TRABAJO

TERMODINAMICACONCEPTOS DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BASICOS

ASESOR EVALUADOR

ING. WILLIAM RUBERVELAZQUEZ

Estados de la materia

ESTADOS DE LA MATERIA En fsica y qumica observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus condiciones de temperatura o presin, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregacin de la materia, en relacin con las fuerzas de unin de las partculas (molculas, tomos o iones) que la constituyen. Estados de agregacin, todos con propiedades y caractersticas diferentes, y aunque los ms conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases slida, lquida, gaseosa y plasmtica, tambin existen otros estados observables bajo condiciones extremas de presin y temperatura.

Clasificacin de la Materia La materia se clasifica en homognea y heterognea.

Lamateria homogneaes la que presenta una composicin uniforme, en la cual no se pueden distinguir a simple vista sus componentes; en muchos casos, no se distinguen ni con instrumentos como el microscopio. Por ejemplo: el agua, la sal, el aire, la leche, el azcar y el plstico.

Lamateria heterogneaes aquella cuyos componentes se distinguen unos de otros, tal es el caso de la madera, el mrmol, una mezcla de agua con aceite, o bien de frutas, entre otros.

Propiedades generales de la materia1. Masa2. Porosidad

3. Volumen4. La inercia

5. Peso6. La impenetrabilidad.

7. Divisibilidad8. La movilidad

9. Elasticidad

Estado SolidoA bajas temperaturas, los materiales se presentan como cuerpos de forma compacta y precisa; y sus tomos a menudo se entrelazan formando estructuras cristalinas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformacin aparente. Los slidos son calificados generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atraccin son mayores que las de repulsin. La presencia de pequeos espacios intermoleculares caracteriza a los slidos dando paso a la intervencin de las fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma geomtrica.Las sustancias en estado slido presentan las siguientes caractersticas: Forma definida Incompresibilidad (no pueden comprimirse) Resistencia a la fragmentacin Fluidez muy baja o nula Algunos de ellos se subliman (yodo) Volumen constante

Estado Liquido Si se incrementa la temperatura el slido va "descomponindose" hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado lquido. Caracterstica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, an existe cierta unin entre los tomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los slidos. El estado lquido presenta las siguientes caractersticas: Cohesin menor. Movimiento energa cintica. No poseen forma definida. Toma la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene. En el fro se comprime. Posee fluidez a travs de pequeos orificios. Puede presentar difusin.

Estado GaseosoIncrementando an ms la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Las molculas del gas se encuentran prcticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos.

El estado gaseoso presenta las siguientes caractersticas Cohesin casi nula. Sin forma definida. Su volumen es variable dependiendo del recipiente que lo contenga. Pueden comprimirse fcilmente. Ejercen presin sobre las paredes del recipiente contenedor. Las molculas que lo componen se mueven con libertad. Ejercen movimiento ultra dinmico. Tienden a dispersarse fcilmente

CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA

Uncambio de estadoes una modificacin en el estado de agregacin de la materia, es decir, en la disposicin de las partculas que la constituyen, no en su tipo (la sustancia sigue siendo la misma)

FORMAS DE ENERGIADesde una perspectiva cientfica, podemos entender la vida como una compleja serie de transacciones energticas, en las cuales la energa se transforma de una forma a otra, o transferida de una objeto a otro.

TRABAJOSe define el trabajo de una fuerza constante a lo largo de una trayectoria para mover de un punto a otro punto.Es una forma de transmisin de energa entre los cuerposSu unidad de medida es el JULIO (J). = .cos

POTENCIA"Cantidad de energa producida o consumida por unidad de tiempo.Se dice que existe una potencia mecnica de un (W) cuando se realiza un trabajo de un (J) en un segundo (S) Su unidad de medida es el WATT (W) = T/s

ENERGIA Es la capacidad para realizar un trabajo, en el cual se compromete la aplicacin de la fuerza y presencia de movimiento.Esta capacidad puede estar dada por la posicin o por las velocidad de sus masas. Se representa en diferentes formas.

Formas de energa Energa mecnicaEnerga cinticaEnerga potencial Energa sonora Energa calorfica Energa luminosaEnerga elctrica Energa qumica Energa magntica

Energa mecnica La energa mecnica es la energa que se debe a la posicin y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energas potencial y cintica de un sistema mecnico. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo. m =Ec + Ep

Energa cintica laenerga cinticade un cuerpo es aquella energa que posee debido a su movimiento. Se define como eltrabajonecesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.

Energa potencial energa potenciales la energa que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar untrabajoen funcin exclusivamente de su posicin o configuracin. Puede pensarse como la energa almacenadaen el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar.

Energa sonora Laenerga sonora(oenerga acstica) es la energa que transmiten o transportan lasonda sonoras. Procede de la energa vibracional del foco sonoro y se propagan en partculas del medio aireque atraviesan en forma deenerga cintica (movimiento de las partculas), y deenerga potencial (cambios depresin producidos en dicho medio opresin sonora).

