UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

Profesor: Abraham Laurencio Martínez Bautista.

Asignatura: Termodinámica.

Alumno: Justo González Alejandro.

Grupo: 7

Tarea: Resumen del capítulo 1 del libro Termodinámica de William Z. Black.

Fecha de entrega: martes 7 de febrero de 2012.

1.- CONCEPTOS DE TERMODINAMICA

INTRODUCCIÓN:

La Termodinámica es una ciencia física, la estructura de la termodinámica está basada en la observación de un fenómeno físico. Al observar un fenómeno, la evidencia experimental es reunida para verificar que la observación es correcta.

Gran parte del tema de termodinámica es sobre el estudio de la energía. La energía puede ser definida como una capacidad para producir un cambio. La energía obtenida del motor de un automóvil proporciona la capacidad de moverse de un lugar a otro, la energía obtenida de una planta de potencia provee la capacidad de producir gran variedad de cambios: operar motores, aparatos y luces. La energía derivada de los productos del petróleo puede ser usada para accionar aparatos diferentes. La energía solar proporciona una capacidad de cambio por medio del calentamiento del agua y aire.

Los principios básicos para el estudio de la termodinámica son: la conservación de la masa, la conservación de la energía, y la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica es un principio básico que es desarrollado a partir de la observación física en el cual sin fuentes externas de energía, la transferencia de calor ocurre en una dirección; esto es, el calor siempre es transmitido de una región de alta temperatura a una región de baja temperatura. La termodinámica relaciona importantes formas de energía, tales como calor, trabajo, energía cinética y potencial, y cantidades que son llamadas propiedades, las cuales describen la condición de cualquier sustancia. El estudio de la termodinámica abarca su aplicación a dispositivos como turbinas, bombas, máquinas, compresores, acondicionadores de aire, etc. En realidad, los principios de la termodinámica se aplican a otros dispositivos como colectores solares, generadores, máquinas de cohetes, cámaras de combustible, sistemas de energía por vientos y ondas, y otros sistemas que transforman la energía de una forma a otra. Para empezar el estudio de esta materia, se dedica una discusión de la presión y la temperatura, así como las dos formas distintas de energía: calor y trabajo.

2.- Sistemas: cerrado, abierto y aislado

Un sistema termodinámico es una región cerrada por límites imaginarios que pueden ser rígidos o flexibles. Un límite imaginario coincide con un límite físico. El concepto de sistema es importante al analizar un problema de termodinámica.

Un sistema cerrado es aquel en el cual ninguna masa cruza el límite del sistema. El limite imaginario del sistema, indicado por la línea punteada, encierra el gas dentro del cilindro-émbolo. Cuando el émbolo esta ajustado estrechamente dentro del cilindro, ninguna masa puede pasar a través del límite imaginario del sistema mostrado en el inciso a). El hecho de que un sistema sea cerrado no elimina las posibilidades de energía cruzando el límite del sistema o del sistema cambiando su forma.

Un sistema abierto es uno en el cual permite la transferencia de la masa y la energía a través de sus límites. El inciso b) muestra un ejemplo de sistema abierto compuesto de un colector solar que usa la energía del sol para calentar agua. La línea punteada en los límites representa los límites del sistema abierto, porque el agua cruza los limites en dos lugares, el agua y el colector forman un sistema abierto.

Un sistema aislado no tiene masa ni energía cruzando sus límites, aunque existen ejemplos escasos, su concepto es útil al formular los principios derivados de la segunda ley de la termodinámica.

Un sistema puede conformarse de una sola sustancia, como el ejemplo del cilindro-émbolo, o puede formarse de algunas sustancias, como en el ejemplo del colector solar,

donde los límites del sistema encierran tanto el material del colector como el agua dentro de los tubos del mismo.

Todos los sistemas termodinámicos constan de tres elementos fundamentales: la superficie imaginaria que limita el sistema, llamada el límite del sistema; el volumen dentro de la superficie imaginaria, llamado el volumen del sistema; y los alrededores que se define como todo aquello externo al sistema.

La energía o masa que entra o sale de un sistema debe cruzar el área de su superficie. Cuando esto ocurre, las propiedades dentro del volumen del sistema pueden cambiar. Un objetivo importante de la termodinámica es relacionar la cantidad de energía y de masa que entra y sale del sistema provocando los cambios en las propiedades dentro del volumen del sistema.

3.- Propiedad, equilibrio, estado y proceso.

Una propiedad es cualquier característica medible de un sistema. Algunos ejemplos son: presión, temperatura, volumen y masa. Otras propiedades como: viscosidad, módulo de elasticidad, coeficiente de expansión térmica, coeficiente de fricción y resistividad eléctrica. Algunas propiedades se definen en términos de otras como la densidad ρ de una sustancia.

Densidad ρ: se define como la masa de una sustancia por unidad de volumen, su formula se expresa:

Y sus unidades son Kg/m3 en el S.I.

