presentacion termodinamica

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Ingeniería Ingeniería Termodinámic Termodinámic a a

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ingeniería electromecanica

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  • Ingeniera Termodinmica

  • UNIDAD I

    Conceptos Bsicos de Termodinmica

  • 1.1 Termodinmica y energaLa termodinmica (del griego termo, que significa "calor" y dinmico, que significa "fuerza" ) es una rama de la fsica que estudia los efectos de los cambios de la temperatura, presin y volumen de los sistemas fsicos a un nivel macroscpico. Aproximadamente, calor significa "energa en trnsito" y dinmica se refiere al "movimiento", por lo que, en esencia, la termodinmica estudia la circulacin de la energa y cmo la energa infunde movimiento. Histricamente, la termodinmica se desarroll a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras mquinas de vapor.

  • 1.2 Estado y Equilibrio En termodinmica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinmico, si es incapaz de experimentar espontneamente algn cambio de estado cuando est sometido a unas determinadas condiciones de contorno, (las condiciones que le imponen sus alrededores). Para ello ha de encontrarse simultneamente en equilibrio mecnico y equilibrio qumico.La termodinmica clsica trata, casi siempre, de transformaciones entre estados de equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado que ha repartido sus variables hasta que no hay cambios. En el estado de equilibrio no hay potenciales sin balancear (o fuerzas perturbadoras) con el sistema. Un sistema se dice que ha llegado al equilibrio termodinmico cuando no experimenta cambios al haber sido aislado de su entorno.

  • 1.3 Ley cero de la Termodinmica La Ley cero de la termodinmica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarn la misma temperatura, es decir, tendrn ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, tambin alcanzar la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrn la misma temperatura mientras estn en contacto.

  • 1.4 Propiedades de un sistema Se puede definir un sistema como un conjunto de materia, que est limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni sale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, o sistema aislado si no hay intercambio de materia y energa, dependiendo del caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe el nombre de abierto. Ponemos unos ejemplos:Un sistema abierto: es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y l desprende diferentes gases y calor. Un sistema cerrado: un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de l. Solo precisa un aporte de energa que emplea para medir el tiempo. Un sistema aislado:Cmo encontrarlo si no podemos interactuar con l?. Sin embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximacin, ya que el envase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energa (calor) salga de l.

  • 1.5 Procesos, Ciclos, Sistemas cerrados o AbiertosSe dice que un sistema pasa por un proceso termodinmico, o transformacin termodinmica, cuando al menos una de las coordenadas termodinmicas no cambia. Los procesos ms importantes son:Procesos isotrmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia. Procesos Isobricos: son procesos en los cuales la presin no vara. Procesos Iscoros: son procesos en los que el volumen permanece constante. Procesos adiabticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

  • CiclosSe denomina ciclo termodinmico a cualquier serie de procesos termodinmicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variacin de las magnitudes termodinmicas propias del sistema sea nula.No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que stas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energa entre ste y su entorno. Un hecho caracterstico de los ciclos termodinmicos es que la primera ley de la termodinmica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

  • SistemasSistemas cerrados: Son los sistemas que no presentan intercambio con el medio ambiente que los rodea, pues son hermticos a cualquier influencia ambiental. As, los sistemas cerrados no reciben ninguna influencia del ambiente, y por otro lado tampoco influencian al ambiente. b) Sistemas abiertos: son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el ambiente, a travs de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia y energa regularmente con el medio ambiente

  • 1.6 Formas de Energa Energa es la capacidad de un sistema fsico para realizar trabajo. La materia posee energa como resultado de su movimiento o de su posicin en relacin con las fuerzas que actan sobre ella. La energa luminosa (o radiante) procedente del sol se encuentra en la base de casi todas las formas de energa actualmente disponibles: la madera y los alimentos proceden directamente de la energa solar; los combustibles fsiles corresponden a un almacenamiento de energa de duracin muy larga, cuya fuente es igualmente el sol: se trata de productos de transformacin de organismos que vivieron hace millones de aos para llegar al petrleo, al gas o al carbn.La energa qumica deriva directamente de la energa luminosa o solar, bajo la forma potencial de alimentos, vegetales, o combustibles. La energa trmica junto con la energa qumica, constituye una de las primeras energas utilizadas por el hombre para calentarse o cocer sus alimentos.

