TERMODINAMICACAPITULO I

CONCEPTOS Y DEFINICIONES FUNDAMENTALES

TERMODINAMICA

Definición. Deriva de dos voces griegas: Thermus=calor y Dynamis=fuerza o poder. Es una ciencia que se ocupa en general de las transformaciones de la energía. Ejemplo: la conversión del calor en trabajo; de la energía química en energía eléctrica, etc. .Fundamentos: observación y en la generalización adecuada que se hace del comportamiento del mundo real.4 leyes fundamentales o axiomas: Ley cero (equilibrio térmico y el concepto de temperatura).1a Ley (conservación de la energía) 2da Ley (sentido en el que se realiza la transformación de la energía – entropía) 3ra Ley (define la entropía en el sentido absoluto)

LA TERMODINÁMICA ESTUDIA TODO LO RELACIONADO CON EL CALOR O SE MUEVE....O SEA CASI TODOS LOS SERES VIVIENTES Y LAS MÁQUINAS !!!

• Termodinâmica clásica o macro termodinâmica. En este caso no se considera al detalle la naturaleza molecular y atómica de la materia, solo se analizan las manifestaciones externas y esto proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas en ingeniería. Ejemplo : la presión de un gas en un recipiente es el resultado de la transferencia de cantidad de movimiento entre las moléculas y las paredes del recipiente. Sin embargo no es necesario conocer el comportamiento de las partículas del gas para determinar la presión en el recipiente, bastaría con colocarle un medidor de presión al recipiente. Este es un enfoque macroscópico del estudio de la termodinámica.

• Termodinâmica estadística o micro termodinâmica. Esta considera al

detalle la naturaleza molecular y atómica de la materia en un sistema. Se definen mejor con los principios de la mecánica estadística y de la mecánica cuántica; este enfoque microscópico es bastante complicado..

Conceptos y definiciones fundamentales.

1. Sistema. Un sistema termodinámico es una porción de materia homogénea y de masa fija que se aísla para su estudio y análisis. Todo lo que queda fuera del sistema se conoce como medio externo (o medio ambiente). La separación entre el sistema y el medio externo (puede ser una pared sólida o una superficie imaginaria) se le conoce como límite o frontera del sistema.• Tipos de sistemas. Sistema cerrado Sistema abierto Sistema aislado

Sistema cerrado

Sistema cerrado o masa de control

• Sistema abierto o volumen de control

(Hay flujo de fluido)

• Tipos de límites de los sistemas:• Adiabáticos. Cuando no pueden ser atravesados por el

calor.

Q = 0

• Ejm : Caldera, condensador, turbina, termo doméstico• Diatérmicos. Permiten la transferencia de calor.• Rígidos. Cuando no permiten el cambio de volumen

• Fase. Cierta cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física. Un sistema que contiene una sola fase se denomina homogéneo, y si consta de 2 o más fases es un sistema heterogéneo. Toda sustancia pura puede existir en tres fases: sólido, líquido y gaseoso.

Líquido

Gaseoso

Sólido

• Sustancia de trabajo. Es todo aquello en la cual se lleva a cabo una transformación de energía. Ejemplos: en una turbina de vapor generalmente es el vapor de agua, en un motor de automóvil la sustancia es la mezcla de gasolina y aire, en un refrigerador es el Freon-12 etc.

• Sustancia pura. Es toda sustancia homogénea, o sea que tiene la misma composición química y física tanto en un punto como en otro y tampoco se experimenta en ella reacción química alguna.

• Vapor de agua agua líquida hielo

• Propiedades de las sustancias. Son parámetros o características cualesquiera evaluables y que pueden utilizarse para definir el estado en que se encuentra una sustancia. (Las propiedades dependen únicamente del estado de la sustancia). Ejemplos: Presión, temperatura, volumen, densidad, viscosidad, etc.

• Propiedades intensivas. Son aquellas que no dependen de la masa, Ejemplos: temperatura, presión, densidad.

no dependen de nadie

• Propiedades extensivas. Son aquellas que dependen de la masa, Ejemplo: volumen, y todas las formas de energía (energía interna, entalpía, entropía).

éstas dependen de la masa

• Propiedades específicas. Es una propiedad extensiva expresada por la cantidad cuantitativa de materia o sea dividida entre la masa del sistema. Ejemplos: Volumen específico :

Entalpía específica: Energía interna específica:

Kg

men

m

Vv

3

Kg

Jouleen

m

Hh

.etcKg

Jouleen

m

Uu

. Estado. Es una condición determinada de la sustancia definida en función de las características denominadas propiedades. El estado de una sustancia describe por completo la forma en que existe dicha materia.