Volumen específico: se define como el volumen por unidad de masa. El volumen específico ѵ de una sustancia es por consiguiente el recíproco de su densidad, su formula se expresa:

Sus unidades son volumen sobre unidades de masa:

Un estado es la condición de un sistema así especificado por sus propiedades. La transformación de un sistema de un estado a otro es llamada un proceso. Para ilustrar un proceso considere el sistema del gas dentro del cilindro-émbolo y suponga que se coloca una flama debajo del cilindro de tal forma que el gas sea calentado lentamente. Entonces, suponga que el émbolo es refrenado por una fuerza constante tal que la presión del gas permanece constante durante el proceso. Cuando el gas es calentado por la flama, su temperatura y volumen aumentan mientras que la presión permanece constante

durante el proceso. La temperatura, presión y volumen del gas son registrados de manera periódica durante el proceso de calentamiento. La temperatura del gas, presión y volumen en estado inicial se anotan como T1, P1, y V1, y las mismas propiedades al final del proceso son T2, P2 y V2. Los valores registrados de las propiedades pueden ser trazados en diagramas del proceso. Los cuales representan gráficas del cambio de estado que ocurre entre los estados inicial y final. Los diagramas del proceso son de gran ayuda en el análisis de sistemas termodinámicos porque proporcionan una representación conveniente del cambio de estado que ocurre durante un proceso. En termodinámica el prefijo iso se usa con frecuencia para designar un proceso para el cual una propiedad particular permanece constante. Por ejemplo, un proceso en el que la temperatura permanece constante se llama proceso isotérmico. Un proceso a presión constante se llama proceso isobárico. Las propiedades de un sistema sólo tienen sentido cuando el sistema está en equilibrio. Si un sistema esta aislado de sus alrededores y sus propiedades no cambia con respecto al tiempo, el sistema está en equilibrio termodinámico. Si un sistema está en equilibrio termodinámico, sus propiedades pueden variar sólo si hay un cambio en las propiedades de los alrededores. Existen diferentes tipos de equilibrio como: equilibrio térmico y mecánico.El equilibrio térmico se refiere a las condiciones en que la temperatura de un sistema permanece invariable cuando éste se aísla de sus alrededores.El equilibrio mecánico implica que las fuerzas del sistema, que para sistemas comunes por lo general son causadas sólo por presiones dentro del sistema permanecerán invariables cuando el mismo es aislado de sus alrededores.Un sistema puede pasar de una condición de equilibrio a otra sólo si es perturbado en su estado de equilibrio. Por ejemplo, si se transfiere energía de los alrededores a un sistema que consta de un gas, la temperatura del gas comenzará a incrementarse. Si el gas es confinado, otras propiedades tales como la presión comenzarán también a cambiar. Al final del proceso de transferencia de energía puede establecerse una condición de equilibrio al aislar el sistema del medio exterior. Hasta este momento, las propiedades nuevamente vuelven a ser representativas del sistema.

4.- Funciones de punto y trayectoria, ciclos.Las propiedades tiene características que merecen relevancia. El valor de cualquier propiedad de un sistema en cualquier estado es independiente de la trayectoria o proceso realizado para alcanzar ese estado. Por ejemplo, la temperatura y presión del gas en el estado 2 (final) son siempre T2 y P2, sin hacer caso de cuál trayectoria se sigue para alcanzar el estado 2. Debido a esta característica, las propiedades son referidas como funciones de punto. Si el cambio diferencial en cualquier función de punto arbitrario x es integrada entre los estados 1 y 2, el resultado es: ∫1

2 dX = X2 – X1

Si no se toma en cuenta la trayectoria para conectar los dos estados. Puesto que todas las propiedades termodinámicas son funciones de punto, la integral de la diferencial de cualquier propiedad es simple como la diferencial entre los valores de la propiedad calculada en los estados inicial y final. Si el volumen (una propiedad) se usa como ejemplo, entonces: ∫1

2 dV = V2 – V1

Una cantidad cuyo valor depende de la trayectoria seguida durante un cambio de estado en particular es llamada función de trayectoria. La trayectoria debe especificarse antes que el

valor de una función de trayectoria pueda determinarse. Las propiedades no pueden ser funciones de trayectoria debido a que son características medibles del sistema en un estado dado.

5.- Unidades y dimensiones.Una dimensión es el nombre que se da a cualquier cantidad medible. Algunos ejemplos de dimensiones: longitud, fuerza, masa, tiempo, temperatura y presión. Las unidades son medibles para cada una de las dimensiones. Por ejemplo, algunas unidades más comunes para la dimensión de longitud son el metro, milímetro, pie, yarda y milla.El sistema internacional de unidades es el de uso más amplio, debido a que se basa en una relación decimal entre varias unidades. Por ejemplo, una unidad secundaria de volumen llamada litro se define en términos del metro, el cual es una unidad primaria de longitud. La ecuación que relaciona el volumen de un cubo, con la longitud L de sus lados es: V=L3

Un litro es el volumen ocupado por un cubo cuyos lados miden 10cm de longitud. Por tanto, el litro y el metro se relacionan uno con otro por: 1 litro= (10cm)3 = 10-3 m3

Las unidades de masa y peso se relacionan de manera directa, por tanto, sólo una puede elegirse como una unidad primaria. La unidad de masa y la unidad de fuerza se relacionan por la ley de Newton: F=ma

El Newton se define como la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1kg a una velocidad de 1m/s2. . 1N=1kg.m/s2

El peso de un cuerpo es la fuerza ejercida sobre el cuerpo por la aceleración local de la gravedad. Si la aceleración local de la gravedad es g y el peso de un cuerpo es w, entonces el peso y masa de un cuerpo se relacionan por: W=mg

La aceleración de la gravedad es mayor al nivel del marque en la cima de una montaña. La masa de un objeto, no cambia con su localización, su valor permanece igual a pesar de la posición. Aunque la masa de un objeto puede ser constante, el peso del objeto varia con la posición debido a cambios en la aceleración local de la gravedad. El valor del nivel del mar para la aceleración de la gravedad es: g=9.807 m/s2

Para este valor de g un cuerpo con una masa de 1kg pesa 9.807N al nivel del mar.

Presión

La presión se define como una fuerza normal por unidad de área que actúa sobre la superficie de un sistema. En los sistemas de fluidos o gases, la presión en la superficie del recipiente que contiene al fluido se debe al efecto acumulativo de las moléculas individuales golpeando las paredes del recipiente, provocando una fuerza normal en la superficie. Para un fluido en equilibrio la presión está definida por: P= dFn / dA

Las presiones en los fluidos pueden medirse con aparatos eléctricos o mecánicos. Los calibradores Bourdon son aparatos mecánicos calibrados para leer presiones. La altura de una columna fluida también se usa para la medición de presiones. Un calibrador de presión basado en este principio se llama manómetro, cuando se usa un manómetro para medir la presión de la atmósfera se le llama barómetro.

Temperatura

El significado físico al sentido de la temperatura es relacionar la temperatura de un sistema con el movimiento de las moléculas que lo componen. Conforme la temperatura aumenta, la actividad molecular también aumenta. Se puede mostrar que la velocidad media o promedio de las moléculas aumenta conforme aumenta la temperatura, como ejemplo; que las moléculas de vapor de agua a una elevada temperatura podrían tener una velocidad relativamente alta. Como la temperatura del vapor de agua disminuye, la velocidad molecular también decrece. A lo largo del proceso de enfriamiento la velocidad molecular disminuye.

La temperatura de un sistema es una propiedad termodinámica, y como tal, su valor puede medirse. Una forma de medir la temperatura de una sustancia es compararla a otra cantidad de más fácil medición, tal como la longitud de una columna de mercurio que es puesta en contacto con la sustancia y se deja que alcance el equilibrio térmico.

Calor

En la ausencia de flujo de masa a través de los límites de un sistema, la energía puede transportarse atravesando los límites en dos formas diferentes: calor y trabajo. La energía transportada a través de un límite como resultado de una diferencia de temperatura entre un sistema y sus alrededores se llama calor.

El calor puede transferirse en tres formas distintas: conducción, convección y radiación. La conducción se presenta en principio entre sólidos, la convección entre fluidos, mientras que la radiación es un fenómeno de ondas electromagnéticas en que la energía puede transportarse a través de sustancias transparentes y aun a través de un vacío. Mientras que las tres formas son diferentes, tienen un factor en común: las tres formas ocurren a través del área de la superficie de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. La velocidad de la transferencia de calor aumenta como la diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores aumenta y se aproxima a cero conforme ésta se aproxima a cero. Otro factor además de la diferencia de temperatura afecta la velocidad de transferencia de calor. Uno de estos factores es la resistencia térmica en todos los límites. Justo como la resistencia eléctrica es una medida

de cómo un material resistirá el flujo de una corriente eléctrica cuando un voltaje se mantiene a través del material, la resistencia térmica relaciona el flujo del calor con la diferencia de temperatura a través del material.

Las sustancias que tiene un alto valor de resistencia térmica se clasifican como aislantes térmicos, mientras que los materiales que tienen un bajo valor de resistencia térmica se les llama buenos conductores de calor. Cuando no existe transferencia de calor sobre los límites de un sistema, se dice que éste desarrolla un proceso adiabático. Un proceso adiabático no implica que un proceso sea isotérmico, ni un proceso isotérmico implica que el proceso sea adiabático.

Trabajo

En termodinámica el trabajo se define como la transferencia de energía a través de los límites de un sistema que es equivalente a una fuerza actuando a lo largo de una distancia. Al trabajo se le asigna el símbolo W, y la convención de signos considera el trabajo hecho por el sistema como positivo y el realizado sobre el sistema como negativo. La convención de signos usada para el trabajo es opuesta a la usada para la transferencia de calor en la que una transferencia de calor positiva indica energía entrando al sistema, mientras que un valor positivo para el trabajo indica energía saliendo del sistema.

Potencia

La potencia se define como el trabajo por unidad de tiempo cruzando los límites. El símbolo para la potencia es W, donde el punto sobre la letra se usa para significar una cantidad de velocidad: W= dw/dt