  • La energa hidrulica tiene tambin su origen en el sol. La radiacin solar hace evaporar el agua de los mares, lagos, etc., y forma nubes que producen nieve o lluvia que aseguran la perennidad del ciclo del agua.La energa mecnica, en forma de trabajo, es una energa cada vez ms indispensable al hombre para la satisfaccin de todas sus necesidades. Antes, el hombre solo poda contar con su propia energa muscular para desplazarse, ejecutar los trabajos necesarios para la produccin de alimentos, vestidos, edificaciones, etc. La energa elctrica es una forma de energa de transicin (ni primaria ni final) extremadamente difundida actualmente y cmoda debido a sus posibilidades de conversin (calefaccin, iluminacin, energa mecnica, etc.) y de transporte. Proviene, en general, de la conversin, en centrales, de energa mecnica por medio de generadores (o alternadores).La energa nuclear es la nica forma de energa que no tiene el sol como origen. Esta energa es resultado, por la relacin de equivalencia masa-energa, de reacciones de los ncleos de ciertos elementos ligeros (fusin) o pesados (fisin).

  • Formas de Energa

  • UNIDAD II

    PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

  • 2.1 Sustancia pura

    Sustancia es la clase de materia de la que estn formados los cuerpos. Se denomina sustancias puras (llamada as para distinguirla de una mezcla) aquel sistema homogneo que posea un solo componente. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos si su composicin es constante y definida. Tambin se refiere a la unin de uno o ms tomos iguales con interaccin qumica, es decir, que se encuentran enlazados con fuertes lazos qumicos, que no es posible separar de manera fsica.

  • 2.2 Fases de una sustancia pura

    Una sustancia pura no puede separarse en otras sustancias por ningn medio mecnico. Sustancias qumicas tpicas que se pueden encontrar en el hogar son agua, sal (cloruro de sodio) y azcar (sacarosa). En general, las sustancias existen como slidos, lquidos, o gases, y pueden moverse entre estos estados de la materia mediante cambios en la temperatura o presin.

  • 2.3 Superficie P-V-TEl diagrama PVT es la representacin en el espacio tridimensional Presin - Volumen especfico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto qumico.Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debindose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presin y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y clculos termodinmicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.

  • 2.4 Ecuacin de estado de gas idealLa ecuacin que describe normalmente la relacin entre la presin, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es:P *V=n *R *TDonde:P= Presin V= Volumen n= Moles de gas. R= Constante universal de los gases ideales (8,314472 J/molK) o (0,0821 atmL/molK)T= Temperatura en Kelvin.

  • 2.5 Otras ecuaciones de estadoEcuacin de Van der Waals ntese que Vm es el volumen molar.

    En esta expresin, a, b y R son constantes que dependen de la sustancia en cuestin. Pueden calcularse a partir de las propiedades crticas de este modo:

    Ecuacin del Virial

  • Ecuacin de Redlich-Kwong

    Ecuacin de Soave

    en donde es el factor acntrico del compuesto. para el hidrgeno:

    Ecuacin de Peng-Robinson

  • 2.6 Diagrama de propiedadesLos diagramas ms comunes que se emplean son: Diagrama p-V (diagrama de Clapeyron): Este es uno de los ms comunes. Tiene las siguientes propiedades de inters: el rea bajo la curva representa el trabajo sin trasvasijamiento. En un ciclo cerrado, si el ciclo se recorre a favor de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado es positivo (ciclo motriz). Si se recorre en contra de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado es negativo (ciclo que absorbe trabajo).

  • Diagrama T-S (temperatura-entropa o Diagrma Entrpico): es muy empleado, pues (si las evoluciones son reversibles) el rea encerrada por el ciclo o bajo la curva representa los calores intercambiados.

  • Diagrama H-S (entalpa-entropa o Diagrama de Mollier): Tambin es diagrama comn, pues permite representar con facilidad evoluciones reales y estudiar las variaciones de entalpa. Esto ltimo es clave al momento de estudiar intercambios de calor y trabajo basndose en el primer principio.

  • 2.7 Factor de compresibilidad El factor de compresibilidad Z es un factor que compensa la falta de idealidad del gas, as que la ley de los gases ideales se convierte en una ecuacin de estado generalizada. Una forma de pensar en z es como un factor que convierte la ecuacin en una igualdad. Si s grafica el factor de compresibilidad para una temperatura dada contra la presin para diferentes gases, se obtienen curvas. En cambio, si la compresibilidad se grafica contra la presin reducida en funcin de la temperatura reducida, entonces para la mayor parte de los gases los valores de compresibilidad a las mismas temperatura y presin reducidas quedan aproximadamente en el mismo punto

  • El grfico que se muestra a continuacin representa el comportamiento de licuefaccin de un gas

  • 2.8 Gas real, leyes de los gases perfectos, ley Dalton, Leyes de mezclas gaseosasDesde el punto de vista microscpico, definimos a un gas ideal haciendo las siguientes suposiciones, con lo que nuestra tarea ser la de aplicar las leyes de la mecnica clsica, estadsticamente, a los tomos del gas y demostrar que nuestra definicin microscpica es consecuente co la definicin macroscpica de la seccin procedente:1.- Un gas esta formado por partculas llamadas molculas. 2.-Las molculas se encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del movimiento. Las molculas se mueven en todas direcciones y a velocidades diferentes. 3.- El nmero total de molculas es grande.4.-El volumen de las molculas es una fraccin despreciablemente pequea del volumen ocupado por el gas.

