TERMODINAMICA1

INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS

L.S. Paris L.

(Basado en el texto “Termodinámica” de Cengel/Boles. Mc Graw-Hill 6ª. Ed)

Universidad EAFITEscuela de Ingeniería

Termodinámica y Energía

• Therme: calor

• Dymamis: movimiento + fuerza: trabajo: potencia

• La ciencia de la energía y la entropía.

• Tiene que ver con el calor y el trabajo (potencia) y con la materia y sus propiedades

• Estudia la relación entre la propiedades de la sustancia, el calor y el trabajo en la condición de

equilibrio.

Termodinámica y Energía

Aplicaciones donde se involucra la termodinámica

Sectores

• doméstico,

• comercial,

• industrial,

• transporte,

• médico,

• etc.

Algunas áreas de Aplicación de la Termodinámica

Dimensiones y Unidades

• Las cantidades de Calor (Q), Trabajo (W) , Energía (E), Fuerza (F), Materia (m), etc.

• Las propiedades como Volumen (V), Presión (P), Temperatura (T), etc....

• Otras variables como Tiempo (t), distancia (L), etc.

Se deben Medir, Cuantificar, Valorar…se requiere entonces un sistema de

Dimensiones y de Unidades

Dimensiones y Unidades

Fuerza: Unidades

Principio de Homogeneidad Dimensional

• Las ecuaciones que representan fenómenos físicos deben ser dimensionalmente homogéneas: cada término en la ecuación debe tener las mismas dimensiones

Ejemplo del Uso del

Principio de Homogenidad DimensionalLa Densidad ()

• Def. Densidad: = m/V

• Por lo tanto m = V

• O sea que:

• m = 850 kg/m3 x 2 m3

• m = 1700 kg de aceite

Relación Fuerza (F) – Masa(m)

• F = m . a

• a = aceleración

• Si a = g (gravedad terrestre : 9.81 m/s2)

• 1 kg de masa pesa 9.81 N = 1kgf = 9.81 kg-m/s2

• 1lbm pesa 1 lbf ó 32.2 lbm ft/s2

Concepto de Sistema Cerrado (SC)

• Selección de materia de masa fija identificada e identificable en cualquier instante en el tiempo, sobre la que se centra la atención.

• m = constante

• (dm/dt)SC = 0

• No hay flujo de masa.

• Visión Lagrangiana

El sistema puede tener Límites Deformables

• Chequear si hay deformación en los límites del sistema, es decir (dV/dt)SC def ≠ 0, o VSC ≠ 0

• Si los límites no se deforman se tiene un sistema con volumen constante: Sistema rígido (dV/dt)SC rígido = 0 o VSC = 0

Sistema Abierto (SA) Volumen de control (VC)

• VC: Espacio sobre la que se centra la atención.

• La cantidad de masa en el VC puede variar en el tiempo

• dmVC/dt >=< 0

• Puede presentarse flujo de masa.

• Visión Euleriana

Sistema Aislado

• Aquel que no intercambia Energía en forma de calor o trabajo con el medio ambiente

• Q = 0 (Adiabático)

• W = 0

• Adicional a que no intercambia masa con el exterior. (Sin flujos de masa)

Sistema aislado

Ej. Volumen de control: tanque del calentador de agua

• Puntos singulares: entradas y salidas

• 1 entrada de agua fria

• 1 salida de agua caliente

• 1 entrada de energía (electricidad)

• Salidas (pérdidas) de calor.

• Tanque rígido volumen constante

Estadodel sistema o de la sustancia del sistema

• Estado: manera, forma, o condición como se encuentra el sistema (o la sustancia o sustancias del sistema).

• El estado se identifica observando ciertas características o atributos: las propiedades.

• Propiedades como: P, T, v, color, sabor, etc.

• Bajo ciertas condiciones (de equilibrio y homogenidad) se presenta una relación biunívoca entre las propiedades y el estado : Propiedades<===> Estado

Propiedades de un sistema

• Propiedad: Característica o Atributo que se puede emplear para describir o caracterizar un Sistema (o Sustancia).

• Los atributos o características pueden ser de naturaleza cualitativa o cualitativa.

• Serán las propiedades cuantitativas las que se emplearán principalmente en termodinámica.

• Ejemplo de propiedades: Presión P, Temperatura T, Energía E, Velocidad V, entropía S, densidad , etc.

Propiedades extensivas

• Dependen del tamaño del sistema,

• Dependen de la cantidad de materia

• Son aditivas

• Permiten particularizar situaciones.