• El agua es una sustancia natural que aparece en forma sólida, líquida y gaseosa (fases).

Sólido Líquido Gaseoso

1. Fusión. 4. Licuefacción

2. Solidificación 5. Sublimación 3. Vaporización 6. Condensación

No sólo es propiedad exclusiva del agua el estar en varios estados sino también de otras sustancias como el dióxido de carbono, el Freon-12 etc.

Cuando una sustancia pasa de un estado a otro, el fenómeno se llama cambio de estado.

Sólido

Líquido

Gas

1

2

3

4

5

6

Estado de equilibrio. El equilibrio define un estado de balance. Un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo a cambiar su estado y por lo tanto sus propiedades. Así tenemos:

• Equilibrio mecánico. las fuerzas externas del sistema deben estar en equilibrio con las fuerzas internas del sistema sobre el ambiente. Básicamente se relaciona con la presión y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambio de presión en alguno de sus puntos.

• Equilibrio Térmico. Cuando la temperatura es uniforme en la totalidad del sistema y no implica diferencial de temperatura que es la fuerza impulsora para el flujo de calor.

• Equilibrio químico. Cuando la composición química de un sistema permanece sin alteración, es decir no ocurren reacciones químicas.

• Equilibrio electrostático. Si no hay flujo de carga eléctrica a través de sus paredes y su carga interna es constante

• Equilibrio termodinámico. Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. En el sistema no habrá flujo de energía, materia, carga, etc., permaneciendo ellas y la composición constantes en el interior.

SI ESTOY EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO NO PUEDO HACER NADA

• Proceso. Un proceso termodinámico es simplemente un cambio de estado del sistema. El proceso es la trayectoria que se sigue durante un cambio de estado.

• Ciclo termodinámico o proceso cíclico. Es una sucesión de procesos en donde el último de los procesos termina en el estado inicial del primero.

• El concepto de ciclo Termodinámico lleva implícito el de masa de control. Al concluir el ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que al inicio, es decir, todas las propiedades retornan a su valor inicial.

T1=T2= CTE

P

V

1

2

3

4 T3=T4= CTE

Termodinámicamente hablando, un «ciclo» en la universidad sería un verdadero ciclo si te jalaran todos los cursos y los vuelves a repetir

MAQUINAS QUE FUNCIONAN CON CICLOS TERMODINAMICOS

• Proceso cuasi estático. Es aquel que se verifica a través de sucesivos estados de equilibrio; esto realmente no existe, es ideal o teórico.

• Proceso reversible. Es un proceso cuasi estático que puede ser llevado de nuevo al estado inicial, sin que al final ni el sistema, ni en el medio que lo rodea quede ningún efecto residual que pueda revelar que se ha verificado el proceso. Para que esto suceda no debe haber rozamientos ni deformaciones (efectos disipativos). Por último no habrá degradación de la energía y por ende ninguna generación o producción de entropía. Ej. Deformación elástica de un resorte.

• Proceso irreversible. Son los procesos reales. En ella siempre habrá degradación de energía y generación de entropía. El concepto de proceso reversible es puramente ideal ya que para que exista proceso es necesario que haya una diferencia finita de potenciales y esto de hecho hace que el proceso sea

irreversible. Ej: Transferencia de calor, deformaciones

plásticas, pérdidas por fricción, procesos naturales.

Que no te engañe nadie, todos los procesos son siempre IRREVERSIBLES !!!

• Sistemas de Unidades. Las dimensiones de cualquier ente físico pueden ser expresadas en base a un conjunto de dimensiones primarias tales como masa, tiempo, longitud, temperatura, que se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales etc. Las dimensiones que resultan de la composición de varias unidades primarias son las llamadas unidades secundarias o derivadas tales como la velocidad, energía, volumen, etc.

Mayormente en la actualidad se usa el Sistema Internacional de Unidades (S.I).

• El SI tiene 15 unidades derivadas con nombre propio: Fuerza(N), Presión(Pa), Frecuencia(Hz), Energía, trabajo, calor(J), Potencia(W),cantidad de electricidad (C ), Potencial eléctrico (V), Capacidad eléctrica (F), Resistencia eléctrica (Ω), Conductancia eléctrica (S), Flujo magnético (Wb), Inducción magnética(T), Inductancia(H), Flujo luminosos (lm), Iluminación (lx).