Energa calorficaLaenerga trmica (tambin energa calrica o energa calorfica) es la manifestacin de la energa en forma de calor.La energa trmica (ocalorfica) es que puede transmitirse de un cuerpo a otroporradiacin, conduccin o conveccin.

Energa luminosa En fotometra la energa lumnica es la fraccin percibida de la energa transportada por la luz y que se manifiesta sobre la materia de distintas maneras.

Energa elctrica Se denomina energa elctrica a la forma de energa que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente elctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor elctrico.

Energa qumica LaEnerga qumicaes la que se produce en las reacciones qumicas. Una pila o una batera poseen este tipo de energa.

Energa magntica El magnetismo oenerga magnticaes un fenmeno fsico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atraccin o repulsin sobre otros materiales.

Transformacin de la energa Proceso de cambiar energa de una forma a otra. Ejemplos: energa qumica en energa mecnica, energa mecnica en energa elctrica, energa trmica en energa mecnica.

Qu es la Temperatura?La temperatura nos indica cun fro o caliente se encuentra un cuerpo, y por lo tanto, si un cuerpo est ms fro que otro decimos que el primero se encuentra a menor temperatura. Sin embargo, los conceptos de fro y caliente muchas veces son subjetivos.Lo que t sientes al tocar un cuerpo es la vibracin o agitacin de las partculas que lo forman. A mayor temperatura, hay mayor agitacin de las partculas.

Al tocar la mesa y la madera. qu percibes con mayor o menor temperatura?

FormalizacinTemperatura: medida de la energa cintica molecular interna media de un cuerpo o una sustancia.

La temperatura se relaciona con la actividad cintica de las molculas, por lo tanto a mayor sea la temperatura del agua-menor ser el movimeinto de las molculas de agua y por el contrario, mientras mayor sea la temperatura del agua-mayor ser dicho movimiento de las molculas de la misma agua dentro del vaso.

Qu ocurre con un cuerpo cuando aumentamos o disminuimos su temperatura?Qu otro fenmeno adems de la Energa Cintica ocurre cuando aumentamos o disminuimos la temperatura de un cuerpo?

Formalizacin:Dilatacin trmicaAl aumentar la temperatura de un cuerpo, ste tiende a tener un cierto comportamiento

Los termmetros con los cuales medimos la temperatura poseen un lquido, este lquido se conoce con el nombre de MERCURIO en estado lquido.Al aumentar la temperatura del cuerpo que est midiendo el termmetro, el mercurio se DILATA, es decir, aumenta su volumen.Cmo explicaras lo que ocurre en la animacin?

Qu es la Dilatacin trmica?

Es el aumento de tamao de algn cuerpo o material en estado slido, lquido o gaseoso por efecto del aumento de la temperatura de este cuerpo o material a travs de algn proceso interno o externo.

Existen 3 tipos de dilatacin:Dilatacin Lineal.Dilatacin Superficial.Dilatacin Volumtrica.

Dilatacin LinealEn la dilatacin lineal, consideraremos solamente una dimensin de variacin (el largo) producto del aumento de la temperatura.

La variacin de longitud no es igual para cada material, debido a la diferencia en sus estructuras moleculares. Cada material se caracteriza por lo que se denomina coeficiente de dilatacin lineal ().Dilatacin Lineal

Dilatacin de un material en estado lquido

Dilatacin superficialSi ahora tenemos una lmina, debemos considerar que la variacin de la longitud es en todas direcciones a lo largo de su superficie. Por lo tanto, estamos hablando de una variacin de rea o de superficie. La siguiente ecuacin modela dicha variacin:

Dilatacin volumtricaSi ahora tenemos un volumen en el espacio, tendremos tres dimensiones de dilatacin, por lo que, al igual que lo anterior, la ecuacin para esta variacin de volumen est dada por:umen est dada por:

En Resumen

Latemperatura

Es unamagnitudreferida a las nociones comunes decalormedible mediante untermmetro. En fsica, se define como unamagnitud escalarrelacionada con laenerga internade un sistema termodinmico, definida por elprincipio cero de la termodinmica.

Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido rotacional, o en forma devibraciones. A medida que sea mayor la energa cintica de un sistema, se observa que este se encuentra ms caliente; es decir, que su temperatura es mayor.La temperatura de ungasidealmonoatmicoes una medida relacionada con laenerga cinticapromedio de sus molculas al moverse.

En esta animacin, se muestra a escala la relacin entre eltamaode los tomos deheliorespecto a su espaciado bajo una presin de 1950atmsferas. Estos tomos, a temperatura ambiente, muestran una velocidad media que en esta animacin se ha reducido dosbillonesde veces.

La temperatura en los gasesPara ungas ideal, lateora cinticade gases utilizamecnica estadsticapara relacionar la temperatura con el promedio de la energa total de los tomos en el sistema. Este promedio de la energa es independiente de lamasade las partculas, lo cual podra parecer contra intuitivo para muchos. El promedio de la energa est relacionado exclusivamente con la temperatura del sistema, sin embargo, cada partcula tiene su propia energa la cual puede o no corresponder con el promedio; la distribucin de la energa, (y por lo tanto de las velocidades de las partculas) est dada por ladistribucin de Maxwell-Boltzmann.

Se comparan las escalasCelsiusyKelvinmostrando los puntos de referencia anteriores a 1954 y los posteriores para mostrar cmo ambas convenciones coinciden. De colornegroaparecen elpunto triple del agua(0,01C, 273,16 K) y elcero absoluto(-273,15C, 0 K). De colorgrislos puntos de congelamiento (0,00C, 273,15 K) y ebullicin delagua(100C, 373,15 K).

Es importante destacar que lasensacin trmicaes algo distinto de la temperatura tal como se define en termodinmica. La sensacin trmica es el resultado de la forma en que lapielpercibe la temperatura de los objetos y/o de su entorno, la cual no refleja fielmente la temperatura real de dichos objetos y/o entorno. La sensacin trmica es un poco compleja de medir por distintos motivos:Sensacin Trmica

El cuerpo humano regula su temperatura para mantenerla aproximadamente constante (alrededor de 36,5C).El cuerpo humano produce calor constantemente, que es producto de la digestin de los alimentos que ingiere. Ese calor sirve para mantener la temperatura antes dicha, y para ello debe disipar el sobrante en el ambiente.Si las condiciones del entorno hacen que las prdidas sean iguales a la produccin el cuerpo siente bienestar trmico.Si las condiciones del entorno hacen que las prdidas de calor superen a la produccin, el cuerpo siente fro.Si las condiciones impiden que el calor sobrante se disipe, el cuerpo siente calor.

Las prdidas o ganancias dependen de varios factores, no solo de la temperatura seca del aire. Se produce intercambio porconveccin. El aire en contacto con la piel, se calienta y asciende, siendo sustituido por aire ms fresco, que a su vez se calienta. Si el aire es ms caliente ocurre al revs.

Por transmisin. La piel en contacto con cuerpos ms fros, cede calor. Si son ms calientes, recibe calor.

Por radiacin. La piel intercambia calor por radiacin con el entorno: si la temperatura radiante media del entorno es ms fra que la de la piel, se enfra, si es al contrario, se calienta.

Por evapotranspiracin. Al evaporarse el sudor o la humedad de la piel o de las mucosas, se produce una prdida de calor siempre, debida al calor latente de evaporacin del agua

ConveccinLaconveccines una de las tres formas detransferencia de calor. Se caracteriza porque se produce por medio de unfluido(lquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentestemperaturas. La conveccin se produce nicamente por medio de materiales, la evaporacin del agua ofluidos. La conveccin en s, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido. Por ejemplo, al trasegar mediante bombas o al calentar agua en una cacerola: el agua en contacto con la base de la cacerola asciende, mientras que el agua de la superficie, desciende, ocupando el lugar que dej la caliente.

Movimiento por conveccin.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscpicos de porciones calientes y fras de ungaso unlquido. Incluye tambin el intercambio deenergaentre una superficiesliday un fluido o por medio de unabomba, unventiladoru otro dispositivo mecnico (conveccin mecnica, forzada o asistida)

En la transferencia de calor libre o natural, un fluido es ms caliente o ms fro. En contacto con una superficie slida, causa una circulacin debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.La transferencia decalorpor conveccin se expresa con laLey del enfriamiento de Newton

Conveccin aire en un hornillo

La conveccin en laatmsfera

Terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las tpicas portadoras de tormentas elctricas y de grandes precipitaciones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 14 km) y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado slido. Pueden tener forma de un hongo asimtrico de gran tamao; y a veces se forma en este tipo de nubes una estela que semeja una especie de yunque

Unintercambiador de calor

Es un dispositivo construido para intercambiar eficientemente el calor de un fluido a otro, tanto si los fluidos estn separados por una pared slida para prevenir su mezcla, como si estn en contacto directo. Los cambiadores de calor son muy usados enrefrigeracin,acondicionamiento de aire,calefaccin,produccin de energa, y procesamiento qumico. Un ejemplo bsico de un cambiador de calor es el radiador de un coche, en el que el lquido de radiador caliente es enfriado por el flujo de aire sobre la superficie del radiador.

Temperaturas ms comunesCFDescripcin100212El agua hierve40104Un bao caliente3798.6Temperatura corporal3086Tiempo de playa2170Temperatura en una habitacin1050Da fresco032Punto de congelacin del agua-180Da muy fro-40-40Da extremadamente fro (y el mismo nmero en las dos escalas!)