TERMODINÁMICA

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICA

• La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. Una definición más completa es: la termodinámica es una ciencia que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y de las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones.

• El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía. En la actualidad, el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

METODOS DE LA TERMODINÁMICA

Las propiedades termodinámicas y las relaciones energéticas se pueden estudiar por dos métodos:

1. Termodinámica clásica: trata de un estudio macroscópico, la cual implica estudios llevados a cabo sin recurrir a la naturaleza de las partículas individuales que constituyen una sustancia, ni a sus interacciones.

2. Termodinámica estadística: se basa en el comportamiento estadístico de grandes grupos de partículas individuales (átomos, moléculas, e-, p+, etc). Se trata de un enfoque más elaborado y complicado donde la materia se estudia desde un punto de vista microscópico.

SISTEMA TERMODINÁMICOCualquier análisis termodinámico comienza por la elección del sistema, su frontera

y su entorno. • SISTEMA. Un sistema termodinámico es una región del espacio tridimensional o

una cantidad de materia, delimitada por una superficie arbitraria. La frontera puede ser real o imaginaria, puede hallarse en reposo o en movimiento, y puede variar de tamaño o forma. La región del espacio físico que queda fuera de las fronteras elegidas arbitrariamente recibe el nombre de entorno o medio ambiente o alrededores. En contexto habitual el término «entorno» se reduce a la región específica localizada que interacciona de alguna manera con el sistema y tiene, por tanto, una influencia sobre el sistema que puede detectarse. En términos matemáticos, la frontera tiene espesor cero y, por tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio.Un ejemplo se ilustra en la corriente de un fluido a

través de un conducto o una tubería. La línea discontinua es una representación de una posible elección de frontera, fija en el espacio, que delimita la región del espacio a la que va a aplicarse el estudio termodinámico. Se puede elegir la superficie interna de la tubería como parte de la frontera, y representa un impedimento real al flujo de materia. Sin embargo, una parte de la frontera es imaginaria; esto es, no existe una superficie real que señale la posición de la frontera en los extremos abiertos. Estas últimas fronteras se eligen con fines de cálculo y no tienen efecto ni significado verdaderos en los procesos físicos reales. Así que no es necesario que ninguna frontera sea físicamente distinguible cuando se efectúan análisis termodinámicos.

Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio:

1. Sistema Cerrado (conocido también como masa de control)Ninguna masa puede entrar o salir del sistema, como si ilustra en la figura. Pero la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. La masa es fija.

Considere un dispositivo de cilíndro-émbolo y supóngase que se desea saber qué pasa con el gas encerrado cuando se calienta. Puesto que el interés se centra en el gas, éste es el sistema. Las superficies internas del émbolo y el cilindro forman la frontera, y como ninguna masa la cruza, se trata de un sistema cerrado. La energía puede cruzar la frontera y parte de la frontera (la superficie interna del émbolo, en este caso) se puede mover. Todo lo que se halla fuera del gas, incluso el émbolo y el cilindro, son el entorno.

2. Sistema Abierto (Volumen de control)Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control.Es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Un calentador de agua, un radiador de automóvil, una turbina y un compresor se relacionan con el flujo de masa y se deben analizar como volúmenes de control (sistemas abiertos) en lugar de cómo masas de control (sistemas cerrados).

2. Sistema Abierto (Volumen de control)

3. Sistema AisladoNo hay transferencia de masa, de calor u otro tipo de energía.

4. Sistema Térmicamente aislado ( Adiabático) No hay transferencia de calor, pero sí de masa u otro tipo de energía.

5. Sistema mecánicamente aislado Aquel que tiene paredes rígidas, su volumen no cambia, no es capaz de realizar ni recibir trabajo mecánico.

PROPIEDADES DE UN SISTEMASon características externas observables que permiten medir y evaluar los cambios de un sistema.Las propiedades de un sistema pueden ser:

a) Propiedades Extensivas: son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema como la masa o el volumen.

b) Propiedades Intensivas: son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presión y densidad.

