termodinamica

UNIDAD I:

Conceptos y Definiciones Fundamentales.

Docente: Ing. Lucio Antonio Llontop Mendoza.

Facultad Ingeniera / Escuela de Ing. Mecnica / Pregrado.

Ponente / DocenteFacultad / Escuela / Programa

Naturaleza de la Termodinmica.

La ciencia de la termodinmica naci en el siglo diecinueve como unanecesidad de describir el funcionamiento de las mquinas de vapor y deestablecer lmites a lo que stas podan hacer. Es as como el nombremismo significa potencia generada por el calor, y sus aplicaciones inicialesfueron las mquinas trmicas, de las cuales la mquina de vapor es unejemplo.

Sin embargo, los principios observados como vlidos para las mquinaspronto se generalizaron en postulados, los cuales se conocen ahora como laprimera y segunda leyes de la termodinmica. Estas leyes no tienendemostracin en el sentido matemtico; su validez se sustenta en laausencia de experiencia contraria a lo establecido por ellas. As, latermodinmica forma parte, junto con la mecnica y el electromagnetismo,del conjunto de leyes bsicas de la fsica.


Termodinmica.

La termodinmica puede definirse como la ciencia de la energa. Y se puedeconsiderar que la energa como la capacidad para causar cambios.

El termino termodinmica proviene de las palabras griegas therme (calor) ydynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo ms descriptivo de los primerosesfuerzos por convertir el calor en energa.

Aunque los principios de la termodinmica han existido desde la creacin deluniverso, esta ciencia surgi como tal hasta que Thomas Savery en 1697 yThomas Newcome en 1712 construyeron en Inglaterra las primeras mquinasde vapor atmosfricas exitosas.

Pero en la actualidad, este concepto se interpreta de manera amplia para incluiraspectos de la energa y sus transformaciones, incluida la generacin depotencia, la refrigeracin y las relaciones entre las propiedades de la materia.


reas de Aplicacin de la Termodinmica

En la naturaleza, todas las actividades tienenque ver con cierta interaccin entre la energa yla materia, por consiguiente es difcil imaginarun rea que no se relacione de alguna maneracon la termodinmica.

Comnmente la termodinmica se encuentraen muchos sistemas de ingeniera y otrosaspectos de la vida.


Dimensiones y Unidades

Cualquier cantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones. Lamagnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades.

Existen dimensiones bsicas como masa m, longitud L, tiempo t ytemperatura T se seleccionan como dimensiones primarias ofundamentales, mientras que otras como la velocidad v, energa E yvolumen V se expresan en trminos de las dimensiones primarias yse llaman dimensiones secundarias o derivadas.

En la actualidad son de uso comn dos sistemas: Sistema Ingles (United States Customary System USCS) y el SI mtrico (de LeSystme International d`Units).


En el ao de 1960, la CGPM (Conferencia General dePesos y Medidas) produjo el SI, el cual se bas en seisunidades, y en 1971 introdujo una sptima unidad.Acordaron reunirse cada 6 aos.

Dimensiones Unidad

Longitud Metro (m)

Masa Kilogramo (kg)

Tiempo Segundo (s)

Temperatura Kelvin (K)

Corriente Elctrica Ampere (A)

Cantidad Luminosa Candela (cd)

Cantidad de Materia Mol (mol)

Mltiplos Prefijo

1012 Tera, T

109 Giga, G

106 Mega, M

103 Kilo, K

102 Hecto, H

101 Deca, Da

10-1 deci, d

10-2 centi, c

10-3 mili, m

10-6 micro,

10-9 nano, n

10-12 pico, p


Unidades SI y Sistema Ingles. En el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son kilogramo (kg),

metros (m) y segundo (s), respectivamente. Sus unidadescorrespondientes en el Sistema Ingles son libra-masa (lbm), pie (ft) ysegundo (s).

1 lbm = 0.45359 kg

1 ft = 0.3048 m

La unidad de fuerza del SI es el newton, obtenida de la segunda leyde Newton: Fuerza = (masa) (aceleracin)

F = m. a

1 N = 1 kg x m/ s2

1 lbf = 32.174 lbm x ft /s2

1 lbf = 4.4482216 N


El termino peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresarmasa. A diferencia de l a masa, el peso W es una fuerza: la fuerzagravitacional aplicada a un cuerpo.

