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1.1.- Conceptos

Básicos de la

Termodinámica

Máquinas Térmicas

M. En C. José Antonio González

Moreno

Septiembre del 2016

Introducción:

En esta presentación se estudiarán algunos conceptos

básicos necesarios para comenzar a entender la

termodinámica y sus leyes sobre la materia, energía y

tiempo.

Además se proponen algunos ejercicios para que se

resuelvan en clase.

Después se presentan las conclusiones alusivas al tema y

las Referencias Bibliográficas consultadas.

Finalmente se presentan una serie de preguntas de

repaso del tema expuesto.

Antecedentes: La historia de la termodinámica como disciplina científica se considera generalmente que comienza con Otto von Guericke quien, en 1650, construyó y diseñó la primera bomba de vacío y demostró las propiedades del vacío usando sus hemisferios de Magdeburgo.

Guericke fue impulsado a hacer el vacío con el fin de refutar la suposición de Aristóteles que "la naturaleza aborrece el vacío".

Poco después de Guericke, el físico y el químico Robert Boyle estudió y mejoró los diseños de Guericke y en 1656, en coordinación con el científico Robert Hooke, construyó una bomba de aire.

Antecedentes

(Continuación): En 1697, el ingeniero Thomas Savery, a partir de los diseños de Papin, construyó el primer motor térmico, seguido por Thomas Newcomen en 1712. Aunque estos primeros motores eran toscos y poco eficientes, atrajeron la atención de los científicos más destacados de la época.

En 1783, Antoine Lavoisier propone la teoría del calórico.

En 1798 Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostró la conversión del trabajo mecánico en calor.

Antecedentes: Sobre la base de todo este trabajo previo, Sadi Carnot, el "padre de la termodinámica ", publicó en 1824 Reflexiones sobre la energía motriz del fuego, un discurso sobre la eficiencia térmica, la energía, la energía motriz y el motor. El documento describe las relaciones básicas energéticas entre la máquina de Carnot, el ciclo de Carnot y energía motriz, marcando el inicio de la termodinámica como ciencia moderna.

El primer libro de texto sobre termodinámica fue escrito en 1859 por William Rankine, quien originalmente se formó como físico y profesor de ingeniería civil y mecánica en la Universidad de Glasgow. La primera y segunda leyes de la termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850, principalmente por las obras de Germain Henri Hess, William Rankine, Rudolf Clausius, James Prescott Joule y William Thomson (Lord Kelvin).

1.1.1.- Definición de Materia: Es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee energía medible y está sujeto a cambios en el tiempo y a las interacciones con los instrumentos de medida.

La materia como tal se utiliza en la Ecuación de Albert Einstein (1947):

Donde:

E = Energía generada (en Joules)

m = Cantidad de materia que experimenta la velocidad (en Kg)

c = Velocidad de la luz = 300×106 m/s

(1) cm E 2

1.1.2.- Definición de Fuerza: Es una magnitud física que mide la intensidad de cambio

de momento lineal entre dos sistemas.

Existen dos formas de calcular la Fuerza, propuestas por

Isaac Newton (1642-1727):

Donde:

g = 9.80665 m/s2 gc = 9.80665 (Kg*m)/(Kgf*s2)

F = Fuerza generada por el sistema (en Newtons)

Recordar que 1 N = 1 Kg*m/s2

a = Aceleración dinámica (en m/s2)

Recordar que a = υ/t = Velocidad/tiempo

(2) am gc

g F (2a) gm

gc

g F

1.1.3.- Definición de Energía

Se define como la fuerza que se aplica a un objeto y éste

se desplaza una cierta distancia o también para obrar,

transformar o poner en movimiento.

En términos muy simples la energía se puede calcular

como:

Donde:

F = Fuerza aplicada (en Newtons).

d = Distancia desplazada al aplicar la fuerza (en m).

E = Energía generada por el sistema (en Joules)

Recordar que 1 Joule = 1 Kg*m2/s2

(3) dF E

1.1.3.- Definición de Energía Existen muchos tipos de energías, pero todas tienen la

misma unidad internacional: Joule.

De las energías más importantes para mantenimiento

industrial, están la Energía Cinética (Ek) y la Energía

Potencial (Ep), las cuales se calculan como:

Donde:

m = masa del objeto (en Kg).

h = posición o altura del objeto (en m).

υ = velocidad de desplazamiento del objeto (en m/s)

Recordar que 1 Joule = 1 Kg*m2/s2

(3a) υm E 22

1k (3b) hgm Ep

1.1.4.- Definición de Potencia

La potencia en física se define simplemente como la

Energía que se transporta por unidad de tiempo, es decir:

Donde:

Pow = Potencia generada por el Sistema (en Watts)

Recordar que 1 W = 1 Kg*m2/s3

Para el caso de Potencia en movimiento, se tiene:

(4) t

E Pow

(4) 2t

υm

t

υm

t

Ek P

222

1

ow

1.1.5.- Definición de Presión La presión se define simplemente como la fuerza

aplicada por unidad de área, es decir:

Donde:

P = Presión generada en el sistema (en Pascales).

A = área donde se aplica la fuerza (en m2).

F = Fuerza aplicada sobre la superficie del sistema (en N).

Para la Presión Total de un sistema, se aplica la Ley de

Pascal:

Pman = Presión Manométrica (en Pascales).

PAtm = Presión Atmosférica de Referencia (en Pascales).

(5) A

F P

1.1.5.- Definición de Presión La presión manométrica se puede calcular como:

Donde:

ρ = Densidad del Fluido (en Kg/m3).

g = Aceleración gravitacional = 9.80665 m/s2

h = Altura o posición del objeto en el fluido (en m).

-------Valores de algunas Presiones Atmosféricas----------

Pestándar = 101325 Pa = 760 Torr

PGuadalajara = 85326.32 Pa = 640 Torr

P DF = 77993.586 Pa = 585 Torr

Pplayas = 760 mmHg = 760 Torr

(7) hgρ Pman

1.1.5.- Definición de Presión Para la Presión con dirección y sentido se tiene la

expresión:

Donde:

n = Vector unitario normal a la superficie (respetando

sentido y signo del vector).

Ejemplo:

(8) ndA

F P

1.1.6.- Definición de Volumen: Es una Magnitud Escalar definida como el espacio que

ocupa un objeto y dicho espacio depende de su

geometría. Se presentan a continuación las principales

figuras geométricas y la forma de calcular el área y el

volumen.

Figura Geométrica Cálculo del Área Cálculo del Volumen

Paralelepípedo

Cubo

1.1.6.- Definición de Volumen: Continuación de la Tabla:


Esfera

Cilindro Sólido

Cilindro Hueco

hrRr-Rπ2 ATotal

heeπ2 ATotal

hr-Rπ V 2

heπ V 2

1.1.6.- Definición de Volumen: Continuación de la Tabla:


Cono

Tronco Cónico

1.1.7.- Concepto de Trabajo

Se define como la energía gastada en desplazar un

objeto una cierta distancia o que modifica la objeto de

su estado inicial. El trabajo se calcula como:

Donde:

W = Trabajo realizado por el sistema (en Joules).

Vf = Volumen final del sistema (en m3, gal, L).

Vi = Volumen inicial del sistema (en m3, gal, L).

(9) )V - (VP dVP W if

V

V

f

i

1.1.8.- Concepto de Entalpía Es una magnitud termodinámica simbolizada con la letra H, cuyo valor expresa una medida de cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico. Es decir, es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno y está asociado con los cambios de fase de una sustancia (Sólido ↔ Líquido ↔ Gas). Para una sustancia que presenta un comportamiento ideal, se tiene que la entalpía es:

Donde:

m = masa del objeto que experimenta el intercambio de energía (Kg)

Cp = Capacidad calorífica a presión Constante (KJ/(Kg*K))

Ti y Tf = Temperatura Inicial y Final del sistema u objeto respectivamente (en K)

(10) dTCpm HTf

Ti

Tabla de algunos valores de Cp para Gases

Tabla de algunos valores de Cp para Líquidos

Tabla de algunos valores de Cp para Sólidos

1.1.9.- Concepto de Entropía Es una magnitud física simbolizada con la letra S y determina la parte de la Energía que No puede utilizarse para producir trabajo. Es la energía que ya NO puede recuperarse en el desarrollo de un proceso.