  • 5.- No actan fuerzas apreciables sobre las molculas, excepto durante los choques. 6.- Los choques son elsticos y de duracin despreciable.

    Leyes de los gases Dentro de ciertos lmites de baja y alta temperatura, el comportamiento de todos los gases se ajusta a tres leyes, las cuales relacionan el volumen de un gas con su temperatura y presin. Los gases que obedecen estas leyes son llamados gases ideales o perfectos.

    Ley de Boyle y Mariotte A temperatura constante, el volumen de cualquier masa de gas es inversamente proporcional a la presin que se le aplica. (ver, b). Expresado matemticamente:

    V = kP P = presin; V = volumen; PV = kk = constante de proporcionalidad. Esta constante depende de las unidades usadas, la masa del gas y la temperatura.

  • Ley de Charles A presin constante el volumen de una determinada masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. La temperatura de un gas depende de las energas de sus molculas; temperaturas ms elevadas indican mayores energas y stas indican mayores velocidades de las molculas, por lo que las presiones sern mayores. Para mantener constante la presin al aumentar la temperatura, deber aumentarse el volumen. Lo anterior se expresa matemticamente como sigue: V = kT, en donde V = volumen; T = temperatura absoluta; k = constantes de proporcionalidad que depende de las unidades usadas y de la masa del gas Trasponiendo:

    Considerando los estados iniciales y finales

  • Ley de Gay-Lussac

    A volumen constante, la presin de una masa gaseosa es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Lo que se expresa matemticamente as: P = kT Trasponiendo:

  • Mezcla de gases. Ley de Dalton.- Normalmente en el buceo se utilizan mezclas gaseosas para respirar, la ms comnmente usada es el aire atmosfrico cuya composicin aproximada es:

    Nitrgeno ................... 79,00 % Oxgeno ..................... 20,79 % Anhdrido Carbnico.... 0,03 %

    Tambin hay vestigios de Argn, Criptn, Hidrgeno y otros gases nobles que por ser portadores de Oxgeno se incluyen en la proporcin del Nitrgeno, pero esta mezcla no es la nica respirable. Hay otras mezclas en las que se ha variado las proporciones y otras en las que se ha cambiado el vehculo transportador (Nitrgeno) por otros gases ms ligeros y que hacen ms corta la descompresin, una de esas mezclas es la llamada Fifty-Fifty (50-50) que se compone de: Nitrgeno........... 50 % Oxgeno ............ 50 %

  • UNIDAD III

    Primera Ley de la Termodinmica

  • 3.1 Transferencia de calor, trabajo, calor especifico, energa interna, entalpa, calores especficos de slidos y lquidos. Calor es la energa en trnsito desde un sistema con alta temperatura a otro sistema con ms baja temperatura. El calor se asocia con la energa interna cintica y potencial de un sistema (movimiento molecular aparentemente desorganizado). El calor siempre fluye desde una regin con temperatura ms alta hacia otra regin con temperatura ms baja. La transferencia o dispersin del calor puede ocurrir a travs de tres mecanismos posibles, conduccin, conveccin y radiacin:CONDUCCIN: Flujo de calor a travs de medios slidos por la vibracin interna de las molculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. CONVECCIN: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (lquido o gaseoso). La conveccin es el desplazamiento de masas de algn lquido o gas.

  • RADIACIN: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnticas.

  • TrabajoUn tipo de trabajo mecnico es el que implica cambiar la posicin de un objeto: En este caso, el trabajo, W es igual al producto de la fuerza aplicada, E, por la distancia recorrida, d: W = F x d

  • Calor Especifico y Energa InternaCALOR ESPECFICO El calor especfico o capacidad calorfica especfica, c, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado: En donde c es el calor especfico, Q es la cantidad de calor, m la masa y T la diferencia entre las temperaturas inicial y final. Su unidad en el sistema SI es el julio por kilogramo y kelvin, cuya notacin es J/(kgK).

    En fsica, la energa interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energa a escala microscpica. Ms concretamente, es la suma de:la energa cintica interna, es decir, de las sumas de las energas cinticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de la energa potencial interna, que es la energa potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.

