GUIA1CONCEPTOSBASICOS

8/4/2019 GUIA1CONCEPTOSBASICOS

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDAAREA DE TECNOLOGA

UNIDAD CURRICULAR TERMODINMICA

DEPARTAMENTO DE ENERGTICA

Prof, Ing. Frank Bello Msc, Prof, Ing. Indira Ortiz Esp , Prof. Ing. Johanna Krijnen.

Prof. Ing. Koralys Goita.

http://www.termodinamicabasica.blogspot.com/


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TEMA 1: CONCEPTOS BSICOS DE TERMODINMICA

TERMODINMICA.2

TEMA N 1. CONCEPTOS BSICOS DE LA TERMODINMICA.

1 Introduccin a la Termodinmica

-Importancia de la Termodinmica. Aplicacin en la Ingeniera

-Definicin de la Termodinmica

2 Conceptos Bsicos de la Termodinmica

Sistemas Termodinmicos-Concepto y Clasificacin

Alrededor-Concepto Lmite o Frontera

-Concepto-Clasificacin

Propiedad Termodinmica-Concepto-Clasificacin

Estado-Concepto-Estado de Equilibrio

Proceso-Concepto-Clasificacin

Unidades y dimensiones. Densidad Volumen Especfico Temperatura Presin Equilibrio Trmico Ley Cero de la Termodinmica


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TERMODINMICA.3

1. Introduccin a la Termodinmica.

Importancia de la Termodinmica. Aplicacin en la Ingeniera.

El consumo de energa est ntimamente relacionado con el nivel de desarrollo y

el bienestar de un pas. Mientras las naciones industrializadas mantienen altos

ndices de consumo de energa per capita, los pases en proceso de desarrollo

hacen enormes esfuerzos por aumentar su produccin de energa y as mejorar el

nivel de vida de sus habitantes.

Las principales fuentes de energa que la humanidad ha utilizado hasta ahora son

la energa almacenada en los combustibles fsiles (carbn, petrleo, gas natural,

etc.), en sustancias orgnicas o sus derivados (grasas ceras, alcoholes, etc.), la

energa potencial del agua (lagos, ros y embalses), energa del viento, energa

solar, etc.

La disponibilidad limitada de los combustibles fsiles, los lmites en el

aprovechamiento de energa hidrulica y los altos riesgos de contaminacin en la

generacin de energa en plantas nucleares han incrementado el costo de la

energa, lo cual hace racionalizar su uso. Por eso se hace necesario descubrir

nuevas fuentes de energa y mejorar el aprovechamiento de ella. Las

investigaciones sobre el uso de fuentes geotrmicas, sobre la potencia de viento y

marea, as como la posibilidad de utilizar la diferencia de temperaturas entre las

aguas superficiales y las aguas profundas del mar son ejemplos de los esfuerzos

que el hombre ha realizado para la produccin de energa.

Evitar el deterioro del medio ambiente y controlar el desperdicio de la energa son

las grandes preocupaciones de la humanidad y constituyen el gran desafo del

ingeniero, quien debe procurar el abastecimiento de energa en la forma ms


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TERMODINMICA.4

econmica posible, sin degradar el medio ambiente y con un estricto control sobre

su desperdicio.

Como se ver a lo largo de la asignatura, la termodinmica es una de las

herramientas fundamentales para afrontar el desafo que tienen quienes son

responsables del manejo energtico de un pas.

Definicin de la Termodinmica.

La palabra Termodinmica se origina del griego y significa literalmente el estudio

de las fuerzas (dynamis) que originan el calor (therme). Hoy en da esta traduccin

no tiene que ver mucho con la esencia de lo que se va a estudiar bajo el concepto

de termodinmica ya que ella no solo estudia el calor, sino todo tipo de forma de

energa (mecnica, elctrica, qumica, nuclear, etc.) y las transformaciones

energticas.

El calor comienza a ser objeto de estudio a finales del siglo XVIII: a raz del

invento de la mquina de vapor, comienza un estudio sistemtico de la posibilidad

obtener trabajo a partir de calor. As la termodinmica, tiene su origen en las

necesidades tecnolgicas de esa poca, como consecuencia de la necesidad de

describir, predecir y optimizar la operacin de las mquinas de vapor, y a travs

del tiempo con el creciente consumo de energa la importancia de las aplicaciones

no ha dejado de aumentar.