• En la actualidad también es de uso común el sistema inglés, que se conoce

como United States Customary Sistems(USCS)

Sistema Internacional de UnidadesDimensión Unidad Fundamental

Nombre Símbolo Nombre Símbolo

Longitud L metro m

Masa M kilogramo kg

Tiempo T segundo s

Temperatura Θ kelvin K

Corriente eléctrica

I ampere A

Intensidad luminosa

candela cd

Cantidad de sustancia

n, N mol mol

• Fuerza. La fuerza que actúa sobre un cuerpo es proporcional al producto de la masa del cuerpo por la aceleración que experimenta.

En el sistema inglés la fuerza es considerada comúnmente como una de las dimensiones primarias y se le asigna una unidad no derivada. Esto muchas veces es una fuente de confusión y error que requiere el uso de una constante dimensional (gc) en muchas fórmulas. Para evitar esta molestia, se considera a la fuerza como una unidad secundaria cuya unidad se deriva de la segunda ley de Newton, es decir:

Fuerza= (masa) (aceleración) ó: F= m.a En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como la fuerza

requerida para acelerar una masa de 1kg a razón de 1 m/s2.

En el sistema inglés, la unidad de fuerza es la libra-fuerza (lbf), y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 32,174 lbm (1 slug) a razón de 1 ft/s2. Es decir:

22

22

22

2

..

174,32807,9..

807,9

..1

..1

.

.1

..1

,

:;

:1

,

slbpielb

gkgN

gskgmkg

g

slbpieslug

gskgmUTM

g

técnicoIngléstécnicoMKSsPoundal

pielbg

sNmkg

g

absolutoInglésabsolutoMKS

ayMFparaelegidasunidadeslasdedependengdevaloresLos

FTML

guniversalconversióndefactorunesggma

F

tieneseg

KhaciendoKmaFmaFdTdV

mF

f

mc

fc

fc

fc

fc

mcc

c

ccc

c

• Peso (w).El término peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresar masa. A diferencia de la masa el peso (w) es una fuerza: la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo

gravedadladenaceleraciógmasamNmgw ;;)(

(g es 9,807 m/s2 o 32,174 ft/s2 al nivel del mar y latitud 45°)

• Presión. La presión se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie.

En unidades SI la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m2),

unidad denominada pascal (Pa). En relación con la presión atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2

resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se suele utilizar el bar, donde:

1 bar = 105 N/m2 = 0,1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101 325 N/m2 = 1, 01325 bar = 101,325 kPa 1 kgf/cm2=9,807 N/cm2=9,807 x 104 N/m2=9,807 x 104 Pa

=0,9807 bar= 0,9679 atm

• En el sistema inglés, la unidad de presión es la libra fuerza por pulgada cuadrada (lb.f/in2, o psi) , , 1 atm =14,7 psi = 760 mmHg

• Tipos de presión:• Presión manométrica. Es la presión que existe en un recipiente cerrado

(presión del sistema). Se mide con los manómetros.• Presión atmosférica. Es la fuerza que ejerce el aire contenido en

decenas de km debido al peso del mismo, al actuar sobre toda la superficie terrestre. Se mide con los barómetros.

• Presión absoluta. Es la suma de la presión atmosférica y la presión manométrica:

• Presión de Vacío (vacío). Es una presión menor que la presión atmosférica.

Presión absoluta = presión barométrica – presión de vacío (La presión es una magnitud escalar)

Presión manométrica

Presión absoluta mayor que la atmosférica

Presión atmosférica medida por un barómetro

Presión de vacío

Presión absoluta menor que la atmosférica

Presión atmosférica

Presión «cero» Vacío absoluto

• En el caso de un gas, la presión es el resultado de los impactos de las moléculas del gas contra la pared. Como las moléculas se mueven en todas las direcciones, la presión es la misma con independencia de la orientación de la pared donde se mide.

)( PaengLppp atm

• DENSIDAD Es el cociente entre la masa de un cuerpo y el

volumen que ocupa.

1 m3 de acero

masa = 8000 kg

densidad = 8000 kg/m3

Vm

v1

1 m3 de maderamasa = 700 kgdensidad = 700 kg/m3

• Algunas veces la densidad de una sustancia se da como relativa a la densidad de una sustancia bien conocida. Entonces se llama gravedad específica o densidad relativa, y se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura especificada (normalmente agua a 4°C, para la que la densidad del agua es 1 000 kg/m3 ), es decir:

• Volumen específico. Es la inversa de la densidad, se define como el volumen por unidad de masa

• Peso específico ( ). Es la relación que existe entre el peso de la sustancia y el volumen

OH

SG2

kgmenm

Vv /

1 3

3/,.

mNengV

gm

V

w

• Temperatura. Es una propiedad intensiva de la materia e indica el grado de agitación molecular en un cuerpo. Maxwell la define como la capacidad que posee un cuerpo para transmitir calor a otros cuerpos.