  • EntalpaEntalpa (del prefijo en y del griego thalpein calentar), tal palabra fue escrita en 1850 por el fsico alemn Clausius. La entalpa es una magnitud de termodinmica simbolizada con la letra H, la variacin de entalpa expresa una medida de la cantidad de energa absorbida o cedida por un sistema termodinmico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energa que tal sistema puede intercambiar con su entorno. La entalpa se define mediante la siguiente frmula:

    Donde: H es la entalpa (en julios). U es la energa interna (en julios). p es la presin del sistema (en pascales). V es el volumen del sistema (en metros cbicos). es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura , dependiendo de los sistemas de medicin son las unidades que se manejan.

  • 3.2 Conservacin de la masa y la energaLa ley de la conservacin de la energa constituye el primer principio de la termodinmica y afirma que la cantidad total de energa en cualquier sistema aislado (sin interaccin con ningn otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energa puede transformarse en otra forma de energa. En resumen, la ley de la conservacin de la energa afirma que la energa no puede crearse ni destruirse, slo se puede cambiar de una forma a otra (por ejemplo, cuando la energa elctrica se transforma en energa calorfica en un calefactor).

    Dentro de los sistemas termodinmicos, una consecuencia de la ley de conservacin de la energa es la llamada primera ley de la termodinmica, la cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de energa trmica (Q) a un sistema, esta cantidad de energa ser igual a la diferencia del incremento de la energa interna del sistema (U) menos el trabajo (W) efectuado por el sistema sobre sus alrededores:

  • Aunque la energa no se pierde, se degrada de acuerdo con la segunda ley de la termodinmica. En un proceso irreversible, la entropa de un sistema aislado aumenta y no es posible devolverlo al estado termodinmico fsico anterior. As un sistema fsico aislado puede cambiar su estado a otro con la misma energa pero con dicha energa en una forma menos aprovechable. Por ejemplo, un movimiento con friccin es un proceso irreversible por el cual se convierte energa mecnica en energa trmica. Esa energa trmica no puede convertirse en su totalidad en energa mecnica de nuevo ya que, como el proceso opuesto no es espontneo, es necesario aportar energa extra para que se produzca en el sentido contrario.

  • La conservacin de la masa: Un cambio ya se ha fsico o qumico no provoca la creacin de destruccin de materia sino nicamente un reordenamiento de las partculas constituyentes.

    Ley de las proporciones definidas: Cuando varios elementos se combinan para formar un compuesto la relacin entre las masas de cada uno de ellos es siempre constante.

    Ley las proporciones mltiples: Cuando al unirse dos elementos pueden formar ms de un compuesto, las cantidades de un elemento que se unen con una cantidad fija de otro elemento, para formar en cada caso un compuesto diferente, est en una relacin de nmero sencillo.

    Ley de los equivalentes: Los pesos de diferentes sustancias que se combinan con un mismo peso de otra dan la relacin en que ellos se combinan entre s multiplicada por un nmero sencillo.

  • 3.3 Potencia y su medicin En Fsica, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energa en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, segn queda definido por:

    Donde: P es la potencia. E es la energa total o trabajo. t es el tiempo.

  • 3.4 Volmenes de controlUn volumen de control es una arbitraria del espacio que se erige en objeto de estudio. Es un sistema termodinmico con la propiedad aadida de que se admite la posibilidad de entradas y salida de masa. Por lo dems, el volumen de control intercambia calor con una fuente trmica y trabajo con una o varias fuentes de trabajo.

    La superficie de control separa el volumen de control del exterior. Es una frontera imaginaria que puede tener lmites reales o imaginarios.

  • Para el volumen del control mostrado, la razn del cambio de masa dentro del volumen est dada por la diferencia entre el flujo msico de entrada y el flujo msico de salida. Para un nico flujo que entra al volumen de control y un nico flujo de salida podemos escribir:

    Si la masa dentro del volumen de control cambia con el tiempo es porque se agrega o se quita una cierta cantidad de masa En el caso especial de un flujo constante , por lo tanto

    Figura: Volumen de control para reconocer el flujo msico.

  • 3.5 Anlisis Termodinmico de volmenes de controlLas leyes termodinmicas son utilizadas para un sistema, una cantidad especfica de materia. Ms an, en problemas de propulsin y generacin de potencia, estamos interesados en qu sucede en un volumen dado, por ejemplo en un motor de cohete o un motor de jet a travs de los cuales se tiene una cierta razn de flujo msico. Podemos tambin estar interesados en el intercambio de calor y trabajo que entra o sale del sistema. Por tal razn, la forma del volumen del control del sistema para plantear las ecuaciones gobernantes resulta de gran importancia. Una representacin esquemtica de un volumen de control que pasa a travs de una turbina se muestra en la figura. Ms que observar una partcula de la masa que se mueve a travs de la turbina, resulta ms conveniente observar el volumen ocupado por la turbina y definir este como volumen de control. Una vez especificada la forma del volumen de control se establecen las leyes termodinmicas.