• Ej: Volumen V, masa m. Energía cinética Ek=mV2/2

Propiedades intensivas

• No dependen de tamaño del sistema

• Independientes de la cantidad de materia (masa)

• No son aditivas

• Permiten generalizar y elaborar tablas de propiedades

• Ej: Presión P, Temperatura T, densidad , volumen específico v, energía cinética específica ek = V2/2

Criterio para diferenciar las propiedades intensivas y las extensivas

Sistema Agregado

o

integrado

Sistema

Desagregado o

partido

Modelo del Continuum (Modelo del medio continuo )

• Asume la materia continua

• Llena

• Sin espacios vacíos

• Sin huecos

• Permite emplear entes matemáticos, como derivadas e integrales, en los modelos físico-matemáticos

• Permite considerar propiedades continuamente distribuidas en el espacio ocupado por la materia

Densidad Volumen específico v=1/

Gravedad específica (SG = agua)

Estado Termodinámico de un sistema

• Estado: Manera o forma de manifestarse o de existir de la sustancia de un sistema.

• El estado TD se determina por las propiedades TD de la sustancia del sistema

• A su vez, un conjunto de propiedades TD definen el estado TD del sistema

Equilibrio y Homogeneidad

• En termodinámica, las propiedades del sistema se determinan o se definen en condición de equilibrio y homogeneidad

• Equilibrio: Tendencia al “no cambio” en el tiempo de las propiedades a escala macroscópica

• Homogeneidad: uniformidad de las propiedades en el sistema

Tipos de equilibrios

• Equilibrio Mecánico: Presión, Velocidad constante

• Equilibrio Térmico: Temperatura constante

• Equilibrio de Fases: sin cambio de fase

• Equilibrio eléctrico: sin diferencia de potencial eléctrico

• Equilibrio magnético: campo magnético uniforme

• Equilibrio químico: sin reacciones química

Sustancia Pura

• Aquella que tiene una composición química fija o invariante en cualquier fase y/o estado: No cambia su composición química cuando se somete a cambio de las propiedades (p.e. un cambio en P, T, etc.)

• Aquella que no se encuentra mezclada con otras sustancias identificables. ( No esta mezclada o “contaminada”. (Se puede considerar Mono-componente )

Fases de una Sustancia Pura

• Una fase en una sustancia pura es una colección de materia con una configuración molecular homogénea identificable y separada, de otra configuración diferente, por superficies interfaciales

• Muchas sustancias termodinámicas presentan 3 fases básicas: fase sólida, fase líquida y fase gaseosa (o vapor).

• Algunas sustancias tienen más de tres fases.

Cambios de Fase. Equilibrio de Fases

• En cada fase pueden existir distintos estados es decir diferentes valores de las propiedades).

• Por ejemplo el agua pura en fase líquida y a una presión atmosférica de 1 atm puede estar caliente a 50°C, tibia a 37 °C o fría a 6°C, etc.

• Cambios de fases:

– L - V vaporización , evaporación

– V – L licuefacción o condensación

– S - V Sublimación

Sustancia simple compresible

• Aquella en la cual el único efecto de “trabajo” que se considera está asociado a la “compresibidad” del fluido (cambio del volumen específico) debido a la Presión (P).

• El trabajo asociado está relacionado con la deformación de los límites del sistema (DLS)

• WDLS (P . V ) (P.A) . x

• Se desprecian los efectos de la electricidad, el magnetismo, la tensión superficial, la elasticidad, etc.

Postulado de Estado de una sustancia pura, simple compresible

• El estado termodinámico de una sustancia pura, simple compresible, se puede especificar completamente mediante 2 propiedades intensivas independientes

• Ej. Caso del: Gas ideal: P=RT/v

Proceso (Termodinámico)

• Sucesión de estados que experimenta un sistema cuando evoluciona o pasa de un estado inicial a un estado final.

• Trayectoria

• “Historia”

Proceso cuasi-equilibrio

• Modelo ideal para asumir que los estados intermedios en un proceso también se pueden considerar en equilibrio.

• La desviación del estado de sistema durante el proceso es del orden infinitesimal respecto a la condición de equilibrio perfecta

Proceso de compresión de un gas

• Representación de los procesos en diagramas termodinámicos

• Diagrama P-V

• De 1 a 2: compresión

• De 2 a 1: Expansión

Procesos Termodinámicos

• Nombres, etiquetas o rótulos de los Procesos termodinámicos .....

– T constante: Proceso Isotérmico

– P constante : Proceso Isobárico

– V constante : Proceso isócoro

– h constante : Proceso isentálpico

– s constante : Proceso isoentrópico

– Sin Transferencia de calor (Q = 0): Proceso adiabático

Ciclos Termodinámicos

• Serie de procesos que “sufre” o sigue un sistema en donde el estado inicial y el final coinciden

• Ejs.: Ciclo de Otto, Ciclo Diesel, Ciclo Stirling, Ciclo de refrigeración, Ciclo Rankine, Ciclo Ericson, etc.

Ciclo Stirling IdealEl ciclo representado en un Diagrama Termodinámico P-V.

Sustancia de trabajo: Gas ideal. Procesos:

• Proceso de compresión isotérmica de 1 a 2 @ TL Cte

• Proceso isócoro o iso-volumétrico de 2 a 3 @ Vmin

• Proceso de expansión isotérmica de 3 a 4 @ TH Cte

• Proceso isócoro o iso-volumétrico de 4 a 1 @ Vmax

Procesos de “estado” estacionario (Prop) / t = 0

La ley cero de la Termodinámicay la Temperatura

• Relacionada con el Equilibrio térmico: igualdad de Temperatura.

• Principio de la medición de la temperatura.

La ley cero de la Termodinámica,y la Temperatura

Transitividad en la temperatura:

• Si un cuerpo C esta en equilibrio térmico con otro A(TA = TC)

• a su vez C está también en equilibrio térmico con otro B,(TB = TC )

• entonces todos están en equilibrio térmico entre si.TA = TB = TC

• Cuerpo C Termómetro

A B

A C

B C

C

Temperatura T

• Temperatura. Propiedad emergente que da cuenta de la “actividad vibracional” interna que manifiesta macroscópicamente un sistema o sustancia del sistema (Potencial Térmico ???)

• Igualdad de Temperatura: Dos cuerpos tienen la misma temperatura T si no se aprecian cambios en las propiedades cuando se colocan en comunicación o relación térmica uno con el otro.

• Propiedades útiles para determinar el nivel de temperatura:– Resistividad eléctrica

– Dimensiones de un cuerpo (pe. Una varilla)

– Potencial eléctrico

– luz, radiación, etc.

Termómetros y Escalas de Temperatura

Escalas de Temperatura

• Escalas absolutas. (siempre con valores positivos) Kelvin y Rankine

• Escalas relativas (pueden presentar valores positivos y valores negativos) Celsius y Fahrenheit

• K = C+273.15

• R = F+459.67

• F =1.8 C + 32

• R = 1.8 K

Presión. P = (Fn / A)

Presión absoluta, Presión manométrica o relativa y presión de vacío

• Pabs = Patm + Pg

Variación de la presión con la profundidad

• La presión relativa en un líquido en reposo, aumenta linealmente con la profundidad

• Pg = gh

• g: gravedad

• . Densidad del liquido

• h: Profundidad. Distancia medida desde la superficie libre en el caso de un líquido

Variación de la presión con la profundidad

Presión en punto dentro de un fluido en reposo

Paradoja Hidrostática

Principio de Pascal

• Los incrementos de presión que se hacen sobre un fluido en reposo, se transmiten sin disminución a todos los puntos del fluido y de las paredes del recipiente que lo contiene

El Manómetro

• Manómetro en U con un fluido manométrico para medir presiones relativas

• Mercurio SG=13.6

• Agua SG=1

• Aceite SG= 0.8

Ejemplo. Manómetro

• Pgas = Patm + gh

• Pgas = 96 kPa + 0.85 * 1000kg/m3 * 9.8 m/s2 * 55 cm *(1m/100 cm)

• Pgas = 96 kPa +4581.5 kg-m/s2-m2 = 96kPa+4581.5 Pa * (1kPa/1000Pa)

• Pgas = 96 kPa + 4.5815 kPa = 100.58 kPa

Tubos de Bourdon en Manómetros

• Emplean el efecto que tiene el cambio de presión sobre variación de la geometría: relación entre la presión y la deformación.

El Barómetro y la Presión atmosférica

• Experimento de Torricelli

• h= Patm/g=760 mm Hg a nivel del mar

La presión atmosférica cambia con la altura sobre el nivel del mar

• Aire: asumido como gas ideal: Pv=RT

• Atmósfera a nivel de piso casi isotérmica T: constante

• Ec. Estática de fluidos:

gdz

dP

RT

Pg

dz

dP RT

gz

oePP

Po = 101.325 kPa a z = 0 m

R = 287 J/kg-K , g=9.81 m/s2 ,

T en K

RT

P

Balance de Fuerzas sobre un pistónDiagrama de cuerpo libre

• 2da ley de Newton (conservación del momentum)

cgext amF

• Caso estático: a = o

0 extF

A

mgPP

mgAPPAF

atm

atmext

Técnica de solución de Problemas

1. Definir/entender el Problema

2. Hacer esquemas, bocetos.

3. Resaltar suposiciones y aproximaciones

4. Aplicar las leyes físicas

5. Identificar los estados y las propiedades

6. Realizar cálculos (p.e. EES)

7. Verificar, validar resultados, discutir.

EES (Engineering Equation Solver)

• EES (Pronounced as ease):

• EES is a program that solves systems of linear or nonlinear algebraic or differential equations numerically.

• It has a large library of built-in thermodynamic property functions as well as mathematical functions.

• Unlike some software packages, EES does not solve engineering problems; it only solves the equations supplied by the user.

Acerca de los dígitos significativos

• Mucha atención a los conceptos de Precisión, Exactitud y cifras significativas

• Ver el texto.

Acerca de la Precisión y la Exactitud

• Precisión: poca desviación, repetitividad. ( )

• Exactitud: Valor de la lectura alrededor del valor correcto. (xprom valor correcto)