UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA

DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

Asignatura: Termodinámica

“Capítulo 1: Introducción y conceptos básicos”

México, D.F., agosto de 2015

El término “termodinámica” proviene de las palabras griegas “therme” (calor) y “dynamis” (fuerza); el concepto incluye los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las elaciones entre las propiedades de la materia. Ésta ciencia surgió como tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las primeras máquinas de vapor, con ello abrieron paso al desarrollo de ésta ciencia.

Primera ley de la termodinámica: establece que la energía es una propiedad termodinámica y que puede cambiar de una forma a otra, pero su cantidad total permanece constante.

Segunda ley de la termodinámica: sostiene que la energía tiene calidad y cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de energía.

Al enfoque macroscópico del estudio de la termodinámica que no requiere conocer el comportamiento de cada partícula se le conoce como termodinámica clásica, mientras que al método basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales, se le conoce como termodinámica estadística.

Algunas dimensiones básicas como la masa, longitud, tiempo y temperatura reciben el nombre de dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad, energía o volumen se llaman dimensiones secundarias o derivadas puesto que se expresan en términos de las fundamentales.

Actualmente hay dos sistemas de uso común: el sistema inglés y el SI métrico, éste último basado en una relación decimal entre las distintas unidades. En 1960, la CGPM produjo el SI, el cual se basa en seis cantidades fundamentales: metro para longitud, kilogramo ara masa, segundo para tiempo, ampere para corriente eléctrica, grado Kelvin para temperatura y candela para intensidad luminosa.

Una unidad más común para la energía en el SI es el kilojoule, mientras que en el sistema inglés es el Btu que se define como la energía requerida para elevar en 1°F la temperatura de 1 lbm de agua a 68°F. En el sistema métrico la energía requerida para elevar en 1°C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5°C se define como caloría y 1 cal=4.1868J.

Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegido para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores y a la superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores se le llama frontera, así mismo, la frontera puede ser fija o móvil. Los sistemas pueden ser cerrados o abiertos; el cerrado consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera (sólo la energía en forma de trabajo o calor) y si incluso prohíbe el flujo de energía, se trata de un sistema aislado.

Un sistema abierto es una región elegida en el espacio, tanto la masa como la energía pueden cruzar su frontera, las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control.

Cualquier característica de un sistema se le llama propiedad, éstas pueden ser intensivas (independientes de la masa de un sistema) o extensivas (dependen del tamaño o extensión del sistema).

La densidad se define como la masa por unidad de volumen, mientras que la densidad relativa o gravedad específica se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura especificada (normalmente agua).

El peso de un volumen unitario de sustancia se llama peso específico.

Un sistema está en equilibrio térmico si tiene la misma temperatura en todo él y está en equilibrio mecánico si en el sistema no hay cambio de presión en alguno de sus puntos. Si en un sistema hay dos fases, está en la fase de equilibrio cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece allí, un sistema está en equilibrio térmico si su composición química no cambia con el tiempo.

Postulado de estado: el estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes.

Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso y a la serie de estados por los que pasa un sistema se le conoce como trayectoria. Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo permanece cerca de un estado de equilibrio, se le llama proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio. Un proceso isotérmico es aquel en el que la temperatura permanece constante, isobárico cuando la presión es constante e isocórico o isométrico cuando el volumen específico es constante. Un sistema ha experimentado un ciclo si los estados inicial y final con iguales. Un proceso de flujo estable es un proceso en el cual un fluido fluye de forma estable (no hay cambio con el tiempo) por volumen de control.

Cuando existen dos cuerpos en contacto, el calor se transfiere del que está caliente al frío, hasta que los dos alcanzan la misma temperatura, a éste punto, los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico.

Ley cero de la termodinámica: establece que si dos cuerpos se están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

La escala de temperatura termodinámica en el Si es la escala Kelvin, la temperatura mínima en esta escala es el cero absoluto; mientras que la escala de temperatura en el sistema inglés es la escala Rankine.

La presión es una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área y tiene como unidad el pascal (N/m2).

La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto; la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local recibe el nombre de presión manométrica y las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío.

Presión:

El cambio de presión en una columna de fluido de altura “h” es ∆P=pgh La presión se incrementa hacia abajo en un determinado fluido y disminuye

hacia arriba Dos puntos a la misma elevación en un fluido continuo en reposo están a la

misma presión.

Un manómetro se utiliza para medir diferencias de presión pequeñas y moderadas. Otros objetos para medir presión son el tubo de Bourdon, los transductores de presión, de presión con medidor de deformación y piezoeléctricos. La presión atmosférica se mide con el barómetro.

Resolución de problemas

Para dominar y comprender mejor una ciencia como es la termodinámica es recomendable realizar problemas reales, para resolverlos se recomienda una serie de pasos como entender los objetivos de éste para intentar resolverlo, así como el trazado de un esquema que contenga la información proporcionada, realizar aproximaciones o suposiciones y la aplicación de las leyes físicas y principios básicos pertinentes para posteriormente realizar cálculos y un análisis del procedimiento hecho para corroborar que sea un buen resultado.

Bibliografía

Cengel Yunis, etal. “Termodinámica”. Quinta edición (2006). Editorial Mc Graw Hill.