Comúnmente, las letras mayúsculas se usan para denotar propiedades extensivas (con la importante excepción de la masa m) y las minúsculas para las intensivas (con las excepciones de la presión P y la temperatura T). Cuando una propiedad extensiva Y del sistema global se divide por la masa m del mismo, la propiedad resultante se denomina propiedad específica y se le asigna el símbolo y (ó ŷ). Así y = Y/m. Una propiedad específica es una propiedad intensiva. El volumen específico (V/m) y la energía específica (E/m) son ejemplos de estas propiedades.

ESTADO TERMODINAMICO

A MENUDO SE PUEDE IDENTIFICAR COMPLETAMENTE EL ESTADO DE UN SISTEMA A PARTIR DEL CONOCIMIENTO DE UN PEQUEÑO NUMERO DE SUS PROPIEDADES

El estado de un sistema es la condición del sistema descrita por el valor de sus propiedades. Considere un sistema que no experimenta ningún cambio: en estas circunstancias, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición, o estado, del sistema. En un estado específico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, e incluso si cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente. En la figura se muestra un sistema en dos estados diferentes.

EQULIBRIO TERMODINÁMICOEL ESTADO DE EQUILIBRIO NO EXPERIMENTA CAMBIOS CUANDO ES AISLADO DE SUS ALREDEDORES. UN SISTEMA

En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (o fuerzas impulsoras) dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de su entorno. Un sistema en equilibrio estable no puede cambiar su estado sin una interacción con su medio ambiente. Hay muchos tipos de equilibrio, y un sistema no está en equilibrio termodinámico a menos que se satisfagan las condiciones de todos los tipos necesarios de equilibrio. Por ejemplo, un sistema está en equilibrio térmico si tiene la misma temperatura en todo él, como se muestra en la siguiente figura:

En ausencia de un efecto gravitatorio, el equilibrio mecánico implica igualdad de fuerzas en todos los puntos, es decir, este tipo de equilibrio se relaciona con la presión, y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambio de presión en alguno de sus puntos. Un sistema puede contener varias fases dentro de su frontera. Una fase es una cantidad de materia homogénea en cuanto a su estructura física y a su composición química. el equilibrio de fases hace referencia a la ausencia de cualquier transferencia neta de una o más especies químicas de una fase a otra en un sistema multifásico. Por último, un sistema está en equilibrio químico si su composición química no cambia con el tiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas.

Gas

Embolo

Limite del sistema

Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitésimalmente cerca del estado de equilibrio se dice que es un proceso de cuasi equilibrio. El prefijo iso se usa para identificar que en un proceso sus propiedades particulares permanecen constantes. Por ejemplo, un proceso isotérmico, es aquel durante el cual la temperatura T permanece constante; un proceso isobárico es en el que la presión P se mantiene constante, y un proceso isocórico (o isométrico) es aquel donde el volumen específico v permanece constante.

Es cuando cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro estado de equilibrio. Para describir completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con el entorno. Trayectoria: Son las series de estado por lo que pasa un sistema a otro durante un proceso .

PROCESOS TERMODINAMICOS

CICLO TERMODINAMICO

Es un proceso donde el sistema en un estado inicial dado, pasa por

varios cambios o procesos y finalmente vuelve a su estado inicial; y al

concluir el ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que al

principio.

caldera

turbina

condensador

Generador electrico

Se usan principalmente unidades reconocidas en el Sistema Internacional de Unidades:

• Sistema Internacional de Unidades:

La 11a Conferencia General de Pesas y Medidas, en sus sesiones de octubre de 1960 celebradas en París, estableció definitivamente el Sistema Internacional de Medidas (S.I.), basado en 6 unidades fundamentales; metro, kilogramo, segundo, ampere, Kelvin, candela, perfeccionado y completado posteriormente en las 12ª , 13ª y 14ª Conferencias, agregándose en 1971 la séptima unidad fundamental, la mol, que mide la cantidad de materia.

SE DEFINE COMO EL CONJUNTO DE REFERENCIAS (UNIDADES) ELEGIDAS ARBITRARIAMENTE PARA MEDIR TODAS LAS MAGNITUDES.

La temperatura es un parámetro físico descriptivo de un sistema que caracteriza el calor, o transferencia de energía térmica, entre ese sistema y los alrededores.

Medida del Movimiento o Agitación de moléculas o átomos de una sustancia.

Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema se observa que esta más "caliente" es decir, que su temperatura es mayor.

ESCALAS RELATIVAS:Para establecer una escala de temperatura, escogemos el número de subdivisiones, llamadas grados, entre dos puntos fijos fácilmente duplicables que son el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición . El punto de fusión del hielo existe cuando hielo y agua están en equilibrio a una presión de 101 kPa; el punto de ebullición existe cuando el agua líquida y su vapor están en un estado de equilibrio a una presión de 101 kPa. En la escala Fahrenheit hay 180° entre estos dos puntos; en la escala Celsius, 100°. En la escala Fahrenheit, al punto de fusión del hielo se le asignó el valor32, y en la escala Celsius se asignó el valor de 0. • Grado Celsius (°C) S.I • Grado Fahrenheit (°F) INGLES

ESCALAS DE Tº TERMODINÁMICA (ABSOLUTAS): • En termodinámica es muy conveniente tener una escala de temperatura independiente de las propiedades de

cualquier sustancia o sustancias. Dicha escala es la de temperatura termodinámica, desarrollada posteriormente junto con la segunda ley de la termodinámica.

• Grado Kelvin (°K) S.I • Grado Rankine (°R) INGLES

CONVERTIR DE UNA TEMPERATURA A OTRA TEMPERATURA

CONVERTIR INTERVALOS DE TEMPERATURA

∆1º C = ∆ 1 K ∆1º F = ∆ 1 R ∆1º C = ∆ 1,8 ºF

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. En la práctica, el tercer sistema de la ley cero es un termómetro, de tal modo, la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto. Los sistemas 1 y 2 se encuentran a las temperaturas T1 y T2,

respectivamente. Si T1 = T3 y T2 = T3 cuando el sistema 3 se pone en contacto térmico con los dos sistemas independientemente, entonces T1 = T2. Es decir, los sistemas 1 y 2 se encontrarían inmediatamente en equilibrio térmico al ponerlos en contacto.

PRESIÓNLa presión de define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal.

UNIDADES DE PRESIÓN Puesto que la presión se define como la fuerza por unidad de área, tiene como unidad los newtons por metro cuadrado (N/m2), también conocida como pascal (Pa). Por definición, 1 pascal = 1 Pa = 1 N/m2. En los estudios de ingeniería, el pasacl resulta una unidad de presión relativamente pequeña, por lo cual se utiliza más comúnmente el kilopascal (kPa) o el megapascal (MPa). También existe en el SI otra unidad llamada bar, su relación con otras

PRESIÓN REAL O ABSOLUTA La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta, y se mide respecto al vacío absoluto, es decir, presión cero absoluta. experimentalmente, la mayoría de los dispositivos de medida de presión miden lo que se conoce como presión manométrica. Una presión manométrica es la diferencia de presión entre la presión absoluta del fluido y la presión atmosférica. Esto es, Pman = Pabs− Patm. Como una lectura manométrica puede ser tanto positiva como negativa, una relación general entre las presiones absoluta y relativa es:

unidades es 1 bar =105 /𝑁 𝑚2=102 Pa=0,1 Pa. Las unidades de presión utilizadas en el 𝑘 𝑀sistema inglés son libras-fuerza por pulgada cuadrada (lbf/in2 o psi), o la atmósfera (atm).

• Se almacena gas en un dispositivo de cilindro-émbolo vertical sin fricción. El émbolo tiene una masa de 10 kg, con un área de sección transversal de 20 cm2 y se tira de él con una fuerza de 100N. Si la presión atmosférica es 100 kPa, determine la presión en el interior del cilindro. También, determine la transferencia de trabajo de los alrededores, si el volumen se expande en 0,1 m3.