W = m x g

La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicacin en el universo;sin embargo, su peso se modifica con un cambio de aceleracingravitacional.

Ejemplo: Un astronauta pesa 730 N enHouston, Texas, donde la aceleracin localde la gravedad es g = 9.792 m.s2. Cul es lamasa y el peso del astronauta en la luna,donde g = 1.67 m.s2?


Temperatura: En general, lo comn es medir la temperatura con

termmetros de vidrio llenos de lquido, en los que el lquidose expande cuando se calienta. As es como un tubouniforme, lleno parcialmente con mercurio, alcohol o algnotro fluido, puede indicar el grado de calentamiento por lalongitud de la columna de fluido. Sin embargo, la asignacinde valores numricos al grado de calentamiento se hacemediante una definicin arbitraria.

T C = T K - 273.15

Adems de las escalas Kelvin y Celsius, existen otras dosque emplean los ingenieros: la escala Rankine y la escalafahrenheit. La escala Rankine est relacionadadirectamente con la Kelvin por

T(R) = 1.8T K

t(F) = T(R) - 459.67

t(F) = 1.8tC + 32


Presin: Cuando tratemos con lquidos y gases, es comn hablar de presin; para

los slidos se habla de esfuerzos.

La presin en un fluido en reposo en un puno determinado es la mismaen todas direcciones y la presin se define como la componente normalde fuerza por unidad de rea.

La presin se define como la fuerza normal a una superficie real ,ejercida por unidad de rea en el sistema.

Si la fuerza se mide en N y el rea en m2, la unidad es entonces el newtonpor metro cuadrado N m-2 o Pascal, cuyo smbolo es Pa, y es la unidadbsica de presin del SI.

En el sistema ingls de ingeniera, la unidad ms comn es la libra fuerzapor pulgada cuadrada (psi).

Con frecuencia, en trabajos de ingeniera, la presin se mide respecto ala presin atmosfrica ms que con referencia a un vaco absoluto. Laprimera, o presin manomtrica (gauge), se relaciona con la presinatmosfrica por:


1332211 PghghghPatm


21211 )( PgaghhagP

ghPP )( 1221


Se define trabajo como el producto deuna fuerza externa por undesplazamiento de una parte delsistema .

En el SI las unidades de trabajo son joules (N.m)

Trabajo:

Cada vez que una fuerza acta a lo largo de una distancia, se realiza trabajo W. Por definicin, la cantidad de trabajo est dada por la ecuacin:

dW= FdlLa fuerza ejercida por el pistn sobre el fluido es igual al producto del rea del pistn y lapresin del fluido. El desplazamiento del pistn es igual al cambio en el volumen delfluido dividido entre el rea del pistn. Por consiguiente, la ecuacin:

o, puesto que A es constante,dW= - PdV

Al integrar,


Cuando un cuerpo con cierta masa, sobre el que acta unafuerza, desplazando una distancia durante un intervalo detiempo.

Unidad ms comn de energa en el SI es el kilojoule ( Joule).

1Joule = kg.m2/s2

1caloria (cal) = 4.1868J.

1Btu = 1.0551kJ.

Energa:


Sistemas.

Se define como sistema a unacantidad de materia o a unaregin en el espacio elegida paraanlisis. La masa o regin fueradel sistema se conoce comoalrededores. La superficie real oimaginaria que separa al sistemade sus alrededores se llamafrontera.


TIPOS DE SISTEMAS:

SISTEMAS CERRADOS.

SISTEMAS AISLADOS.

SISTEMAS ABIERTOS.


Los sistemas pueden serconsiderados como cerrados oabiertos y aislados, dependiendo desi elige para estudio una masa fija oun volumen fijo en el espacio.

Un sistema cerrado (conocidotambin como una masa de control)consta de una cantidad fija de masay ninguna puede cruzar su frontera.Pero la energa en forma de calor otrabajo puede cruzar la frontera, y elvolumen en un sistema cerrado notiene que ser fijo.

SISTEMA CERRADO.


SISTEMA AISLADO.

El sistema aislado, comocaso especial rene todaslas condiciones de unsistema cerrado, pero adems se prohbe que laenerga cruce la frontera.


SISTEMA ABIERTO.

Un sistema abierto, es una reginelegida apropiadamente en elespacio. Generalmente encierraun dispositivo que tiene que vercon el flujo msico, como uncompresor, turbina, etc.