    Volumen de control y sistema para flujo que pasa a travs de un dispositivo de propulsin.

  • 3.6 Procesos de flujo permanenteDurante un proceso de flujo permanente, la cantidad total de masa contenida dentro de un volumen de control no cambia con el tiempo (mvc = constante). Entonces el principio de conservacin de la masa requiere que la cantidad total de masa que entra a un volumen de control sea igual a la cantidad total de masa que sale del mismo.

    Por ejemplo, para una tobera de manguera de jardn que opera de forma estable, la cantidad de agua que entra a ella por unidad de tiempo es igual a la cantidad de agua que deja salir por unidad de tiempo.

    Cuando se trata de procesos de flujo permanente, el inters no se centra en la cantidad de masa que entra o sale de un dispositivo con el tiempo, pero si se esta interesado en la cantidad de masa que fluye por unidad de tiempo, es decir, el flujo msico m. El principio de conservacin de la masa para un sistema general de flujo estable con entradas y salidas mltiples se puede expresar en forma de tasa como:

    Sumatoria de m de entrada = sumatoria de m de salida

  • 3.7 Procesos de flujo no permanenteLos procesos de flujo no permanente comienzan y terminan en algn tiempo finito en lugar de continuar indefinidamente. En algunos aspectos un sistema de flujo no permanente es similar a un sistema cerrado, excepto porque la masa dentro de las fronteras del sistema no permanece constante durante un proceso. Otra diferencia entre sistemas de flujo permanente y no permanente es que los primeros son fijos en espacio, tamao y forma, pero los segundos no sino que normalmente son estacionarios; es decir, estn fijos en el espacio, pero pueden tener fronteras mviles y por lo tanto trabajo de frontera. El balance de masa para cualquier sistema que experimenta algn proceso para volmenes de control se puede expresar como:

    mi me = (m2 m1) vc donde i= entrada, e= salida, 1= estado inicial, 2= estado final del volumen de control.

  • UNIDAD IV

    Segunda Ley de la Termodinmica

  • 4.1 Deposito de energa trmica

    Segunda ley de la termodinmica

    Esta ley regula la direccin en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinmicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrase en un pequeo volumen). Tambin establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo en otro sin prdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta slo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud fsica llamada entropa tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero. Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos a temperatura ms alta a aquellos de temperatura ms baja. Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacndose el de Clausius y el de Kelvin.

  • Enunciado de Clausius

    En palabras de Sears es: " No es posible ningn proceso cuyo nico resultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura ms elevada".

    Enunciado de Kelvin

    No existe ningn dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una nica fuente y lo convierta ntegramente en trabajo. En el desarrollo de la segunda ley de la termodinmica, es muy conveniente tener un hipottico cuerpo que posea una capacidad de energa trmica relativamente grande que pueda suministrar o absorber cantidades dinitas de calor sin experimentar ningn cambio de temperatura. Tal cuerpo se llama depsito de energa trmica, o solo deposito. En la prctica, los grandes cuerpos de agua, como ocanos, lagos y ros, as como el aire atmosfrico se pueden modelar de manera precisa como depsitos de energa trmica debido a sus grandes capacidades de almacenaje de energa o masas trmicas. La atmsfera por ejemplo, no se calienta como resultado de las perdidas de calor ocurridas en invierno desde edificios residenciales.

  • 4.2 Maquinas trmicas las mquinas trmicas son mquinas de fluido compresible:

    En los motores trmicos, la energa del fluido que atraviesa la mquina disminuye, obtenindose energa mecnica.

    En el caso de generadores trmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energa al atravesar la mquina.

  • Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las mquinas trmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente:

    Mquinas trmicas

    MotorasVolumtricasAlternativas (Mquina de vapor)Rotativas (Motor rotativo de aire caliente)Turbo mquinasTurbinasGeneradorasVolumtricasAlternativas (Compresor de mbolo)Rotativas (Compresor rotativo)Turbo mquinasTurbocompresores

  • 4.3 Ciclo de CarnotSe define ciclo de Carnot como un proceso cclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotrmicas y dos adiabticas, tal como se muestra en la figura.

