UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

INVESTIGACION ICARRERA: INGENIERIA MECANICACURSO: TERMODINAMICA I – GRUPO N° 1DOCENTE: ING. FRANK REINOSOALUMNOS:

o Buenaño Merino Carlos o Benavides Paredes Luiso Herrera Ordoñez Andréso Moncayo Matute Freddyo Torres Díaz Cristian

TEMA: PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

OBJETIVOS:

Investigar y dominar los métodos y procedimientos para determinar las propiedades de las sustancias.

Estudiar los conceptos básicos de la Termodinámica; como es el estudio de las propiedades termodinámicas de las sustancias.

Profundizar en el estudio y reconocimiento de los tipos de sistemas termodinámicos aplicados en operaciones convencionales.

MARCO TEÓRICOTERMODINAMICA

La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.

Al hablar de termodinámica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistemas se entiende a un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente".

SISTEMA TERMODINAMICO:

Es una parte del universo que se separa con la finalidad de poderla estudiar. Para ello se aísla de los alrededores a través de límites o fronteras, de tal manera que todo lo que se encuentra fuera de lo delimitado se denomina alrededores.

Fig. 1. Esquema de sistema.

Frontera: Es el límite que separa al sistema de los alrededores, casi siempre son paredes que pueden ser diatérmicas o adiabáticas.

Pared diatérmica: Es una conductora de calor, ésta permite el intercambio de calor entre el sistema y sus alrededores y al revés.

Pared adiabática: Es caracterizada por NO permitir la interacción térmica del sistema con los alrededores. Es construida de materiales no conductores del calor como porcelana o asbesto.

Equilibrio termodinámico: Se alcanza cuando después de cierto tiempo de poner en contacto un sistema de baja temperatura con otro sistema a mayor temperatura se iguala, por lo tanto existe un intercambio de calor.

Energía interna ( Ei): Es la energía contenida en el interior de las sustancias. Es la suma de energía cinética y potencial de las moléculas individuales que la forman.

TIPOS DE SISTEMAS

Utilizando como criterio la interacción entre sistemas y ambiente podemos realizar la siguiente clasificación:

Sistema rígido: al que opera a volumen constante.

Sistema abierto: Es el que intercambia materia y energía con el ambiente o con otros sistemas. Si lo hace permanentemente, manteniendo su masa constante, se llama de flujo continuo (la masa que ingresa equivale a la que sale del sistema en el mismo intervalo de tiempo). De lo contrario es discontinuo.

Sistema cerrado: Es el que no intercambia materia con el medio o con otros sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.

Sistema aislado: el que no intercambia ningún tipo de energía (llámese: calor; trabajo).

Sistema adiabático: el que no intercambia calor o energía térmica con el medio.

Sistema heterogéneo: Es aquel formado por dos o más fases.

Sistema homogéneo: es aquel formado por una sola fase.

Es importante tener en cuenta que los límites y características del sistema son absolutamente arbitrarios, es decir que adoptan el modo más adecuado al problema en estudio, es frecuente hacer coincidir los límites del sistema con los límites físicos del objeto en estudio, pero esto no siempre es así. El límite, en definitiva, es quién caracteriza al sistema en estudio.

PROCESO TERMODINAMICO

Un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debido a la desestabilización del sistema.

TIPOS DE PROCESOS:

Proceso isotérmico: Se presenta cuando la temperatura del sistema, permanece constante independientemente de los cambio de presión o volumen que sufran.

Proceso isobárico: Es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión permanece constante, no importando si el gas sufre una compresión o una expansión.

Proceso isocorico: Se presenta cuando el volumen del sistema permanece constante.

Proceso adiabático: Ocurre cuando el sistema no crea ni recibe calor.

DESARROLLO

ACTIVIDAD N° 1

Seleccione un tipo de sistema adecuado, cerrado (masa de control) o abierto (volumen de control), para el análisis termodinámico de cada uno de los siguientes dispositivos realizando las operaciones descritas:

a) Calentamiento de alimentos en una olla bien tapada.Para poder identificar bien un sistema adecuado para dicha operación, se necesita tener claro los siguientes aspectos:Datos:o Al referirse a olla bien tapada, se asume que esta olla y su tapa soportaran grandes

presiones al estar sometida a calentamiento constante.o La sustancia o materia del sistema serán los alimentos y que la olla será la frontera de

dicho sistema, esta frontera será fija en todo el proceso.o La transferencia de calor se lo realizara desde una fuente externa a la olla.Esquema:

Análisis:En este caso se trata de un SISTEMA CERRADO (masa de control) ya que no existe ninguna masa que cruce la frontera debido a que durante el proceso de calentamiento de los alimentos toda la masa se mantiene dentro de la olla, habrá interacción calórica, generando un cambio de energía pero no de materia.Respuesta:SISTEMA CERRADO (masa de control).

b) Inflado de un globo con aire.Datos:o Al referirse a inflado de un globo con aire, se asume que se trata del periodo de

tiempo en el cual se está ingresando el aire al globo.o La sustancia o materia del sistema será el aire y que el globo (látex) será la frontera de

dicho sistema, esta frontera será variable durante el proceso.o Por lo general se inflan los globos hasta un cierto punto de inflación, y de ahí se

procede a cerrarlos.Esquema:

Análisis:En este caso al referirnos en el periodo de tiempo de ingreso de aire al globo se tratara de un sistema abierto (volumen de control) ya que existe masa (aire) que ingresara con un flujo discontinuo por lo que existe un cambio de Volumen en el sistema.Por otro lado cuando el globo este ya inflado y cerrado se tratara de un sistema cerrado puesto que no existirá ningún cambio de masa la frontera del sistema (el látex del globo) es flexible pero impermeable a la masaRespuesta:SISTEMA ABIERTO (volumen de control): cuando se está inflando el globo.SISTEMA CERRADO (masa de control): cuando el globo este inflado y cerrado.

c) Bombeo de agua desde una cisterna hasta un tanque elevado por una bomba centrífuga.Datos:o Al referirse al bombeo de agua desde la cisterna hasta un tanque elevado se entiende

que habrá un flujo volumétrico de agua que estará atravesando la bomba.o La sustancia o materia del sistema será el agua y la bomba centrifuga será la frontera

de dicho sistema, esta frontera será fija.o Las bombas centrifugas cuentan con un motor el cual le proporciona esa fuerza

necesaria de bombeo.Esquema:

Análisis:Este proceso se lo analizaría por medio de un sistema termodinámico abierto (volumen de control), debido a que la bomba centrifuga para poder cumplir su trabajo va estar en constante entrada y salida de materia que este caso sería el agua, también necesita una fuerza centrífuga, para hacer que el agua pueda ascender hacia el tanque esta fuerza centrífuga viene proporcionada por un motor. Como la entrada y la salida están a una misma altura su energía potencial seria la misma. Respuesta:SISTEMA ABIERTO (volumen de control).

d) Generación de vapor en una caldera de tubos de fuego, el agua entra continuamente se calienta, se vaporiza y es entregada como un flujo continuo de vapor.o La sustancia o materia del sistema será el agua y la caldera será la frontera de dicho

sistema, esta frontera será fija.Esquema:

Análisis:Se denomina un sistema abierto debido Donde Q es la cantidad total de la transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de este), W es el trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de este) e incluye trabajo eléctrico, mecánica y de frontera; y U es la energía interna del sistema.Respuesta:SISTEMA ABIERTO (volumen de control).

ACTIVIDAD N° 2

Desarrolle un programa computacional sencillo (Excel, Matlab, EES, etc.); para realizar el análisis de los siguientes ejemplos de aplicación de nuestro texto guía: 3.54 y 3.126; (pag. 157), correspondiente al capítulo III del texto base: CENGEL Y. y BOLES M. Termodinámica, Séptima Edición, McGraw – Hill, México, 2012.

Ejercicio 3.54

Regrese al problema 3-53. Use el programa EES para investigar el efecto de la presión sobre la masa total del agua en el recipiente. Deje variar la presión desde 0.1MPa hasta 1MPa. Represente en un diagrama la masa total de agua en función de la presión, y describa los resultados. Muestre también el proceso del problema 3-53 en un diagrama P-v usando la función de dibujar propiedades, en el EES.

Programación

Solución

Tabla relación Presión masa

Propiedades

Ejercicio 3.56

Regrese al problema 3-55. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la presión inicial sobre la calidad del agua en el estado final. Haga que la presión varié de 100 psi a 300 psi. Trace la gráfica de la calidad en función de la presión y describa los resultados. También indique el proceso del problema 3-55E en un diagrama T-v usando la función de dibujar propiedades en EES.

Programación

Solución

Relación presión calidad

Tabla T-v propiedades

Ejercicio 3-126

Regrese al problema 3-125. Use el programa EES (u otro) para investigar el efecto de la temperatura de los alrededores sobre la presión del equilibrio final en los recipientes. Suponga que la temperatura de los alrededores varía de -10 a 30 °C. Trace la gráfica de la presión final en los recipientes en función de la temperatura de los alrededores, y describa los resultados.

Programa

Solución

Tabla Temperatura medio P final

Conclusiones

Se realizó el análisis termodinámico de diferentes sistemas con diferentes condiciones de frontera reforzando el conocimiento y adquiriendo la habilidad de poder decidir tipos de sistemas y definir un análisis correcto.

Se profundizo en la parte teórica y analítica los conocimientos adquiridos en clases. Tuvimos que auto educarnos para el debido manejo del software EES. Desarrollamos programas en el EES para facilitar el cálculo y siendo directos, precisos Todo lo desarrollado anteriormente es netamente aplicable en la gran industria ya que es

un campo muy extenso en la termodinámica.

Bibliografía

[1] Y. A. Cengel, M. A. Boles, and G. N. Cázares, Termodinámica. McGraw-Hill México, 2006.

[2] http://termodinamicaeqfa.blogspot.com/2013/01/practica-no-1-equilibrio-entre-fases-de.html

[3] http://www.fchart.com/ees/

[4]http://web.educastur.princast.es/proyectos/formadultos/unidades/materiayenergia/udos_capcinco_pauno.htm