ing. carlos fidel cruz m. capÍtulo 1 introducciÓn a la termodinÁmica objetivo introducir...

ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.

CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1INTRODUCCIÓN A LA INTRODUCCIÓN A LA

TERMODINÁMICATERMODINÁMICA ObjetivoObjetivo

• Introducir conceptos fundamentales y Introducir conceptos fundamentales y definiciones usadas en el estudio de la definiciones usadas en el estudio de la Termodinámica.Termodinámica.

• Revisar los sistemas de unidades que se Revisar los sistemas de unidades que se utilizarán en el curso.utilizarán en el curso.

• Explicar los conceptos básicos de la Explicar los conceptos básicos de la termodinámica, como sistema, estado, termodinámica, como sistema, estado, equilibrio, proceso y ciclo.equilibrio, proceso y ciclo.


En este mundo fascinante de la ciencia En este mundo fascinante de la ciencia uno de los temas que trata el uno de los temas que trata el estudio de la energía y de su estudio de la energía y de su relación con la materia, es la relación con la materia, es la TermodinámicaTermodinámica


INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICAINTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA

1.1. Introducción Introducción (tema de interés)

¿Qué es la Termodinámica?¿Qué es la Termodinámica?

La Termodinámica es una herramienta La Termodinámica es una herramienta analítica, teórica y práctica que analítica, teórica y práctica que interpreta fenómenos naturales interpreta fenómenos naturales desde el punto de vista de las desde el punto de vista de las relaciones de materia y energía.relaciones de materia y energía.


2. Sistema2. Sistema

En Termodinámica un En Termodinámica un sistemasistema se se define como cualquier conjunto de define como cualquier conjunto de materia o cualquier región en el materia o cualquier región en el espacio delimitado por una espacio delimitado por una superficie llamada frontera del superficie llamada frontera del sistema.sistema.


• SistemaSistema: : cantidad de materia o cantidad de materia o una región en el espacio elegida una región en el espacio elegida para ser estudiada.para ser estudiada.

• Medio AmbienteMedio Ambiente: masa o región : masa o región fuera del sistema.fuera del sistema.

• FronteraFrontera:: superficie real o superficie real o imaginaria que separa al sistema imaginaria que separa al sistema de los alrededores.de los alrededores.

sistema Medio ambiente

Frontera


2.1 Tipos de sistemas2.1 Tipos de sistemas

A lo largo de la materia se distinguirán A lo largo de la materia se distinguirán tres tipos básicos de sistemas.tres tipos básicos de sistemas.

Un Un sistema cerradosistema cerrado se define como una se define como una cantidad determinada de materia. cantidad determinada de materia. Dado que un sistema cerrado Dado que un sistema cerrado contiene siempre la misma materia, contiene siempre la misma materia, esto implica que no hay transferencia esto implica que no hay transferencia de masa a través de su frontera.de masa a través de su frontera.


a) Sistema cerradoa) Sistema cerrado

No entra ni sale masa No entra ni sale masa en un sistema en un sistema cerrado.cerrado.

La energía en forma La energía en forma de calor o trabajo de calor o trabajo puede cruzar la puede cruzar la frontera.frontera.

El volumen no tiene El volumen no tiene que ser fijo.que ser fijo.


b) Sistema abiertob) Sistema abiertoUn sistema se denomina abierto si durante el Un sistema se denomina abierto si durante el

fenómeno en estudio entra y sale masa del fenómeno en estudio entra y sale masa del mismo.mismo.

Los sistemas abiertos pueden subdividirse en:Los sistemas abiertos pueden subdividirse en:

Sistemas circulantesSistemas circulantes cuando la cantidad de cuando la cantidad de masa que penetra al sistema es igual a la masa que penetra al sistema es igual a la que sale del mismo durante el fenómeno en que sale del mismo durante el fenómeno en estudio.estudio.

Un sistema abierto está en régimen no Un sistema abierto está en régimen no permanentepermanente cuando solo entra masa a él y cuando solo entra masa a él y no sale, o solo sale y no entra o la cantidad no sale, o solo sale y no entra o la cantidad que sale no es igual a la que entra o que sale no es igual a la que entra o viceversa.viceversa.

b) Sistema abiertob) Sistema abierto• La masa y la energía pueden cruzar La masa y la energía pueden cruzar

la frontera de un volumen de control.la frontera de un volumen de control.