Algunos de las aplicaciones actuales son:

Plantas de Potencia (combustibles fsiles, energa solar, energa geotrmica)

Mquinas (vapor, gasolina, diesel, turbinas).

Mquinas de refrigeracin y acondicionamiento de aire, Calefaccin.


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TERMODINMICA.5

La termodinmica se basa en cinco leyes o postulados que rigen las

transformaciones de la energa y las relaciones termodinmicas, y stas son elresultado de ms de 250 aos de experimentacin e interpretacin terica.

Ley cero: afirma que si dos sistemas distintos estn en equilibrio

trmico con un tercero, tambin tienen que estar en equilibrio entre s.

Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.

1era Ley:Hace referencia a la conservacin de la energa cuando se

transfiere energa de una regin a otra. Afirma que la energa es una

propiedad termodinmica.

2da Ley: Habla de la calidad de la energa, permite medir las

irreversibilidades o la degradacin de la energa en trminos

cuantitativos.

3era Ley:Afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningn

procedimiento que conste de un nmero finito de pasos. Es posible

acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede

llegar a l.

Postulado de estados: El estado de una sustancia simple queda

fijado especificando los valores de dos propiedades intensivas

independientes

A continuacin se presentan algunos conceptos bsicos los cuales son necesarios

definir para el correcto anlisis de la Termodinmica


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TERMODINMICA.6

2. Conceptos Bsicos:

Sistemas Termodinmicos: puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad

de materia, cualquier regin tridimensional del espacio, etc., seleccionado

para el estudio termodinmico.

Alrededores (Medio o entorno): Espacio fsico que rodea al sistema. Se

considera la regin que interacta en alguna forma con el sistema cuya

influencia sobre el sistema puede medirse.

El sistema y su entorno forman el universo.

Lmite o Frontera: La superficie real o imaginaria que encierra un sistema

y lo separa de sus inmediaciones (alrededores) se llama frontera, puede

estar en reposo o en movimiento. An cuando el lmite no forma parte del

sistema su especificacin es importante para definirlo; ya que sirve para: a)

aislar el sistema de su alrededor o para b) permitir la interaccin de un

modo especfico entre el sistema y su ambiente.

Gas

Entorno,

Alrededor

Sistema

Lmite del Sistema (Paredes del Recipiente)

Fig. 1 Ejemplo de Sistema y sus Lmites.


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TERMODINMICA.7

Clasificacin General de los Lmites

Real:Generalmente constituida por las paredes del recipiente que lo

contiene.

Imaginario:Lmite ficticio.

Mvil:Cambian la forma y el volumen de la frontera. El volumen del

sistema tambin cambia.

Fijo:El lmite no puede moverse. Volumen del sistema es constante.

Clasificacin de los Lmites Segn su Naturaleza

Pared Adiabtica:Son aquellos que no permiten el intercambio de

calor entre el sistema y los alrededores.

Pared Diatrmica:Permite la transferencia de calor entre el sistema y

los alrededores (depende de la conductividad del material).

Clasificacin de los Sistemas Termodinmicos.

Sistema Cerrado(Masa de Control):Es un sistema el cual no hay flujo de masa a

travs de la frontera, sin embargo la energa en forma de calor y trabajo puede

cruzar las fronteras.


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TERMODINMICA.8

Ejemplo 1:

Sistema: El helio dentro del globo.

Frontera: -Real y mvil: paredes del globo; latex

Ejemplo 2:

Sistema: Sustancia Gaseosa

Frontera: -Real: paredes del recipiente (cilindro) y pistn;

--Fijas paredes laterales del cilindro, -Mvil: Pistn.

Ejemplo 3:

Sistema: Vapor de Agua

Frontera: -Real y fijas: paredes del recipiente

(radiador).

Sistema Abierto(Volumen de Control):Es aquel que intercambia materia a travs

de su frontera. A este sistema se le denomina tambin volumen de control, y a su

frontera, superficie de control. El trmino volumen de control se especifica cuando

se hace un anlisis que involucra flujo de masa.

Fig. 2 Globo lleno deGas.

Fig. 3 Dispositivo Cilindro- Embolo.Sin intercambio de masa, pero si de

energa en forma de Calor (Q) yTrabajo (W).

Fig. 4 Radiador de Agua cerrado enambos extremos. Sin intercambiode masa, pero si de energa en

forma de Calor (Q).


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TERMODINMICA.9

Ejemplo:

Sistema Aislado:Este es un caso particular de un sistema cerrado. Es aquel queno interacta en modo alguno con su entorno, es decir no hay transferencia de

masa, calor y trabajo entre el sistema o los alrededores.

Ejemplo:

Sistema Aislado: Lata de coca-cola

siempre y cuando la cava no se abra.

Fig. 5 Sistema Abierto. Masa 1 (m1) entrando al sistemay Masa 2 (m2) saliendo del sistema. Calor (Q) y trabajo (W)

Fig. 6 Cmara de Mezcla donde las masas de agua adiferentes condiciones, se mezclan para salir en una condicin

Fig. 7 Lata de Coca. Cola dentro de una cava de playa (con unmaterial aislante trmico perfecto)


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TERMODINMICA.10

Resumiendo:

Propiedad Termodinmica: Es una caracterstica del sistema. Cantidad que

depende del estado del sistema y es independiente de la trayectoria por la cual

haya llegado a dicho estado.

Clasificacin de la Propiedad Termodinmica:

Extensivas:Son aquellas que dependen de la masa del sistema. Ejemplo: masa,

volumen, numero de moles, etc.

Intensivas:Son aquellas que no dependen de la masa del sistema, por ejemplo:

temperatura, presin, etc.

Si una cantidad de materia, en un estado dado, se divide en dos partes iguales,

cada parte tendr el mismo valor de la propiedad intensiva, como la original, y la

mitad de los valores en las propiedades extensivas.

Estado: Es la condicin del sistema definida por el valor de sus

propiedades termodinmicas y por tanto queda identificado por el conjunto de

valores que tienen las propiedades termodinmicas en ese instante. El estado de


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TERMODINMICA.11

un sistema se puede especificar o identificar por los valores de unas pocas

propiedades nicamente.

Estado de Equilibrio: Un sistema se encuentra en estado de equilibrio

termodinmico cuando el estado del sistema no cambia con el tiempo. Sin

embargo, este estado cambia si los alrededores sufren alguna alteracin, es decir,

el estado de equilibrio puede cambiar si es perturbado por el medio ambiente.

Equilibrio Termodinmico

Un sistema en equilibrio, se caracteriza porque el valor de la propiedad

termodinmica intensiva es igual en cada uno de los puntos del sistema. Cuando

el sistema se encuentra en ese estado es posible medir o calcular las propiedades

del sistema y describir el estado del sistema.

Los estados de equilibrio pueden cambiar, y el estudio de estos cambios es una

tarea fundamental de la termodinmica.

Proceso: Es la transformacin de un estado de equilibrio a otro, siendo el

camino del proceso la serie de estados a travs de los cuales pasa el sistema

(trayectoria del proceso).

-Equilibrio Trmico: Igualdad de Temperatura.

-Equilibrio Mecnico: Equilibrio de presin en el

interior del sistema.

-Equilibrio Qumico: Si no ocurre una reaccin

qumica neta de una o ms especies qumicas.

-Equilibrio de Fases: No hay transferencia de una

fase a otra dentro de un sistema de mltiples fases.


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TERMODINMICA.12

Ejemplos de Procesos:

Proceso Caracterstica

Isotrmico Temperatura constante.

Isobrico Presin constante.

Isocrico/Isomtrico Volumen constante.

Adiabtico Sin Transf. de calor

Un proceso se describe por completo con:

Estado inicial y Final

Trayectoria

Interacciones con los alrededores

Proceso cclico o Ciclo: Es un proceso que comienza y termina en un mismo

estado. Las propiedades varan durante el transcurso del ciclo, pero al volver al

estado inicial todas las propiedades vuelven a tomar sus valores originales.

Proceso

EDO 1 EDO 2

1

2

3

Fig. 8 Ejemplo de Proceso.

Fig. 9 Ejemplo de Ciclo Termodinmico.


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TERMODINMICA.13

Proceso Cuasiesttico o Cuasiequilibrio; es un proceso que sigue unatrayectoria definida, en cada punto de sta solo existe desviaciones infinitesimales

del equilibrio interno. En un proceso as definido, todos los estados intermedios

por los que el sistema pasa puede considerarse como de equilibrio.

Procesos Reversibles; una vez que el proceso se da, tanto el sistema como los

alrededores pueden recuperar sus estados iniciales sin ocasionar ningn cambio

en el resto del universo. Para que un proceso sea reversible es necesario que sea

cuasiesttico o cuasiequilibrio (permanecen cercano al equilibrio) es decir que las

propiedades sean uniformes o iguales en cada punto del sistema y que cuando

cambien lo hagan simultneamente en todo el sistema. Para que esto ocurra, es

necesario que el proceso sea lo suficientemente lento, as las propiedades del

sistema cambian con la misma rapidez (dentro del sistema). . Este proceso es

ideal.

Densidad: representa la cantidad de masa de una sustancia por unidad de

volumen, por lo tanto podemos usarla como factor de conversin para relacionar

masa y volumen. La unidad de la densidad en el sistema internacional (S.I.) es,

Kg/m3 , y en el sistema ingls, lbm/pie3. Para lquidos la densidad varia con la

temperatura y en menor grado con la presin. Para gases y vapores la densidad

es funcin de la temperatura y presin. La densidad del agua a 4 C es 1 g/cm3

1000 kg/m3 62.43 lbm/pie3.

Volumen Especfico: Es el inverso de la densidad.m

V

1. La

unidad del volumen especifico en el sistema internacional (S.I.) es, m3/Kg y en el

sistema ingls pie3/lbm.

= (m/V) Densidad


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TERMODINMICA.14

Gravedad especfica (Sg) o densidad relativa:

Es la relacin entre la densidad (o el peso especfico ()) de una sustancia y otra

densidad (o peso especfico) de referencia. Es importante destacar que debido a

que la densidad es una propiedad que vara con la temperatura, la Sg de la

sustancia de referencia (tabulada en la mayora de los casos) debe tomarse a la

temperatura del proceso, para que la densidad calculada sea la correspondiente

en las condiciones dadas.

De esta definicin y la anterior, podemos deducir que la gravedad especfica de

una sustancia es adimensional. Al multiplicar la Sg por la densidad de referencia

en cualquier unidad, se obtiene la densidad en las mismas unidades.

Unidades y Dimensiones.

Podemos definir como dimensiones a los conceptos bsicos de las

mediciones: longitud, tiempo, masa, etc. Las unidades son los

medios para expresar las dimensiones, como por ejemplo: pie,

centmetro, etc. La longitud, la masa y el tiempo tienen Unidades

Sg = ( sustancia) / ( sustancia referencia)Sg = ( sustancia) / ( sustancia referencia)Sustancia de Referencia:Para Lquidos: Agua a 4 CPara Gases: Aire a una T y P de referencia.


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TERMODINMICA.15

Fundamentales, la velocidad, el volumen y la aceleracin tienen ejemplo de

Unidades Derivadas.

Los sistemas de unidades estn compuestos por:

Unidades Fundamentales: Se tienen para la masa, longitud,

tiempo, temperatura, corriente elctrica e intensidad luminosa.

Unidades Mltiplos: Son mltiplos o fracciones de las unidades

fundamentales. Se usan por conveniencia. Es ms prctico hablar de

3 aos que de 94.608.000 s, o hablar de una tonelada que de unmilln de gramos.

Unidades Derivadas: Se pueden obtener de dos formas:

1. Unidades Compuestas: Multiplicando y/o dividiendo unidades

fundamentales y sus mltiplos (m2, m/s, m/s2).

2. Unidades Equivalentes: Son equivalentes definidos de las

unidades compuestas (Ej: 1 N 1 kgm/s2, 1 erg 1 gcm/s2).

El Sistema Internacional de unidades (SI) tiene gran aceptacin en las

comunidades cientficas y de ingeniera. Las unidades SI fundamentales son: Para

la longitud, el metro (m); para la masa, el kilogramo (kg); para la temperatura el

Kelvin (K) y para el tiempo, el segundo (s). En el sistema americano de ingeniera,

las unidades fundamentales son: el pie (ft o pie) para la longitud, la libramasa

(lbm) para la masa y segundo (s) para el tiempo.


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TERMODINMICA.16

Es recomendable ser muy organizado al trabajar con las unidades, por ello a

continuacin se mencionan algunas reglas bsicas para operar con las mismas:

No pueden sumarse ni restarse dimensiones ni unidades distintas.

Los valores numricos de dos cantidades pueden combinarse solamente al

multiplicar o dividir. No se pueden dividir o multiplicar dos dimensiones

diferentes y esperar un resultado dimensional.