  • La representacin grfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente:

    Tramo A-B isoterma a la temperatura T1 Tramo B-C adiabticaTramo C-D isoterma a la temperatura T2 Tramo D-A adiabtica

  • En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

    La presin, volumen de cada uno de los vrtices. El trabajo, el calor y la variacin de energa interna en cada una de los procesos. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo. Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.

  • 4.4 Procesos reversibles e irreversiblesUn proceso es reversible si, despus de que ocurre, tanto el sistema como entorno pueden, por cualquier medio posible, regresar a su estado original. Cualquier otro proceso se conoce como irreversible.

    Los procesos reversibles son importantes porque proporcionan el trabajo Mximo para dispositivos que producen trabajo, y el trabajo mnimo de entrada a di positivos que absorben trabajo para operar. Para estos dispositivos y muchos otros, los procesos reversibles son normas de comparacin. Para determinar si i proceso es reversible, es necesario aplicar la segunda ley.

    Muchos otros efectos tales como un flujo de corriente elctrica a travs de una resistencia son tambin irreversibles pero no se describen aqu. En todos los casos, la prueba de reversibilidad involucra la aplicacin de la segunda ley de la termodinmica.

  • Examinaremos los procesos irreversibles antes de los reversibles, por dos razones:

    Primera, con frecuencia es ms fcil demostrar que un proceso es irreversible, que hallar uno que sea reversible.Segunda, una vez que se identifican cierto fenmenos irreversibles, con frecuencia podemos reconocer procesos reversibles simplemente por la ausencia de estos fenmenos irreversibles.

    Cmo podemos identificar a los procesos irreversibles Recurdese que si un proceso es reversible, entonces tanto el sistema como su entorno pueden ser regresados a sus estados iniciales. Sin embargo, si un proceso irreversible, el proceso inverso es imposible. Por consiguiente, podemos determinar si un proceso es reversible determinando si es posible el proceso inverso.

  • Podemos demostrar que un proceso es imposible de la forma siguiente:Suponer que el proceso es posible. Combinar este proceso con otros procesos, que por experiencia se sabe que son posibles, para formar un ciclo que viola la segunda ley. Si puede idearse un ciclo de esta naturaleza, entonces la suposicin paso 1 es falsa y el proceso en cuestin es imposible.

    Considrese el proceso en que un gas en un tanque cerrado, rgido y trmicamente aislado es agitado por una rueda con paletas ver figura El sistema es gas dentro del tanque. La rueda con paletas es activada por la accin de un cuerpo que cae y que hace girar una polea en un eje. El movimiento de la rueda con paletas es resistido por fuerzas de corte en el gas, y por consiguiente el trabajo es realizado sobre el gas por la rueda con paletas. El gas cambia del estado A al estado B. La aplicacin de la primera Ley muestra que durante este proceso aumenta la energa interna del gas. La temperatura del gas aumenta.

  • 4.5 Principio de CarnotEl principio de Carnot establece que la mxima cantidad de trabajo que puede ser producido por una mquina trmica que trabaja entre una fuente a alta temperatura y un depsito a temperatura menor, es el trabajo producido por una mquina reversible que opere entre esas dos temperaturas. Por ello demostr que ninguna mquina poda ser ms eficiente que una mquina reversible.

    Carnot tambin establece que el rendimiento de cualquier mquina trmica depende de la diferencia entre temperatura de la fuente mas caliente y la fra. Las altas temperaturas del vapor presuponen muy altas presiones y la expansin del vapor a bajas temperaturas producen grandes volmenes de expansin. Esto produca una cota en el rendimiento y la posibilidad de construccin de mquinas de vapor.

  • UNIDAD V

    ENTROPA

  • 5.1 Desigualdad de Clausius

    En termodinmica, la entropa (simbolizada como S) es la magnitud fsica que mide la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una funcin de estado de carcter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La palabra entropa procede del griego y significa evolucin o transformacin.

    Desigualdad de Clausius: La desigualdad de Clausius es una relacin entre las temperaturas de un numero arbitrario de fuentes trmicas y las cantidades de calor entregadas o absorbidas por ellas, cuando a una sustancia se le hace recorrer un proceso cclico arbitrario durante el cual intercambie calor con las fuentes. Esta desigualdad viene dada por: dQ / T

  • 5.2 Principio de incremento de entropa Este principio estudia el efecto de la transferencia de calor en el entorno en el cambio de estado as como de la masa de control el mejor ejemplo que se puede tomar es cuando desde el entorno que esta a una temperatura transfiere calor a la masa de control y esta a su vez produce un trabajo si la temperatura del entorno es mayor que la de la masa de control la transferencia ser positiva pero si al contrario la temperatura de la masa es mayor que la del entorno la transferencia de calor ser negativa.