• La frontera se denomina La frontera se denomina superficie de control.superficie de control.


c) Sistema aisladoc) Sistema aisladoSistema aisladoSistema aislado, que es aquel que no , que es aquel que no

intercambia ni intercambia ni materia ni ni energía con su con su entorno. Un ejemplo de este clase podría entorno. Un ejemplo de este clase podría ser un gas encerrado en un recipiente ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas (paredes gruesas (paredes adiabáticas) como ) como para considerar que los intercambios de para considerar que los intercambios de energía calorífica sean despreciables, ya sean despreciables, ya que por hipótesis no puede intercambiar que por hipótesis no puede intercambiar energía en forma de energía en forma de trabajo..


http://es.wikipedia.org/wiki/Materia

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Adiab%C3%A1tico&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Energ%C3%ADa_calor%C3%ADfica&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo


2.2 2.2 Sistemas Termodinámicos de Ingeniería

3.Propiedad3.Propiedad

• Es cualquier característica de un Es cualquier característica de un sistema.sistema.

• No todas son independientes.No todas son independientes.

• Ejemplos:Ejemplos:

m = 12 kg

V = 3 m3

T = 298 K

P = 3 atm

= 1 kg / m3


Pueden ser: Pueden ser: ExtensivasExtensivas: dependen del tamaño del : dependen del tamaño del sistema. Dependen de la masa. Ejemplo sistema. Dependen de la masa. Ejemplo el volumen. el volumen. Intensivas Intensivas: son independientes del : son independientes del tamaño del sistema. No dependen de la tamaño del sistema. No dependen de la masa. masa. Ejemplos presión y temperatura.Ejemplos presión y temperatura.


Las propiedades extensivas se pueden transformar en intensivas:

• Específicas: si se refieren con respecto a la unidad de masa.

Ej: Volumen específico:

•Molares: si se refieren con respecto a la unidad de mol.

Ej: Volumen molar:

m

Vv

n

VV


¿Qué es presión? ¿Qué es presión? Es la fuerza ejercida sobre Es la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie de un cuerpo.la unidad de superficie de un cuerpo.

3.1.3.1. Variación de la presión con la alturaVariación de la presión con la alturaEl aire que respiramos es un gran océano de El aire que respiramos es un gran océano de

gas que rodea la Tierra, y que se estima gas que rodea la Tierra, y que se estima tiene una profundidad entre 50 y algunos tiene una profundidad entre 50 y algunos centenares de kilómetros. Fuera de esta centenares de kilómetros. Fuera de esta capa atmosférica se halla el espacio capa atmosférica se halla el espacio exterior, llamado éter, donde existe exterior, llamado éter, donde existe prácticamente un vacío perfecto.prácticamente un vacío perfecto.

La presión va aumentando a medida que La presión va aumentando a medida que nos dirigimos hacia la Tierra debido al nos dirigimos hacia la Tierra debido al peso de la capa de aire soportada desde peso de la capa de aire soportada desde arriba.arriba.

Variación de la presión con Variación de la presión con la alturala altura



La presión atmosféricaLa presión atmosféricaPara fines prácticos se considera al aire como una Para fines prácticos se considera al aire como una

mezcla compuesta de sólo dos gases, el vapor de mezcla compuesta de sólo dos gases, el vapor de agua y el aire seco que comprende el conjunto de agua y el aire seco que comprende el conjunto de todos los demás gases.todos los demás gases.

La presión atmosférica en función de la altura es:La presión atmosférica en función de la altura es:

Donde:Donde: p= presión atm. Localp= presión atm. Localpp00= 1.01325x10= 1.01325x1055[N/m[N/m22]]TT00= 293ºK temp. Normal a nivel del mar= 293ºK temp. Normal a nivel del marϐϐ= coeficiente local de variación de la = coeficiente local de variación de la

temp.temp.R= 287 [J/kg ºK] constante de gas del R= 287 [J/kg ºK] constante de gas del

aireaireh= altura sobre el nivel del marh= altura sobre el nivel del mar

20

00 m

N

T

hTpp

R

g


Coeficiente local de variación de Temperatura.Coeficiente local de variación de Temperatura.