• El embolo de un dispositivo de cilindro-embolo contiene un gas con una masa de 60kg, con un área de sección transversal de 0,04 m2. La presión atmosférica local es de 0,97bar y la aceleración gravitacional es de 9,81 m/s2. Determinar la presión dentro del cilindro.

• Determinar la masa de la válvula de una olla de presión, cuya presión de operación es de 100kPa manométricos y que tiene un área de sección transversal con abertura de 4 mm2. Suponer una presión atmosférica de 101 kPa y dibujar e diagrama de cuerpo libre de la válvula.

• Se usa un manómetro para medir la presión en un tanque. El fluido utilizado tiene una densidad relativa de 0,85 y la altura de la columna manométrica es de 55 cm. Si la Patm local es de 96 kPa, determinar la Pabs dentro del tanque.

PRESION Y TEMPERATURA• Un medidor de vacío conectado a un tanque registra 30 kPa en un sitio donde la lectura barométrica es de 755 mmHg .

¿cuál es la presión absoluta en el tanque?Respuesta: 70,6 kPa

• El barómetro de un montañista registra 930 mbar al principio de un ascenso y 780 mbar al final. Desprecie el efecto de la altitud sobre la aceleración gravitacional local y determine la distancia vertical ascendida. Suponga la densidad del aire promedio igual a 1,2 kg/m3 y tome g = 9,7 m/s2.Respuesta: 1288,65 m

• Un gas está contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo vertical sin fricción. El émbolo tiene una masa de 4 kg y un área de sección transversal de 35 cm2. Un resorte comprimido ejerce sobre el émbolo una fuerza de 60N. Si la presión atmosférica es de 95 kPa, determine la presión dentro del cilindro.Respuesta: 123,34 kPa

• La temperatura de un sistema aumenta 60 ºF durante un proceso de calentamiento. Exprese este aumento de temperatura en R, K y ºC. Si la temperatura inicial es de 80 ºC, exprese la temperatura final R, K y ºC.Respuesta: incremento 33,3ºC; Tf 113,3 ºC

• La presión atmosférica promedio sobre la tierra se aproxima como una función de la altitud por medio de la relación Po = 101,325 (1-0,02256 z)5,256

Donde Po es la presión atmosférica en kPa y z la altitud en kilómetros sobre el nivel del mar. Determínese la presión en la ciudad de México ( 2309 m sobre el nivel del mar), y en la cima del Monte Everest (8848 m)Respuesta: 76,5 Kpa; 31,4 Kpa

• Encontrar la temperatura en grados Kelvin, Rankine y Fahrenheit, del punto de ebullición normal del agua, 100 °C. a) Cuál es la relación entre las unidades de temperatura Celsius y Kelvin.b) La escala de Rankine representa una unidad mayor o menor que la Kelvin? Haga un esquema que muestre las relaciones entre las escalas Kelvin, Rankine, Celsius y Fahrenheit.

• Hallar la presión absoluta de los siguientes ejemplos:a) una cámara de automóvil donde la presión manométrica es de 15 bar.b) el aire de una habitación.c) un recipiente donde se tiene un vacío relativo de 60 mm Hg.En todos los casos la presión atmosférica es igual a 0,1 Mpa.Respuesta: 0,115 MPa; 0,1 MPa; 0,092 Mpa

Un gas está contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo vertical sin fricción. El émbolo tiene una masa de 4 kg y un área de sección transversal de 35 cm2. Un resorte comprimido ejerce sobre el émbolo una fuerza de 60N. Si la presión atmosférica es de 95 kPa, determine la presión dentro del cilindro.

Respuesta: 123,34 kPa

La temperatura de un sistema aumenta 60 ºF durante un proceso de calentamiento. Exprese este aumento de temperatura en R, K y ºC. Si la temperatura inicial es de 80 ºC, exprese la temperatura final R, K y ºC.