    Este principio lo que presenta es los nicos procesos que se podran realizar son aquellos donde hay un incremento de la entropa por el cambio neto positivo de la masa de control y el entorno y determina que este proceso no podra llevarse a la inversa por que la entropa siempre se mantendr en expansin.

  • 5.4 Cambio de entropa en sustancias puras Debemos distinguir varias zonas de importancia para el estudio termodinmico de las propiedades del agua. Estas son: Zona del Slido: es la zona que corresponde a las propiedades del hielo. Veremos un diagrama de fase que muestra las diferentes zonas y tipos de hielo que existen.

  • Zona del lquido: incluye la interfase slido lquido. Hablaremos un poco de estos cambios de fase. Zona de vapor: estudio elemental de la campana de cambio de fase y zona de vapor sobrecalentado. Zona de gas: es la zona en que estamos sobre la temperatura crtica. Si bien en los prrafos que siguen nos referiremos en especial al agua y vapor de agua, muchas de las ideas y conceptos que se exponen son aplicables a otros fluidos. * Diagrama de Mollier: En este acpite abordaremos el estudio del Diagrama de Mollier y las Tablas de Vapor. Como tal se ha estructurado el acpite de la siguiente forma: Aspectos generales de diagrama de Mollier: representacin H-S, zonas principales en el diagrama, rectas de condensacin. Uso prctico de diagrama de Mollier: como utilizar el diagrama en el caso de las evoluciones ms usuales. Tablas de vapor y su uso: presentacin general de las tablas. Uso de ellas en casos tpicos de ciclos de vapor.

  • * Aspectos Generales del Diagrama de Mollier: En la siguiente figura se visualiza el diagrama H-S para el agua y vapor de agua llamado tambin Diagrama de Mollier.

  • a) Aspectos generales: En la figura se ilustra el diagrama de Mollier en general. Al usar los ejes H-S se tiene la enorme ventaja de que es sencillo poder determinar los intercambios de calor y trabajo para casi cualquier evolucin. Basta aplicar el primer principio. En efecto: H = Q - WtecSi la evolucin es adiabtica, la variacin de entalpa da directamente el trabajo tcnico realizado. Adems si la evolucin es sin roce, ser una identrpica (vertical).

  • b) Zona de campana de cambio de fase: Dentro de la campana de cambio de fase se debe tener claro que las isotermas y las isbaras se confunden en una lnea nica que llamamos rectas de condensacin. En el diagrama se lee directamente la presin. Para leer la temperatura es necesario subir por la recta de condensacin y leer la temperatura en x=1 (lnea de vapor saturado). Las otras lneas de importancia en esta zona son las lneas de igual ttulo. Definiremos al ttulo x del vapor como: x = Masa Vapor saturado liq. + vap. satur.c) Zona de vapor sobrecalentado: En esta zona se separan las isbaras de las isotrmicas. Adems de la informacin obvia que se extrae directamente del diagrama (Entalpa y Entropa en un punto), se puede adems obtener informacin adicional. En efecto se puede: Calor especfico a presin constante: En la zona de vapor sobrecalentado la pendiente de la isbara est relacionada con Cp, en efecto Cp = dQ/dT ; por lo tanto si uno supone un calentamiento isobrico se tiene que dQ = dH o bien Q = H para un valor de T razonable (por ejemplo 5 a 10C). Calor especfico a volumen constante: Si en el diagrama de Mollier aparecen las iscoras (lneas de volumen especfico constante) tambin es posible obtener los valores de Cv en diferentes partes de la zona de vapor sobrecalentado usando un mtodo anlogo al anterior.

  • d) Uso bsico del diagrama: En la explicacin que sigue, supondremos que estn usando el diagrama de Mollier que empleamos en clases. Este tiene unidades MKS y es un diagrama que representa solo una zona de inters especial.

  • 5.4 Cambio de entropa en sustancias puras La entropa es una propiedad, por lo tanto el valor de la entropa de un sistema se establece una vez fijado el estado de este. Las dos propiedades independientes intensivas fijan el estado de un sistema compresible simple, as como los valores de la entropa y otras propiedades en ese estado. Es posible expresar en trminos de otras propiedades el cambio de la entropa de una sustancia, empezando por su relacin definida. Pero en general estas relaciones son demasiado complicadas e impracticas para clculos manuales; por lo tanto, con el uso de un estado de referencia adecuado las entropas de sustancias se evalan a partir de los datos de propiedad medibles siguiendo los clculos mas complicados, para despus clasificar los resultados de la misma forma en que se hace con otras propiedades.