Tanto la masa como la energapueden cruzar la frontera de unvolumen de control.


Considere el calentador deagua mostrado.

Qu tipo de sistemaconsidera?.

A quienes considera losflujos?.

Quines formas lassuperficies de control?.

Existe salida de energa?

Analice:


Ejercicios:

Ejemplo: Una cascada tiene una cada de 2540 pulgadas de altura.Considere 2.2042lb de agua y suponga que no se intercambia energaentre esta cantidad de agua y sus alrededores.

A) Cul es la energa potencial del agua en la parte superior de lacascada con respecto al nivel inferior de la misma en joules, calorasy BTU?

b) Cul es la energa cintica del agua justo antes de que llegue alfondo de la cascada?


Ejercicios: El tanque almacena agua ablanda

para los calderos, se tiene unmanmetro para medir la presindel recipiente. El fluido que seemplea tiene una densidadrelativa de 0,85 y la altura de lacolumna del manmetro es de1,80 pies como se muestra en lafigura. Si la presin local es de96kPa, determine la presinabsoluta dentro del recipiente.

Pabs =Patm. + .g.h

=D.R. x (H2O)


Estado y Equilibrio.

Considere un sistema que no experimenta ningncambio: en estas circunstancias, todas laspropiedades se pueden medir o calcular en el sistema,lo cual da un conjunto de propiedades que describepor completo la condicin, o estado del sistema.


En un estado especfico, todas las propiedades de unsistema tienen valores fijos, e incluso si cambia el valor deuna propiedad, el estado cambia a otro diferente.


EQUILIBRIO:

Existen muchos tipos de equilibrios, y unsistema no est en equilibrio termodinmicoa menos que se satisfagan las condicionesde todos los tipos de equilibrio.

Un sistema est en equilibrio trmico sitiene la misma temperatura en todo elsistema, es decir no implica diferencial detemperatura, que es la fuerza impulsorapara el flujo de calor.

Sistema cerrado que alcanza el equilibrio

trmico.


El equilibrio mecnico se relaciona con la presin, y un sistema loposee si con el tiempo no hay cambio de presin en algunos puntos.Sin embargo, al interior del sistema de presin puede variar con laelevacin como resultado de defectos gravitacionales.

El equilibrio qumico si su composicin qumica no cambia con eltiempo, es decir, si no ocurre reacciones qumicas. Un sistema noestar en equilibrio a menos que satisfagan los criterios de equilibrionecesario.


ESTADO:

El estado de un sistema termodinmico quedadeterminado por los valores de ciertas magnitudesmedibles experimentalmente llamadas propiedades ovariables de estado. Son ejemplos de propiedades latemperatura de un sistema, la presin ejercida por elmismo y el volumen que ocupa.


PROCESOS Y CICLOS.

Cualquier cambio de un estado deequilibrio a otro experimentado por unsistema es un proceso, y la serie deestados por los que pasa un sistemadurante este proceso es una trayectoriadel proceso.

Se dice que un sistema ha experimentado un Ciclo si regresa asu estado inicial al final del proceso, es decir, para un ciclo losestados inicial y final son idnticos.


Los diagramas de procesotrazados mediante el empleo depropiedades termodinmicas enforma de coordenadas son muytiles para tener unarepresentacin visual delproceso. Algunas propiedadescomunes usadas comocoordenadas de temperatura T,presin P y volumen V.


El prefijo iso se usa con frecuencia para designar un proceso enel que una propiedad particular permanece constante.

1. Proceso Isotrmico, proceso que se da cuando latemperatura T es constante.

2. Proceso Isobrico es aquel que mantiene la presin Pconstante a lo largo del proceso.

3. Proceso Isocrico o Isomtrico, es aquel donde el volumenespecfico v permanece constante.


Temperatura y Ley Cero de la Termodinmica.

A un cuando estamos familiarizados con la temperatura como unamedida del calor y el frio, no es fcil ofrecer una definicin exacta.

Si experimentamos lo ms comn que es una taza de caf calientecolocada sobre una mesa fra o cuando un bebida fra se colocasobre la mesa qu pasa?.

La ley cero de la termodinmica establece que si dos cuerpos seencuentran en equilibrio trmico con un tercero, estn en equilibrioentre s.

La ley cero introduce el concepto de temperatura y dan slo unaforma de medirla pero no dice que es la temperatura.

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