Factores de Conversin:

Son expresiones de valores equivalentes de diferentes unidades del mismo

sistema o de sistemas distintos. La equivalencia entre dos expresiones de la

misma cantidad puede definirse en trminos de una proporcin (como un

cociente):

DIMENSIN UNIDAD EN EL S.I.

UNIDAD EN EL S.

INGLS

BASICAS

LONGITUD METRO (m) PIE (ft.)

MASA KILOGRAMO (Kg.) LIBRA (Lb.)

TIEMPO SEGUNDO (s) SEGUNDO (s)

TEMPERATURA KELVIN (K) RANKINE (R)

CANTIDAD DE

SUSTANCIAMOL (mol) LIBRAMOL (Lbmol)

DERIVADAS

ENERG A JOULE (J) (N.m) BTU (ft.LBF)FUERZA NEWTON (N) (Kg.m/s2) LBF

POTENCIA WATT (W) (J/s) Hp

DENSIDAD Kg./m3 Lb./ft3

PRESIN PASCAL (Pa) (N/m2) PSI (LBF/pulg2)

CAPACIDAD CALOR FICA J/Kg.K BTU/Lb.F


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TERMODINMICA.17

( 1 centmetro equivale a 10 mm)

(10 milmetros equivalen a 1 centmetro)

Cuando tenemos una unidad con unidades compuestas (por ej.: kg/h, cal/(gC) y

se desea transformar a su equivalente en trminos de otro conjunto de unidades,

se plantea una ecuacin dimensional: se escribe la cantidad dada y sus unidades

a la izquierda, se escriben las unidades de los factores de conversin para

cancelar las unidades anteriores y reemplazarlas con las deseadas, se anotan los

valores de los factores de conversin, y se lleva a cabo la operacin iniciada para

obtener el valor deseado. En tu cuaderno de clases puedes realizar el siguiente

Ejemplo: Convertir 23 lbmpie/min2 a su equivalente en kgcm/s2

Constante Gravitacional (gc):

Por la Ley de Newton conocemos que F = m * a. En el sistema ingls, Lbf = Lbm *

ft/s2, estos sistemas como tales son internamente inconsistentes. Para poder

conseguir su consistencia es necesario introducir una constante dentro de lasecuaciones fsicas, la cual es conocida como CONSTANTE GRAVITACIONAL

(gc). Por lo tanto la ecuacin anteriormente descrita quedara de la siguiente

forma:

gc

amF

*

10 mm

1 cm

1 cm

10 mm


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TERMODINMICA.18

Sistema Internacional:

Newton: es la fuerza que hay que aplicar a un kilogramo masa para que su

aceleracin sea igual a 1 m/ seg2 . Esto expresado en la ley de fuerza de Newton

queda:

F = m x a (1)

1 N = 1 kgm x 1 m/ seg2

Por lo tanto la ecuacin es consistente tanto numricamente como

dimensionalmente. La constante gc en el sistema Internacional es:

21

segN

mkggc

Sistema Ingls:

Libra Fuerza: es la fuerza con que es atrado una libra masa por la aceleracin de

la gravedad normal 32,17 pie/ seg

F = m x a

1 lbf = 1 lbm x 32,17 pie / seg2

No hay consistencia numrica ya que 1 es diferente a 32,17; por ello se introduce

el trmino constante gravitacional que permite la consistencia numrica y

dimensional de dicha igualdad.

217,32

seglbf

pielbmgc

Entonces la ley de Fuerza de Newton queda definida como:

gc

amF

1 lbf = 1 lbm x 32,17 pie / seg2 1 lbf = 1 Lbf

32,17 lbm x pie

lbf x seg2


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TERMODINMICA.19

Sistema Mtrico de la Ingeniera (M.K.S.)

Kilogramo fuerza o Kilopondio:es la fuerza con que es atrado un kilogramo masapor la aceleracin de la gravedad normal a 9,8 m/seg2, la cual como en el caso

anterior representa una inconsistencia numrica. Por ello es necesario introducir la

constante gravitacional para este sistema.

28,9

segkgf

mkgmgc

Temperatura

La temperatura es una propiedad que aun cuando se est muy familiarizado con

ella, resulta difcil de definir. El concepto de la temperatura surge de la necesidad

de cuantificar las sensaciones de fro y caliente. Hoy en da se conoce la

temperatura como una medida del movimiento y del estado vibracional de las

molculas de una sustancia en equilibrio trmico. A mayor energa mayor

temperatura.