    Los valores de entropa en las tablas de propiedades se ofrecen respecto a un estado de referencia arbitrario. En las tablas de vapor, a la entropa de lquido saturado a 0.01C se le asigna el valor de cero y para el refrigerante 134a, el valor cero es asignado a -40C. los valores de entropa se vuelven negativos a temperaturas inferiores al valor de referencia.

  • 5.5 Slidos, Lquidos y Gases ideales Los gases tienen 3 propiedades caractersticas: (1) son fciles de comprimir, (2) se expanden hasta llenar el contenedor, y (3) ocupan ms espacio que los slidos o lquidos que los conforman.

    COMPRESIBILIDAD Una combustin interna de un motor provee un buen ejemplo de la facilidad con la cual los gases pueden ser comprimidos. En un motor de cuatro pistones, el pistn es primero halado del cilindro para crear un vaco parcial, es luego empujado dentro del cilindro, comprimiendo la mezcla de gasolina/aire a una fraccin de su volumen original.

    EXPANDIBILIDAD Cualquiera que halla caminado en una cocina a donde se hornea un pan, ha experimentado el hecho de que los gases se expanden hasta llenar su contenedor, mientras que el aroma del pan llena la cocina. Desgraciadamente la misma cosa sucede cuando alguien rompe un huevo podrido y el olor caracterstico del sulfito de hidrgeno (H2S), rpidamente se esparce en la habitacin, eso es porque los gases se expanden para llenar su contenedor. Por lo cual es sano asumir que el volumen de un gas es igual al volumen de su contenedor.

  • VOLUMEN DEL GAS VS. VOLUMEN DEL SLIDO La diferencia entre el volumen de un gas y el volumen de un lquido o slido que lo forma, puede ser ilustrado con el siguiente ejemplo. Un gramo de oxgeno lquido en su punto de ebullicin (-183oC) tiene un volumen de 0.894 mL. La misma cantidad de O2 gas a 0oC la presin atmosfrica tiene un volumen de 700 mL, el cual es casi 800 veces ms grande. Resultados similares son obtenidos cuando el volumen de los slidos y gases son comparados. Un gramo de CO2 slido tiene un volumen de 0.641 mL. a 0oC y la presin atmosfrica tiene un volumen de 556 mL, el cual es mas que 850 veces ms grande. Como regla general, el volumen de un lquido o slido incrementa por un factor de 800 veces cuando formas gas.PRESIN VS FUERZA El volumen de un gas es una de sus propiedades caractersticas. Otra propiedad es la presin que el gas libera en sus alrededores. Muchos de nosotros obtuvimos nuestra primera experiencia con la presin, al momento de ir a una estacin de servicio para llenar los cauchos de la bicicleta. Dependiendo de tipo de bicicleta que tuviramos, agregbamos aire a las llantas hasta que el medidor de presin estuviese entre 30 y 70 psi.

  • 5.6 Ciclos Termodinmicos Resulta til tratar los procesos termodinmicos basndose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original despus de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinmicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energa interna de un sistema no puede cambiar, puesto que slo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.

    Un motor trmico de eficiencia perfecta realizara un ciclo ideal en el que todo el calor se convertira en trabajo mecnico. El ciclo de Carnot, es un ciclo termodinmico que constituye el ciclo bsico de todos los motores trmicos, y demuestra que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor trmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinmica impone un lmite superior a la eficiencia de un motor, lmite que siempre es menor del 100%. La eficiencia lmite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

  • Ciclo Otto

    ab: contraccin adiabtica.cd: expansin adiabtica.bc: calentamiento isocrico.ad: enfriamiento isocrico.R: relacin de compresin.Cp: calor especfico a presin constanteCv: calor especfico a volumen constante = Cp/Cv = 1 - 1/R( - 1)Para un R = 8, y un = 1,4 (aire), = 0,56

  • Ciclo diesel

    ab: contraccin adiabtica.cd: expansin adiabticas.ad: enfriamiento isocrico.bc: expansin y calentamiento isobrica.R: relacin de compresin.Cp: calor especfico a presin constanteCv: calor especfico a volumen constante = Cp/Cv (Sears 419 - Tabla 18.1) = 1 - 1/R( - 1)Para un R = 15-20, y un = 1,4 (aire), = 0,65-0,70

  • Ciclo de refrigeracin

    Los sistemas de compresin emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeracin: compresor, condensador, vlvula de expansin y evaporador.

    En el evaporador, el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que est enfriando y de su contenido.

    A continuacin, el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presin, lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema).

    El gas sobrecalentado a alta presin se transforma posteriormente en lquido en un condensador refrigerado por aire o agua.

    Despus del condensador, el lquido pasa por una vlvula de expansin, donde su presin y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador.