Termodinámica

Sistema termodinámicoo S. Cerradoo S. Abiertoo S. Aislado

Propiedades de un sistemao Propiedades intensivaso Propiedades extensivaso Propiedades especificas

Estado y Equilibrioo Estadoo Equilibrio

Equilibrio termodinámicoo E. térmicoo E. mecánicoo E. químico

Postulado de estado Procesos y ciclos

o Trayectoria de procesoo Expansióno Compresióno Proceso isotérmicoo Proceso isobáricoo Proceso isocorico

Formas de energíao Macroscópicaso Microscópicas

Presióno Unidades

Variación de la presión con la profundidad

Instrumentos para medir la presióno Manómetroo Barómetro

Temperatura y ley cero Propiedades sustancia pura

o Fases de las sustancias puras

o Procesos de cambio de fase de una sustancia pura

Temperatura de saturación y presión de saturación

Diagramas de faseso Diagrama T-vo Diagrama P-vo Diagrama P-T

Regla de la palanca Ecuación de estado de gas ideal

TERMODINAMICA

Se puede definir como la ciencia de la energía, en la actualidad el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones incluidas la generación de potencia, refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

Termodinámica clásica: enfoque macroscópico, no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partículas.

Termodinámica estadística: enfoque microscópico, basado en comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales.

SISTEMA TERMODINAMICO

Sistema: una cantidad de materia o una región en el espacio para análisisEntorno: masa o región fuera del sistemaFrontera: superficie real o imaginaria que separa al sistema de su entorno

Sistema Cerrado (Masa de control): permite la entrada y salida de energía, la masa es constante y el volumen puede variar

Sistema Abierto (Volumen de control): permite que tanto la masa como la energía cruce la frontera.

Sistema aislado: no permite la entrada y salida de energía ni de materia

PROPIEDADES DE UN SISTEMA

Propiedades intensivas: independientes de la masa(temperatura, punto de ebullición, punto de fusión, densidad)

Propiedades extensivas: dependen del tamaño o extensión del sistema(masa total, volumen total, cantidad de movimiento total)

Propiedades especificas: propiedades extensivas por unidad de masa (volumen especifico, densidad especifica)

Estado y Equilibrio

Estado: Conjunto de propiedades que describen por completa al sistema

Equilibrio: Estado de balance no hay potenciales desbalanceados o fuerzas impulsoras del sistema

Equilibrio TermodinámicoLa termodinámica trata con estados en equilibrio, un sistema no se encuentra en equilibrio termodinámico a menos que se satisfagan las condiciones de todos los tipos necesarios de equilibrio.

Equilibrio Térmico: el sistema tiene la misma temperatura en todo él

Equilibrio Mecánico: se relaciona con la presión y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambios de presión en alguno de sus puntos

Equilibrio Químico: si su composición química no cambia con el tiempo

POSTULADO DE ESTADO

El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes

PROCESOS Y CICLOS

Proceso: es cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema

Trayectoria del proceso: serie de estados por lo que pasa un sistema durante un proceso.

Expansión: es cuando la fuerza interna de un sistema es mayor que la fuerza externa y genera un aumento de volumen.

o Libre: fuerza interna mucho mayor a la fuerza externa sus estados intermedio no están en equilibrio

o Resistida: fuerza externa es aproximadamente igual a la fuerza interna, por lo tanto sus estados intermedios están en equilibrio

Compresión: cuando la fuerza externa es mayor a la fuerza interna por lo que ocurre una disminución del volumen

Proceso isotérmico: proceso a temperatura constante

Proceso isobárico: proceso a presión constante

Proceso isocorico: proceso a volumen constante

FORMAS DE ENERGIA

La energía puede existir de varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, química, eléctrica, magnética y nuclear cuya sumatoria conforma la energía total del sistema

Macroscópicas: son las que posee un sistema como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior

o E. Cinética: energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia

EC=12mv2KJ

ec=12v2EC por unidad demasa

o E. Potencial: energía que posee un sistema como resultado de su elevación en un campo gravitacionalEP=mgz KJep=gz energía potencial por unidad de masa KJ/KG

Microscópicas: son las que se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular y son independientes de marcos de referencia externos

o E. Internas: energía rotacional, traslacional y vibracional

o E. latente: es la energía interna relacionada con el cambio de fase

o E. Química: energía interna relacionada con los enlaces atómicos en una molécula

o E. nuclear: energía relacionada con los fuertes enlaces dentro del núcleo del átomo

PRESIÓN

Se define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Se habla de presión solo cuando se trata de gas o liquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal

Unidades : la unidad de la presión es el N/m2 también conocido como Pascal (Pa), otras unidades de presión de uso extendido son bar, atmosfera estándar, kilogramo fuerza/centímetro cuadrado y libra fuerza/pulgada cuadrada (psi)

1 bar = 105Pa =0,1MPa = 100KPa1atm=101325Pa=101,325KPa =1,01325bars

1Kgf/cm2=9,807N/cm2

9,807x104N/m2=9,807x104Pa=0.9807bar= 0,9679atm1atm=14,696psi1Kgf/cm2=14,233psi

La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta y se mide respecto al vacio absoluto (es decir presión cero absoluta). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero en la atmosfera por lo que indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local; este diferencia es la presión manométrica. Las presiones por debajo de la atmosférica conocen compresiones de vacío y se miden mediante medidores de vacío que indican la diferencia entre las presiones atmosféricas y absolutasPmanometrica= Pabs – PatmPvacio=Patm – Pabs

Variación de la presión con la profundidad

Es de esperar que la presión en un fluido en reposo no cambie en la dirección horizontal. Esto se comprueba fácilmente al considerar una delgada capa horizontal de fluido y hacer un balance de fuerzas en cualquier dirección, horizontalmente. Sin embargo en dirección vertical este no es el caso en un campo de gravedad. La presión de un fluido se incrementa con la profundidad debido a que una mayor cantidad de este descansa sobre las capas más profundas y el efecto de este peso extra en una capa inferior se equilibra mediante un aumento de presión.

dP=ᵨghSi se considera el punto uno sobre la superficie libre de un liquido abierto a la atmosfera donde la presión es la presión atmosférica Patm, entonces la presión a una profundidad h desde la superficie se convierte en:

P=Patm+ᵨgh o Pmanometrica= ᵨgh

Instrumentos para medir presióno Manómetro: comúnmente

se usa para medir diferencias de presiones pequeñas y moderadas. Consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno o más fluidos como alcohol, agua, mercurio.

Puesto que los efectos de gravitacionales de gases son insignificantes, la presión en cualquier parte del recipiente y en el punto 1 tiene el mismo valor. Además dado que la presión de un fluido no varía dentro de este en dirección horizontal la presión en el punto 2 es igual a la del punto 1. La columna diferencial de fluido de altura h esta en equilibrio estático y se halla abierta a la atmosfera por lo tanto la presión en el punto (p) se determina de forma directa como:P=Patm+ᵨgh

o Barómetro: la presión atmosférica se mide mediante este dispositivo a este presión suele llamarse presión barométrica. La presión atmosférica puede medirse invirtiendo un tubo lleno de mercurio en un recipiente con mercurio abierto a la atmosfera.

La presión en el punto B es igual a la presión atmosférica y la presión en C se puede considerar 0 puesto que solo hay vapor de mercurio arriba del punto C y la presión es muy baja en relación con la Patm

lo que permite ignorarla. El escribir un balance de fuerzas en la dirección vertical se obtiene:Patm= ᵨgh

Ejemplos de presión1) ¿Qué presión manométrica debe

producir una bomba para subir agua del fondo del Gran Cañón (elevación 730 m) a Indian Gardens (elevación 1370 m)? Exprese sus resultados en pascales

1370 m− 730 m = 640 m = hPmanometrica= ᵨgh= (1.00×103 Kg/m3) (9.80 m/s2) (640 m) = 6.27×106 Pa

2) Hay una profundidad máxima a la que Un buzo puede respirar por un “snorkel” pues, al aumentar la profundidad, aumenta la diferencia de presión que tiende a colapsar los pulmones del buzo. Como el snorkel conecta los pulmones con la atmósfera, la presión en ellos es la atmosférica. Calcule la diferencia de presión interna-externa cuando los

pulmones del buzo están a 6.1 m de profundidad.

P = p + ρ gh.ρ =1.00×103 kg/m3 .∆P = ρgh = (1.00×103 kg/m3) (9.80 m/s2) (6.1 m) = 6.0×10 Pa.

TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINAMICA

Ley cero de la termodinámica: Establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Si el tercer cuerpo se sustituye por termómetro la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.

Escalas de temperatura: estas escalas permiten usar una base común para las mediciones de temperatura. A través de la historia se han introducido varias y todas se basan en ciertos estados fácilmente reproducibles como los puntos de congelamiento y ebullición del agua, llamados también punto de hielo y punto de vapor respectivamente

o SI(sistema ingles) Escala Celsius (oC) Escala

Fahrenheit(oF)o Escala de temperatura

termodinámica: Escala de temperatura independiente de las propiedades de cualquier sustancia

Escala kelvin (K) Rankine(R)

o Relación entre las escalas

T(K)=T(OC) +273 T(R)=T(OF) +459 T(R)=1,8T(K) T(OF)=1,8T(OC)+32

Ejercicios Temperatura1) La temperatura en el interior del

organismo de una persona saludable es 37oC. ¿Cuánto es en kelvin?

T (K)=T(OC) +273T (k)=37oC+273=310K

2) la temperatura del aceite lubricante de un motor de automóvil resulta ser de 150oF. ¿Que temperatura tiene este aceite en oC?

T (OF) =1, 8T (OC) +32T (oC) = (T (OF)-32)/1, 8T (oC) = (150OF-32)/1, 8=65, 5

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Sustancia pura: es una sustancia que tiene una composición fija en cualquier parte (H2O, N2, CO2). Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico. Una mezcla de varios de estos también califica como sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea.

Fases de una sustancia purao Solido: las moléculas están

dispuestas en un patrón tridimensional que se repite por todo el sólido. A causa de las pequeñas distancias intermoleculares existentes en un sólido, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen en posiciones fijas.

o Liquido: las moléculas no están en posiciones fijas entre si y pueden girar y trasladarse libremente. Las fuerzas intermoleculares son más débiles que en los sólidos pero su fuerza es mayor comparada con la de los gases

o Gas: las moléculas están bastante apartadas no hay un orden molecular, se mueven al azar con colisiones continuas entre si y contra las paredes del recipiente que lo contiene

Disposición de los átomos en diferentes fases: a) las moléculas están en posiciones relativamente fijas en un sólido, b) grupos de moléculas se apartan entre sí en la fase

liquida y c) las moléculas al azar en la fase gaseosa

Procesos de cambio de fase de una sustancia pura

o Liquido comprimido: liquido que no está a punto de evaporarse

o Liquido saturado: punto en el que el agua todavía permanece liquida, pero cualquier adición de calor hace que se evaporice algo de agua; es decir está a punto de tener lugar un proceso de cambio de fase de liquido a vapor

o Vapor saturado: vapor que cuan cualquier perdida en la cantidad de calor se condensa

o Mezcla saturada: es donde se da el equilibrio de fases

o Vapor sobrecalentado: vapor que no está a punto de condensarse

TEMPERATURA DE SATURACION Y PERSION DE SATURACION

A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura comienza a cambiar de fase se llama temperatura de saturación. Del mismo modo a una temperatura determinada la presión a la cual una sustancia pura

cambia de fase se llama presión de saturaciónLas tablas de saturación que listan la presión de saturación contra la temperatura o temperatura de saturación contra la presión están disponibles prácticamente para todas las sustancias

Presión de saturación(ebullición) del agua a distintas temperaturasTemperatura (T,C)

Presión de saturación (Psat,KPa)

-10-50510152025304050100150200250300

0.260.40.610.871.231.712.343.174.257.3912.35101.4476.2155539768588

DIAGRAMA DE FASES

Diagrama T-v

Proceso de cambio de fase a presión constante de una sustancia pura a diferentes Presiones (los valores numéricos son para el agua)

Para el caso del agua, a medida que la presión aumenta esta línea de saturación se acorta y se convierte en un punto, este punto se llama punto crítico y se define como el punto en el que los estados de líquido saturado y vapor saturado son idénticos

Diagrama P-vLa forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar a,

la del diagrama T-v, pero líneas de T constantes en este diagrama presentan una tendencia hacia abajo

Diagrama P-TEl cual se conoce como diagrama de fases porque las tres fases están separadas entre sí por tres líneas: la de sublimación separa las regiones solidas y de vapor, la de evaporación divide las regiones liquida y de vapor y la de fusión separa las regiones solida de la liquida. Estas tres líneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La línea de evaporización termina en el punto crítico porque arriba de este no es posible distinguir las fases liquida y de vapor. Las sustancias que se expanden o se contraen al congelarse solo difieren en la línea de fusión

REGLA DE LA PALANCA

La regla de la palanca permite conocer la composición química de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas

Xa= (C-B)/ (C-A)*100Xb= (B-A)/ (C-A)*100

ECUACION DE ESTADO DE GAS IDEAL

Las tablas proporcionan información my exacta acerca de las propiedades pero son voluminosas y vulnerables a errores tipográficos. Un enfoque más práctico y deseable sería tener entre las propiedades algunas relaciones simples que sean suficientemente generales y precisas.Cualquier ecuación que relacione, la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se denomina ecuación de estado. Hay varias ecuaciones de estado algunas simples otras muy complejas; la más sencilla y más conocida para sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado de gas ideal, la cual predice el comportamiento P, v, T de un gas con bastante exactitud, dentro de

cierta región elegida adecuadamente.Las palabras gas y vapora menudo se usan como sinónimos y comúnmente a la fase de vapor de una sustancia se le llama gas cuando su temperatura es más alta que la temperatura critica.

Pv=RTn

P=presión absolutav=volumen especificoR=constante universal de los gasesT=temperatura absolutan=numero de moles

R=8,31447kg/kmol.K R=8,311447kPam3/kmolK R=0,0831447barm3/kmolK R=0,082atmoL/molK R=8,2x10-5atmm3/molK

Masa molar (M) :se define como la masa de un mol de una sustancia en gramos

M=masa atómica x numero de moles

Ejemplo ecuación de estado de gas ideal

1) determine el número de moles del aire en una habitación cuyas

dimensiones son 4x5x6 m a 100kPa y 25oC

Pv=RTnn=Pv/RT

v=4x5x6=120m3

R=8,31447kPam3/kmolKT=25C+273K=298KP=100kPa

n= (100kPa) (120m3)/ (8,31447kPam3/kmolK) (298K)=4,83kmol