Donde: T= Temperatura promedio local [ºK]Donde: T= Temperatura promedio local [ºK]Ejemplo.- Ejemplo.- Hallar la presión atmosférica en la Hallar la presión atmosférica en la

ciudad de Oruro. ciudad de Oruro.Historial:Historial:Latitud 17,96ºLatitud 17,96ºLongitud 67,06 ºLongitud 67,06 ºAltitud 3706 m.s.n.m.Altitud 3706 m.s.n.m.Temperatura promedio 15 ºCTemperatura promedio 15 ºCFuente: www.tutiempo.net/en/climate/oruroFuente: www.tutiempo.net/en/climate/oruro

m

K

h

TT º0

Cálculo del coeficiente local de Cálculo del coeficiente local de variación de temperaturavariación de temperatura

Cálculo de la presión local:Cálculo de la presión local:


m

Kº10*309,1

3706

29315,288 3

2

287)10*309,1(

81,93

53

293

3706)10*309,1(29310*01325,1

m

NpORURO

[bar] 65,0

21,659952

ORURO

ORURO

p

m

Np

4. Estado4. EstadoEn termodinámica se denomina En termodinámica se denomina estadoestado a a

una situación particular de un sistema y una situación particular de un sistema y está descrita por el valor de sus está descrita por el valor de sus propiedades.propiedades.


Estado 1 Estado 2

m1 = 2 kg

T1 = 20ºC

V1 = 1m3

m2 = 2 kg

T2 = 30ºC

V2 = 3m3


5. Proceso:5. Proceso: es una transformación es una transformación que produce un cambio de estado del que produce un cambio de estado del sistema. sistema.

• TRAYECTORIA: TRAYECTORIA: serie de estadosserie de estados por los cuales pasa un por los cuales pasa un sistema durante un proceso.sistema durante un proceso.

Estado inicial

Estado final

Trayectoria

ISOTERMICOS:ISOTERMICOS: T = CTET = CTE

PROCESOS PROCESOS ISOBARICOS: ISOBARICOS: P = CTEP = CTE

ISOCORICOS o ISOMETRICOS:ISOCORICOS o ISOMETRICOS: V = CTEV = CTE


5.1 Proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio:5.1 Proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio: es un proceso ideal, suficientemente lento, es un proceso ideal, suficientemente lento, en el cual las desviaciones a partir del en el cual las desviaciones a partir del equilibrio son infinitesimales.equilibrio son infinitesimales.


compresión lenta

V1V2

sistema

5.2 Proceso fuera del equilibrio5.2 Proceso fuera del equilibrio:: ocurre si el ocurre si el sistema se desvía por más de una cantidad sistema se desvía por más de una cantidad infinitesimal a partir del equilibrio.infinitesimal a partir del equilibrio.

La mayoría de los procesos reales son fuera La mayoría de los procesos reales son fuera del equilibrio.del equilibrio.


V1 V2 V1 V2

EXPANSION COMPRESION


6. Ciclo:6. Ciclo: Es un proceso al término del Es un proceso al término del cual el sistema regresa a su estado inicial.cual el sistema regresa a su estado inicial.

7. Equilibrio7. Equilibrio

• El sistema no experimenta cambios cuando se El sistema no experimenta cambios cuando se encuentra aislado de los alrededores.encuentra aislado de los alrededores.

• Es una condición en la que no existe tendencia al Es una condición en la que no existe tendencia al cambio en ninguna propiedad del sistema.cambio en ninguna propiedad del sistema.

• Todas las propiedades termodinámicas tienen Todas las propiedades termodinámicas tienen valores uniformes en cada parte del sistema.valores uniformes en cada parte del sistema.

• La única manera de producir cambios en las La única manera de producir cambios en las propiedades es a través de alguna interacción a propiedades es a través de alguna interacción a través de la frontera del sistema.través de la frontera del sistema.


8. Equilibrio termodinámico8. Equilibrio termodinámico• Equilibrio Mecánico, interno y con el medio Equilibrio Mecánico, interno y con el medio

ambiente, por que a pesar de que la presión ambiente, por que a pesar de que la presión interna es algo mayor que la externa no hay interna es algo mayor que la externa no hay resultante en ningún sentido ni se produce resultante en ningún sentido ni se produce trabajo mecánico.trabajo mecánico.

• Equilibrio térmico, por que no hay intercambio Equilibrio térmico, por que no hay intercambio de calor con el medio externo.de calor con el medio externo.

• Equilibrio Químico, por que no hay cambio de Equilibrio Químico, por que no hay cambio de composicióncomposición



9.-Ecuación de estado9.-Ecuación de estadoUn estado de equilibrio puede definirse Un estado de equilibrio puede definirse mediante un cierto número de mediante un cierto número de propiedades.propiedades.

10.Energía10.EnergíaEn termodinámica denominaremos energía a la capacidad En termodinámica denominaremos energía a la capacidad de producir cambios en los sistemas.de producir cambios en los sistemas.

0),,( vTpf

AHORAAHORA¿Puede un Ingeniero desconocer ¿Puede un Ingeniero desconocer totalmente o parcialmente la totalmente o parcialmente la Termodinámica?Termodinámica?

Sí puede, no le conviene, pero puede. Sí puede, no le conviene, pero puede. Será un mal Ingeniero o un Ingeniero Será un mal Ingeniero o un Ingeniero a medias, con conocimientos y a medias, con conocimientos y comprensión incompletos de cómo comprensión incompletos de cómo funciona la naturaleza de las cosas.funciona la naturaleza de las cosas.


PREGUNTAPREGUNTA¿Qué es la ingeniería?¿Qué es la ingeniería?

• La ingeniería es una profesión creativa, La ingeniería es una profesión creativa, mediante la cual se aplican mediante la cual se aplican racionalmente los conocimientos de las racionalmente los conocimientos de las matemáticas y las ciencias naturales, matemáticas y las ciencias naturales, adquiridos por estudio, la experiencia y adquiridos por estudio, la experiencia y la práctica, al desarrollo económico de la práctica, al desarrollo económico de utilización de materiales y las fuerzas de utilización de materiales y las fuerzas de la naturaleza para beneficio de la la naturaleza para beneficio de la humanidad.humanidad.


La sencillez consiste en viajar por la La sencillez consiste en viajar por la vida solo con el equipaje necesario.vida solo con el equipaje necesario.

Charles D. WarnerCharles D. Warner

E N DE N D


EvaluaciónEvaluación

1- Escriba el significado de los siguientes términos:1- Escriba el significado de los siguientes términos:

• ¿Qué es sistema?¿Qué es sistema?

• ¿Qué es medio ambiente?¿Qué es medio ambiente?

• ¿Qué es propiedad intensiva?¿Qué es propiedad intensiva?

2- Normalmente no consideramos variaciones de 2- Normalmente no consideramos variaciones de presión con la altura para un gas dentro de un presión con la altura para un gas dentro de un depósito ¿Por qué?depósito ¿Por qué?

3- Considera una actividad tal como cocinar, 3- Considera una actividad tal como cocinar, calentar o enfriar una casa, conducir un automóvil calentar o enfriar una casa, conducir un automóvil o utilizar un ordenador, y realice un esquema de o utilizar un ordenador, y realice un esquema de lo que se imagina. Defina los límites del sistema lo que se imagina. Defina los límites del sistema para analizar algunos aspectos de los sucesos que para analizar algunos aspectos de los sucesos que ocurren. Identifique entre sistema y entorno. ocurren. Identifique entre sistema y entorno.


EvaluaciónEvaluaciónResponda a las siguientes preguntas.Responda a las siguientes preguntas.

1.- Que institución del Gobierno boliviano 1.- Que institución del Gobierno boliviano se preocupa del cuidado de la capa de se preocupa del cuidado de la capa de ozono.ozono.

2.- A que se llama proceso de flujo estable.2.- A que se llama proceso de flujo estable.

3.- Cómo varía la presión de un fluido 3.- Cómo varía la presión de un fluido líquido con respecto a su profundidad.líquido con respecto a su profundidad.

4.- Qué es propiedad específica4.- Qué es propiedad específica

5.- ¿Qué es un proceso de cuasiequilibrio? 5.- ¿Qué es un proceso de cuasiequilibrio? ¿Cual es su importancia en Ingeniería?¿Cual es su importancia en Ingeniería?


REFERENCIAS REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASBIBLIOGRÁFICAS• 1.- 1.- TERMODINÁMICATERMODINÁMICA Autor: Autor:

Kenneth Wark - Doald E. Richards Kenneth Wark - Doald E. Richards 6ta. Edición Editorial Mc Graw Hill6ta. Edición Editorial Mc Graw Hill

• 2.- 2.- TERMODINÁMICA TERMODINÁMICA Autor : Virgil Autor : Virgil Moring Faires Editorial Hispano Moring Faires Editorial Hispano AmericanoAmericano

• 3.- 3.- INGENIERÍA TERM0DINÁMICA INGENIERÍA TERM0DINÁMICA FUNDAMENTOS Y APLICACIÓNFUNDAMENTOS Y APLICACIÓN

• Autor: Francis F. HuangAutor: Francis F. Huang


ing. carlos fidel cruz m. capÍtulo 1 introducciÓn a la termodinÁmica objetivo introducir...

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