Respuesta: incremento 33,3ºC; Tf 113,3 ºC La presión atmosférica promedio sobre la tierra se aproxima como una función de la altitud por medio de la relación

Po = 101,325 (1-0,02256 z)5,256

Donde Po es la presión atmosférica en kPa y z la altitud en kilómetros

sobre el nivel del mar. Determínese la presión en la ciudad de México ( 2309 m sobre el nivel del mar), y en la cima del Monte Everest (8848 m)

Respuesta: 76,5 Kpa; 31,4 Kpa

DENSIDAD, VOLUMEN ESPECÍFICO Y DENSIDAD RELATIVA

La densidad ρ se define como la masa por unidad de volumen: La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la del agua a una temperatura dada, como 4°C, o 20°C, o 60°F, y una atmósfera: Es más frecuente encontrar las densidades relativas de los sólidos y líquidos en libros de manuales, que sus densidades. La densidad del agua a 4°C está cercana a 1,00 g/cm3 (kg/L); 1000 kg/m3, o 62,4 lbm/ft3.

El volumen específico v de una sustancia es el volumen por unidad de masa. Así pues, se trata del inverso de la densidad:

El peso específico w de una sustancia es el peso por unidad de volumen:

También se puede evaluar a partir de w = ρg, donde g es la aceleración local de la gravedad.

ENERGIA La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios.

TIPOS DE ENERGIAENERGIA CINETICA: El sistema depende de su movimiento: Ek=⅟₂mu² ENERGIA POTENCIAL: La energía cinética esta dada por la siguiente ecuación: Ep=mzgENERGIA INTERNA: Se debe al movimiento de las partículas de una sustancia. Depende de la temperatura.

Calor Se define termodinámicamente al calor como una forma de energía intercambiada entre un sistema y

el medio exterior que lo rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al

mismo, teniendo una diferencia de temperatura que fluye de puntos de altas temperaturas a puntos de

baja temperatura. Es una forma de energía transferible.

•El calor se considera positivo cuando fluye hacia el sistema, cuando incrementa su energía

interna. El calor se considera negativo cuando fluye desde el sistema, por lo que disminuye su

energía interna.

•El calor es una energía en transito y por lo mismo tiene un sentido.

En Termodinámica se define el calor como una cantidad (de energía) que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado, en virtud de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus entorno, fluyendo de un punto de mayor temperatura a otro de temperatura menor. Además:•el calor sólo aparece en la frontera del sistema•el calor sólo aparece durante un cambio de estado•el calor se manifiesta por un efecto sobre el entorno•el calor es igual al número de gramos de agua del entorno que aumentan su temperatura en un grado, partiendo de una temperatura específica bajo una presión específica (unidades: Joules [J] o Calorías [cal]; 1 [cal] = 4.184 [J])

Bibliografía:

Termodinámica química-Gallardo 2º edición http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html#El calor

exterior sistema

δQ>0

exterior sistema

δQ<0

TRABAJO TERMODINAMICO

• Definicion.- – Fuerza que actúa a través de una distancia– Cambio de volumen

Ejm:

Liquido

F

dW = -P A d V/A

W = - ∫V1V2 PdV

Por convención el trabajo se considera positivo cuando tiene el mismo sentido que la fuerza y negativo si tienen sentido contrario. Por ejemplo si comprimo un gas en un tanque, este gas y la fuerza tienen el mismo sentido.

Un sistema tiene un volumen inicial de 10 ft3 y se expande hasta un volumen final de 20 ft3. La presión inicial es igual a 14,7 psia. Encuentre el trabajo realizado si el sistema se mantiene a una temperatura constante de 75ºF y la presión entre los estados inicial y final del sistema es:a) Constante b) Inversamente proporcional al volumen y c) dada por la relación de gas ideal.

un gas que se encuentra inicialmente a 1 MPa y 500ºC, está contenido dentro de un conjunto de pistón y cilindro con un volumen inicial de 0,1 m3. A continuación el gas se expande lentamente de acuerdo con la relación PV = constante, hasta alcanzar una presión final de 100 kPa. Determine el trabajo para este proceso.