Albert Einstein (1879 - 1955), al definía como la Energía de Caos. Para un proceso que tiende a la Idealidad, se tiene que:

Donde:

Q = Calor generado o Absorbido por el sistema (en KJ)

Cv = Capacidad Calorífica a volumen constante (KJ/Kg*K)

Cp = Capacidad Calorífica a Presión constante (KJ/Kg*K)

R = Constante de los Gases Ideales = 0.0820578 L*Atm/(mol*K)

Tf

Ti

Tf

Ti

Q2

Q1

(11) dTT

R - Cpm dT

T

Cvm

T

Q ΔS

1.1.10.- Concepto de Temperatura

Se define como la medida promedio de la Energía

Cinética de un conjunto de partículas o de un objeto. Las

escalas más comunes y sus equivalencias son:

1) Escala Celcius:

2) Escala Fahrenheit:

3) Escala Semi-Absoluta Rankine:

4) Escala Absoluta Kelvin:

5) Escala para Refrigeración Reaumour:

(12) 1.8

32 - F C

(13) 32 1.8C F

(14) 459.67 F R

(15) 273.15 C K

(16) 80

C Re

1.1.11.- Definición de Transferencia

de Calor La transferencia de calor es el proceso de propagación

de la energía en distintos medios.

La transferencia de calor se produce siempre que existe

un gradiente térmico o cuando dos sistemas con

diferentes temperaturas se ponen en contacto. El proceso

persiste hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos

objetos o regiones lo suficientemente próximas, la

transferencia de calor no puede ser detenida, solo puede

hacerse más lenta.

1.1.11.- Definición de Transferencia

de Calor Existen 3 tipos de Transferencia de Calor:

1) Conducción: La Transferencia de calor se realiza cuando dos sólidos a diferente temperatura se ponen en contacto y se genera el intercambio térmico.

2) Convección: La Transferencia de calor se realiza cuando un fluido a cierta temperatura entra en contacto con un sólido a diferente temperatura y se genera el intercambio térmico.

3) Radiación: La transferencia de calor se realiza en forma de ondas de energía que «chocan» con un sólido, líquido o gas, como una llamarada, eso es radiación.

1.1.11.1- Transferencia de Calor por

Conducción. La transferencia de Calor por Conducción se puede

calcular como:

Donde:

Q = Calor Transferido por Conducción (En KJ).

k = Coeficiente de Conductividad Térmica (Tablas).

Thot = Temperatura Caliente del sistema (en K, °C).

Tcold = Temperatura fría del sistema (en K, °C).

d = Distancia o espesor del material conductor (en m).

t = Tiempo de transferencia de calor (en seg).


Conducción. Algunos valores del Coeficiente de Conductividad son:


Convección. La Transferencia de Calor por Convección se puede

calcular como:

Donde:

Q = Transferencia de calor por Conducción (en Watts)

h = Coeficiente de Conductividad (W/m2*°C).

Ts = Temperatura de la Superficie con que hará contacto

el Fluido (en °C, K).

T∞ = Temperatura del Fluido (en °C, K).

A = Área de Contacto del fluido (en m2).


Convección. Los valores del Coeficiente de Convectividad son:


Convección. Valores del Coeficiente de Convectividad para un

edificio:


Radiación. La Transferencia de Calor por Radiación se puede calcular como:

Donde:

qR = Transferencia de calor por Radiación (en Watts)

ε = Coeficiente de Emisividad (Adimensional).

σ = Constante de Stephan = 5.6703×10-8 W/m2*K4

Ts = Temperatura de radiación (en °C, K).

Talred = Temperatura ambiente o de los alrededores (en °C, K).