• Escalas de Temperatura. Según el S.I son 2: la escala relativa Celsius (C) y la escala

absoluta Kelvin (K), teniendo como base el punto fijo patrón llamado Punto Triple del Agua (273,16 K). Incluimos la escala Fahrenheit y Rankine por su uso aún común en la industria en general.

K = °C +273,15 , °C = 5/9 (ºF -32) R = °F + 460 , K = 5/9 R

• Ley cero de la termodinámica. Si dos cuerpos A y B son puestos en contacto térmico, después de un cierto tiempo estarán en equilibrio térmico entre sí, es decir habrán alcanzado la misma temperatura.

Corolario. “Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estarán en equilibrio térmico entre si”

BACB

CA

Formas de EnergíaLa energía es única, pero puede manifestarse como:

Energía Cinética (Ec)

Energía Potencial (Ep)

Electromagnética o Eléctrica

Energía Térmica (Calor)

Energía Química

Energía Metabólica

Energía Nuclear

Energía Mecánica

Energía Interna

• Pero dentro de aquellas diversas formas de energía que se emplean en Termodinámica, el calor y el Trabajo son dos de las más fundamentales.

Energía = Capacidad para realizar un trabajo

Trabajo: Es una forma de energía que se manifiesta durante la interacción de dos sistemas o un sistema y el medio externo. Una definición concreta es la siguiente: ¨ Es una forma de energía cuyo único efecto puede ser interpretada por la acción del levantamiento o reducción en la altura de un peso”.

Trabajo de expansión o compresión. Una de las formas en que un sistema puede realizar trabajo sobre el medio externo o viceversa es por medio del desplazamiento de sus fronteras (o sea por medio de la expansión o compresión) de la sustancia presente en el sistema.

• F= fuerza actuante a lo largo de un desplazamiento dy (variación diferencial del desplazamiento).

• P= presión que ejerce el sistema o presión ejercida sobre el sistema.

• A= Área del desplazamiento1

F

Pint

2dy

y

• Convención de signos: a) El trabajo hecho por el sistema se considera

como positivo y es el que se produce cuando el límite del sistema se expande, es decir la energía sale del sistema.

b) El trabajo hecho en el sistema o sobre el sistema se considera como negativo y es el que se produce cuando el límite del sistema se comprime.

Calor (Q). Es la energía que atraviesa las fronteras de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre dicho sistema y sus alrededores. (El calor y el trabajo son flujos de energía)

La unidad en el SI es el Joule , 1 Joule = 1 N.m

• Convención de signos: a) El calor que fluye hacia el sistema es

positivo: +Q b) El calor que emana del sistema es negativo

: - Q

Criterio de signos

SISTEMA

Q > 0

W < 0 W > 0

Q < 0

• También se usan otras unidades como: • Kcal = Cantidad de energía que se suministra a la masa de 1

Kg de agua para elevar su temperatura de 14,5°C a 15,5°C.• BTU (Unidad Térmica Británica) = Cantidad de energía que

se suministra a la masa de 1 libra de agua para elevar su temperatura de 59,5°F a 60,5°F.

• Equivalencia: 1 Joule = 0,0002389 Kcal = 0,0009478 BTU

• Cuando en un proceso no hay transmisión de calor (Q=0), se llama proceso adiabático

• La rapidez con que se transmite calor a un sistema es :

• El calor por unidad de masa es :

sKJen

dT

dQQo

KgKJen

m

Qq

Energía Cinética (Ec).- Es la energía asociada al movimiento del sistema, Es una propiedad.

La energía es transmitida en el choque

JoulesenVVmEc21

222

1

Energía Potencial (Ep).- Es la energía asociada a la posición del sistema en un campo gravitacional, Es una propiedad.

JoulesenZZgmEp 12

Energía Interna.-Es la energía que posee una sustancia como consecuencia del movimiento de sus moléculas y la vibración de los átomos en la sustancia:

12 UUU

KgJen

m

Uu Energía interna específica:

• Potencia. Es la rapidez con que se realiza el trabajo

W

s

mN

s

JWattelesSIelenUnidad

t

WW 1

.11

0