Una sustancia se encuentra en equilibrio trmico cuando su temperatura

permanece constante e igual en cada uno de sus puntos.

Escalas De Temperatura

Las escalas de temperaturas permiten a los cientficos utilizar una basa comn

para las mediciones de las mismas, estn basadas en escalas absolutas y escalas

relativas.

)()(ReFFahrenheit

CCelsiuslativa

)()(RRankine

KKelvinAbsolutas

El punto cero de las escalas absolutas corresponde a la temperatura ms baja a la

cual es hombre puede existir o imaginar. A este punto corresponde en la escala

absoluta Kelvin, el valor 0 K y 0 R en la absoluta Rankine y a -273.15 C en la

escala relativa Celsius y -459.6 F en la relativa Fahrenheit.


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TERMODINMICA.20

El punto cero de las escalas relativas de temperatura corresponde al punto decongelacin del agua a la presin de 1 atmsfera. La escala relativa Celsius le

asigno cero (0) a este punto y la relativa Fahrenheit treinta y dos (32). Para

especificar completamente las escalas se le asign 100 y 212 en las escalas

Celsius y Fahrenheit al punto correspondiente al valor de la temperatura de

ebullicin del agua a la presin de 1 atmsfera.

Fig. 10. Escalas de Temperaturas

Temperaturas Puntuales

La escala Kelvin se relaciona con la relativa Celsius, al igual que la AbsolutaRankine y Fahrenheit. A continuacin se presentan las ecuaciones que relacionan

las diferentes escalas de temperaturas.

15.273)C(T)K(T (2)

60.459)()( FTRT (3)

328.1)()( CTFT (4)


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TERMODINMICA.21

8.1

32)F(T)C(T

(5)

Diferencias de Temperaturas

Se observa que la diferencia unitaria de temperatura en las escalas Rankine y

Fahrenheit es la misma porque ambas escalas tienen 180 divisiones entre sus

extremos. Lo mismo ocurre en las escalas Kelvin y Celsius donde el nmero de

divisiones para ambos son iguales (100 divisiones.)

R)F( (6) K)C( (7)

Si se compara la escala Fahrenheit (180 divisiones) con la Celsius (100

divisiones), se observa que un Celsius es mayor en magnitud que un

Fahrenheit igual sucede entre las absolutas Kelvin y Rankine.

)C(

)F(8.1

(8) )K(

)R(8.1

(9)

Los smbolos (F), R, (C), K representan cambios o deltas de

temperatura no obstante, estos smbolos no son de uso comn, por lo que F,

R, C, K se utilizan para indicar tanto temperatura como diferencias de

temperaturas y se deben interpretar segn sea el contexto de la ecuacin o

enunciado.

Ejercicios Resueltos

1. El medidor de temperatura de un agua contenida en un recipiente indica que la

temperatura es de 45 C. A cuntos Fahrenheit, Kelvin y Rankine equivale

esta temperatura?


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TERMODINMICA.22

Datos:T= 45C

F113328.145328.1)C(T)F(T

K15.31815.27345273)C(T)K(T

R5734604,82460)F(T)R(T

2. La temperatura de un sistema aumenta 15C durante un proceso de

calentador. Exprese este aumento de temperatura en K, R, F.

Datos:

T= 15(TC)

La variable temperatura en este ejercicio, es representa una variacin de

temperatura, por lo que los factores que se aplican para la resolucin

corresponden a los de cambios de temperatura.

K15TK15CT1

TK1CT15TK

R27TR27TK1

TR8.1TK15TR

F27FT27TR1

FT1TR27FT

3. La capacidad calorfica del agua a 1700 C es de 12 Btu/(lbmol*F). exprese este

valor en Cal/(gmol*C).

Datos

C= 12 Btu/(lbmol*F)


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TERMODINMICA.23

Para expresar la capacidad calorfica en estas unidades se aplican respectivos

factores de conversin, considerando que la variable temperatura es unadiferencia

C*gmol

Cal12

CT*gmol

Cal12

CT1

FT8.1*

gmol454

lbmol1*

Btu1

Cal252*

F*lbmol

Btu12

Ejercicios Propuestos1. El reporte del tiempo indica que la temperatura del da es -40 F. A cuntos

Celsius, Kelvin y Rankine equivale esta temperatura.

2. La temperatura de un sistema disminuye 27F durante un proceso de

enfriamiento. Exprese esta reduccin de temperatura en C, R,K.

3. La capacidad calorfica del vapor de agua a 1700 C es 12 Cal/(gmol*C)

exprese este valor en J/gmol*K) y en Btu/(lbmol*F).

Presin

Las mediciones de presin son las ms importantes que se hacen en la industria;

sobre todo en industrias de procesos contnuos, como el procesamiento y

elaboracin de compuestos qumicos. La cantidad de instrumentos que miden la

presin puede ser mucho mayor que la que se utiliza en cualquier otro tipo de

medicin.

La presin se define como la fuerza normal que se ejerce sobre una unidad de

rea. El concepto de presin se emplea cuando se trata de un lquido o un gas.

A

FP (10)

P: presin en unidades de fuerza por unidad de rea

F : Fuerza perpendicular al rea

A: rea


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TERMODINMICA.24

Presin Hidrosttica

Es la presin ejercida por el peso de la columna de altura hde fluido en un lugardonde la aceleracin de la gravedad vale g, se determina mediante la siguiente

ecuacin:

gc

hgP

(11)

: densidad del fluidoh: altura del fluido

g: aceleracin de gravedad

gc: constante gravitacional.

En un fluido en reposo, la presin en un punto es la misma en todas las

direcciones. La presin de un fluido aumenta con la profundidad, esto se debe a

que a niveles ms bajos se soporta ms peso del fluido que a niveles ms altos,

por lo que la presin no vara horizontalmente.

La presin de un tanque que contiene un gas se considera uniforme porque el

peso es demasiado pequeo para hacer una diferencia apreciable.

Presin Atmosfrica:Es a presin del aire y del medio atmosfrico que nos

rodea y que vara da con da

Presin Baromtrica: Igual a la presin atmosfrica, llamada presin

baromtrica debido a que se emplea un barmetro para medir la presinatmosfrica.

La presin atmosfrica se ha estandarizado como la presin producida por una

columna de mercurio de 760mm de altura a 0 C en un lugar donde la aceleracin

de gravedad es de 9.8 m/s2 a estas condiciones la presin atmosfrica permanece

constante a diferencia de la presin baromtrica.


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TERMODINMICA.25

Figura 11. Barmetro

Los instrumentos comnmente utilizados para medir la presin de los sistemas se

conocen como manmetros, dentro stos destacan los manmetros en U yBourdon. La mayora de los mismos estn diseados o calibrados para realizar

mediciones a partir del valor de la presin atmosfrica, de modo que realmente

miden la diferencia de presin con respecto a una presin de referencia

(generalmente la presin atmosfrica). Por lo tanto, es importante estudiar los

conceptos que siguen a continuacin:

Presin Absoluta:Se refiere a una medicin de la presin con respecto a unapresin de cero absoluto (vaco perfecto).

Presin Relativa:

o Presin Manomtrica: presin expresada como una cantidad

medida a partir de la presin atmosfrica o alguna presin de

referencia.

o Presin de Vaco: presin expresada como una cantidad medida

por debajo de la presin atmosfrica o alguna presin de referencia.


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TERMODINMICA.26

Fig. 12. Presin absoluta, atmosfrica, manomtrica y de vaco

Para conocer el valor de real de la presin del sistema, se utilizan las siguientes

ecuaciones:

amanomtricatmabs PPP (12)

vacoatmabs PPP (13)

Unidades de Presin ms Comunes

1Pa=1Nw/m2

1kPa=1000Pa

1MPa=1*106 Pa1psi=1lbf/plg2

1atm=101325 Pa = 14.697psia

1 bar=1*105 Pa = 0.9869atm = 14.5psia


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TERMODINMICA.27

Sistema Cilindro PistnExiste un dispositivo conceptualmente importante desde el punto de vista

termodinmico, el sistema cilindro pistn, la importancia radica que dentro de l se

puede estudiar el comportamiento volumtrico con sencillez.

El volumen del sistema puede calcularse con facilidad

multiplicando el rea interna del cilindro por la altura del

mbolo. La presin tambin puede determinarse consencillez.

V=A*H

A: rea interna del cilindro

H: Altura del mbolo

La nica parte mvil es el pistn, se considera que durante su movimiento no hay

fugas y que no hay roce entre el pistn y el cilindro.

La presin del sistema tambin es posible calcularla de forma sencilla. A travs de

un diagrama de cuerpo libre del pistn es posible observar que las fuerzas que

actan sobre l son:

0gmAPAPF embembatmembgas

gmAPAP embatmembgas

cemb

embatmgas

gA

gmPP

(16)

Estas ecuaciones se cumplen si el pistn se

mueve libremente

Fig. 16. Arreglo Cilindro- Pistn


28/30


TERMODINMICA.28

Si el pistn se encuentra sobre un conjunto unos topes la presin del gas puede

ser: menoroiguala la presin ejercida por el mbolo ms la presin atmosfrica

atmemb

gas PA

gmP

Si el movimiento del pistn se encuentra restringido por un pasador o unos topes

la presin del gas, puede sermayor o igual a la presin ejercida por el mbolo

ms la presin atmosfrica.

atmemb

gas PA

gmP

Ejercicio Resuelto

1. Un gas est contenido dentro de un cilindro mbolo vertical. El mbolo tiene

una masa de 3 kg y un rea de seccin transversal de 30cm2, si la presin

atmosfrica es de 95 kPa. Determine la presin dentro del cilindro.

Datos:

memb=3kg

Aemb=Acilindro=30cm2=0.003m2

Patm=95kPa


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TERMODINMICA.29

En base al anlisis del cilindro pistn explicado anteriormente, y de acuerdo con la

ecuacin 14, la presin del sistema por equilibrio de fuerzas se iguala a la sumade la presin atmosfrica y la presin ejercida por la masa del mbolo

kPa8.104Pa104800

sNw

mkgm1m003.0

s

m8.9kg3

Pa95000A

gmPP

2

3

2emb

atmgas

Es importante destacar que si existen otras fuerzas actuando sobre el sistema (en

igual sentido o contrario); deben ser consideradas para el balance y el respectivo

clculo de la presin.

Condiciones normales de presin y temperatura

Condiciones normales de presin y temperatura (abreviado CNPT) o presin

y temperatura normales (abreviado PTN o TPN), son trminos que implican que

la temperatura referenciada es de 0C (273,15 K) y la presin de 1 atm (definidacomo 101.325 Pa).

A partir de 1982 la IUPAC recomend emplear un valor para la presin estndar

de 105 Pa (equivalentes a 1 bar).

El trmino "Condiciones Normales" se suele utilizar mucho para la medicin de

volmenes de gases (siendo un mol de un gas medido en condiciones normales

22,414 L) y se usa en el campo de la Termodinmica.

Sin embargo, en Termodinmica se usa de forma mucho ms habitual otras

condiciones de referencia que son ms cmodas y fcilmente reproducibles,

especialmente en el clculo de entalpas y energas libres de reaccin: las

llamadas condiciones estndar. Las condiciones estndar hacen referencia a

una temperatura de 60 F (15 C) y a una presin de 1 atm (101.325 Pa).


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TERMODINMICA30

Equilibrio Trmico

Cuando un cuerpo entra en contacto con otro que tiene diferente temperatura, elcalor del cuerpo de temperatura ms alta se transfiere al de temperatura inferior, la

transferencia de calor se detiene una vez que se ha alcanzado el equilibrio

trmico, la igualdad de temperatura es el nico requerimiento para alcanzar el

equilibrio trmico.

Ley Cero de la Termodinmica

Esta ley de la termodinmica fue formulada por R.H. Fowler en 1931 despus quese formul la primera y la segunda ley, sin embargo recibe este nombre puesto

que debe proceder a las leyes anteriormente mencionadas.

La ley Cero establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico con

un tercer cuerpo, estn en equilibrio entre s. Si el tercer cuerpo es un termmetro

la ley se renuncia de la siguiente manera:

Si dos cuerpos estn en equilibrio trmico se indica la misma temperatura incluso

si no se encuentran en contacto.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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McGraw-Hill. Cuarta Edicin. Mxico.. 829 pgs.

Himmeblau, D (1996). Principios Bsicos y Clculos en Ingeniera Qumica.

Editorial Prentice Hall. 749 pgs.

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de Ingeniera. Segunda Edicin. Colombia.. 425 pgs.

Mller, E (2003). Termodinmica Bsica. Universidad Simn Bolvar.Segunda Edicin. Venezuela. 308 pgs.

Van Wylen, Gordon J. & Sonntag, Richard E. Fundamentos de

Termodinmica. Editorial Limusa. Mxico. 1990. 735 pgs.

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