0,3m3.b) Determina las unidades de las constantes 40 y 60 de la ecuación.c) Determina el trabajo realizado en kJ.

19.

Un dispositivo cilindro – émbolo sin fricción, rodeado por la atmósfera, contiene argón. Inicialmente lapresión del gas es 800kPa y el volumen es 0,010m3. Si el gas se expande hasta un volumen final de0,020m3, calcúlese el trabajo realizado, en N.m, por el eje conectado al émbolo. La presión atmosféricaes 100kPa. Suponer que los procesos entre los estados inicial y final son los siguientes:a) La presión es constante. b) El producto PV es constante. c) El producto PV2 es

constante.

20.

En un motor diésel se comprime aire según la relación PV 1,3=cte. Al comenzar la compresión el estadoes 14,5psia y 80pulg3 y en el estado final el volumen es 5pulg3.a) Representa el camino del proceso en el plano PV.

b)

Calcula el trabajo necesario para comprimir el aire en lbf .pie, suponiendo que no hay fricción.


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21. Los siguientes datos se han tomado durante un proceso de compresión cuasiestático de argón en undispositivo cilindro – émbolo:

P , bar 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

V , m3 0,525 0,448 0,393 0,352 0,320 0,294 0,273

a) Representa en un diagrama PV .b) Suponer que la ecuación del proceso cumple con la relación politrópica PV n= cte. Utiliza los

conjuntos de datos PV primero y último para determinar los valores de las constantes n y c .c) Utiliza la relación politrópica para determinar mediante una integración numérica el trabajonecesario, en kJ.

22. Los siguientes datos se han tomado durante un proceso de compresión cuasiestática de monóxido decarbono en un dispositivo cilindro – émbolo:

P , psia 15,0 26,0 37,0 50,0 62,0

v , pie3/lbm 13,80 9,13 7,00 5,58 4,75

a)

Representa en un diagrama Pv .b)

Suponer que la ecuación del proceso cumple con la relación politrópica Pv n= cte. Utiliza losconjuntos de datos PV primero y último para determinar los valores de las constantes n y c .

c)

Utiliza la relación politrópica para determinar mediante una integración numérica el trabajonecesario, en lbf .pie/lbm.

23.

Calcula el trabajo total, en Btu, producido por el proceso de lafigura.

24. Para cada uno de los siguientes casos correspondientes a procesos de sistemas cerrados, completa losdatos que faltan:

Q W Einicial Efinal E Q W Einicial Efinal E

(a) 24 15 - 8 (a) 16 27 12

(b) - 8 62 - 18 (b) - 9 - 15 29

(c) - 17 - 14 20 (c) 10 6 - 10

25. Un sistema cerrado experimenta un ciclo compuesto por los procesos a, b y c. Los datos del ciclo seencuentran en la tabla siguiente. Calcula los datos que faltan.

Q W Einicial Efinal E(a) 7 4 6

(b) - 8 3

(c) 4


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PREGUNTAS PROPUESTAS EN EVALUACIONES (2015-2)

1. Calcula la diferencia en la presión (en psi ) entre los puntos A y B de la figura, y exprésala en laforma pB – pA.

2. Por un circuito de tubos y componentes, como el de la figura, circula Freón, cuya velocidad es 2 pie/s, en los puntos 1 y 2 del circuito. ¿Qué diferencia de energía por libra-masa del freón hay entre 1y 2, si no se tiene en cuenta la energía interna o térmica?

3. Un sistema gaseoso está en un contenedor tal, que la presión del sistema se describe con la ecuación

V V p 3,03 3 (bar)

cuando V , el volumen, es mayor que 1,5 m3 y menor que 3 m3. Determina el trabajo de frontera, o de

sistema cerrado, del sistema gaseoso, cuando el volumen disminuye de 2,6 a 1,6 m3. Observa que la presión se expresa en bar .


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