A = Área de Radiación (en m2).


Radiación. Algunos de los valores del Coeficiente de Emisividad son:

1.1.12- Tipos de Sistemas

Termodinámicos. En Termodinámica existen 4 tipos de sistemas básicos en función del calor, la temperatura, la presión y el volumen: 1) Sistema Adiabático: Es aquel sistema en el cual NO existe

transferencia de calor entre él y los alrededores, como en un Refrigerador.

2) Sistema Isobárico: Es aquel sistema en el cual la Presión permanece Constante entre él y los alrededores, como por ejemplo un canal de desagüe el cual está abierto a presión atmosférica.

3) Sistema Isotérmico: Es aquel sistema en el cual la Temperatura permanece constante entre él y los alrededores, como por ejemplo una tienda departamental con aire acondicionado.

4) Sistema Isocórico: es aquel sistema en el cual el Volumen permanece constante entre él y los alrededores, como por ejemplo un tanque de gas LP nuevo.

1.1.13- Concepto de Exergía. La Exergía es una propiedad termodinámica que permite determinar el potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno.

Es una propiedad termodinámica, por lo que es una magnitud cuya variación solo depende de los estados inicial y final del proceso y no de los detalles del mismo.

La exergía se define como el máximo trabajo teórico que puede realizar el sistema combinado cuando el sistema cerrado evoluciona hasta alcanzar el equilibrio con el ambiente

1.1.13- Concepto de Exergía.

La Exergía puede calcularse como:

Donde:

Wu = Trabajo útil que intercambia el sistema (en KJ).

W = Trabajo real realizado en el sistema (en KJ)

Patm = Presión Atmosférica o Estándar (en Pa).

V = Volumen del sistema (en m3)

Po = Presión inicial del sistema (en Pa)

1.1.14- Ejercicios propuestos.

Referencias Bibliográficas.

1.- Donald Q. Kern. “Procesos de Transferencia de

Calor”(1999). Ed. CECSA, México.

2.- M. J. Moran y H. N. Shapiro “Fundamentals of

Engineering Thermodynamics”. (2006). Wiley & Sons Press.

3.-Y. A. Çengel y M. A. Boles “Termodinámica”. (2012).

7ma Edición. Ed. McGraw Hill.

Preguntas de Repaso 1.- Iniciador de la Termodinámica como disciplina científica:

R = Otto von Guericke

2.- Año en que se construyó la primera Bomba de Vacío:

R = 1650

3.- Personajes que construyeron la primera Bomba de Aire:

R = Robert Hooke y Robert Boyle

4.- Personaje que construyó el primer motor Térmico:

R = Thomas Savery

5.- Personaje que demostró la conversión del trabajo mecánico en calor:

R = Benjamin Thompson

Preguntas de Repaso 6.- Personaje al cual se le considera el Padre de la Termodinámica:

R = Sadi Carnot

7.- El primer libro de texto sobre termodinámica fue escrito en 1859 por :

R = William Rankine

8.- ¿Cómo se define Materia?:

R = Es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee energía medible y está sujeto a cambios en el tiempo

9.- Descríbase la definición de Fuerza:

R = Es una magnitud física que mide la intensidad de cambio de momento lineal entre dos sistemas

10.- Se define como la fuerza que se aplica a un objeto y éste se desplaza una cierta distancia:

R = Energía

Preguntas de Repaso 11.- Mencionar 2 tipos de energías más importantes que se encuentran en cualquier situación de la vida diaria:

R = Energía Cinética y Energía Potencial.

12.- Describir el concepto de Potencia:

R = Se define como la Energía que se transporta por unidad de tiempo.

13.- ¿Cómo se Define el Concepto de Presión?:

R = Se define como la fuerza aplicada por unidad de área.

14.- ¿Cuál es el Valor promedio de la Presión en Guadalajara en mmHg o Torricellis?:

R = Es 640 Torr

15.- ¿Cómo se define Volumen?:

R = Es una Magnitud Escalar definida como el espacio que ocupa un objeto y dicho espacio depende de su geometría.

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