Lic. Fernando Salazar Espinoza

CICLO 2015-2 Módulo: IUnidad: Semana: 01

TERMODINAMICA

INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS YDEFINICIONES

INTRODUCCIÓN. CONCEPTOS YDEFINICIONES

En este primer capítulo, tras una breve introducción histórica, se definen algunos conceptos que se emplearán durante todo el curso (sistema, propiedad, estado y proceso); y se presentan las tres variables más importantes: presión, volumen y temperatura.

CONCEPTO DE LA TERMODINÁMICACONCEPTO DE LA TERMODINÁMICA

La ENERGÍA, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la Termodinámica.

La TERMODINÁMICA es la Ciencia que estudia la conversión de unas formas de energías en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo.La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios:• Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.• Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa.• Segundo Principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida de la dirección de los procesos.• Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura.

SISTEMA, PARED, ENTORNO, UNIVERSOSISTEMA, PARED, ENTORNO, UNIVERSO

Sistema es una porción del universo objeto de estudio. Un sistema es una región restringida, no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía.

Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o límites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios.

El universo es todo lo accesible a nuestro experimento. Para el termodinámico, el universo está formado por el sistema examinado y su entorno con el que es capaz de interaccionar en su evolución:

Por convenio, el universo para el termodinámico es un sistema aislado.

Tipos de sistemasTipos de sistemasLos sistemas se clasifican según:

Sistema abierto o volumen de control: Aquel sistema en el que hay intercambio de masa y de energía.

Sistema aislado: Aquel sistema en el que no hay intercambio de masa ni de energía.

Rígido: no permiten el cambio de volumen.

Adiabático: una pared adiabática es aquella que sólo permite interacciones en forma de trabajo entre el sistema y su entorno.

Sistema cerrado: Aquel sistema en el que no hay intercambio de masa pero si de energía.

Propiedades extensivas e intensivasPropiedades extensivas e intensivas

Propiedades extensivas: Son aquellas que dependen de la masa del sistema, por ejemplo el volumen, y todas las clases de energía.

Propiedades intensivas: Se definen en un punto. Son independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema: por ejemplo la presión, temperatura, viscosidad y altura.

Las propiedades extensivas se convierten en intensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad).

Energía (variable extensiva, aditiva):

• Energía específica (energía por unidad de masa)• Energía molar (energía por unidad de moles)• Densidad de energía (energía por unidad de volumen)

ESTADO TERMODINÁMICO. EQUILIBRIOESTADO TERMODINÁMICO. EQUILIBRIO

Estado de Equilibrio: un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades. Para comprobar si un sistema está en equilibrio habría que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por sí solo.

Cuando se produce una variación de una o de varias o de todas las propiedades del sistema, se dice que se da un cambio de estado o proceso.

PROCESOUn sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado. Un cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos.Proceso cíclico: El estado final coincide con el inicial.

Proceso no estático: Cuando no cumple las condiciones anteriores. Son los procesos de igualación

Proceso Cuasiestático: Todos los estados intermedios del proceso son estados de equilibrio. Este proceso realmente no existe, es ideal o teórico. Puede aproximarse cuando varía en cantidades cada vez más pequeñas.

Proceso reversible: Es un proceso cuasiestático, que puede ser llevado de nuevo al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios que el proceso directo, y sin que al final, ni en el sistema ni en el medio rodeante, quede ningún efecto residual que pueda revelar que se ha verificado el proceso.Proceso irreversible: Son los procesos reales. En ellos siempre habrá degradación de energía y generación de entropía. Pueden ser de dos tipos:a)Cuando se verifiquen por cambios no estáticos (procesos de igualación), tengan o no efectos disipativos.

b) Cuando haya efectos disipativos, aunque se verifiquen a través de cambios cuasiestáticos.

La termodinámica trata con estados de equilibrio, donde las propiedades son constantes en todo punto del sistema.

Equilibrio Térmico: ΔT = 0

Equilibrio Mecánico: ΔP = 0

Proceso Termodinámico:

Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso.

Considerando la ecuación de gases ideales:

Consideramos los siguientes procesos:

Proceso Isotérmico

Proceso Isocoro

Proceso Isobárico:

Proceso Adiabático:

Ciclo termodinámico:

Se dice que un sistema a experimentado un ciclo si regresa a su estado inicial al final del proceso, es decir, para un ciclo los estados inicial y final son los idénticos.

Equilibrio térmico

El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico uno con otro dejan de tener cualquier intercambio de calor.

A B

Ley cero de la termodinámicaSi los objetos A y B por separado están en equilibrio térmico con un tercer objeto, C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí si se ponen en contacto térmico.

A B

C

Temperatura empírica. Termómetros. Temperatura absoluta

Un termómetro es un instrumento destinado a medir temperatura mediante el cambio de una magnitud.Existen dos tipos de termómetros:•Termómetros de dilatación.Los termómetros de dilatación operan por el aumento de volumen que siempre acompaña al aumento de temperatura. •Termómetros de resistencia.Los termómetros de resistencia operan midiendo la variación de resistencia eléctrica que produce la variación de temperatura.

Escalas de temperatura

Relación entre las Escalas Termométricas

Ejemplo 1. Cálculo de una temperatura en distintas escalas.Mi primo está destacado en una base en la Antártida. Me escribe una carta en la que me dice que en ese momento se rompió la calefacción y el termómetro Fahrenheit marca la misma temperatura ambiente que el termómetro de la escala centígrada. ¿Qué temperatura es?.

Temperatura EmpíricaTemperatura empírica es aquella propiedad cuyo valor es el mismo para todos los sistemas que están en equilibrio térmico entre sí.La formulación del Principio Cero es:

F(xA, yA, xC, yC) = 0 F(xB, yB, xC, yC) = 0

⇔ F(xA, yA, xB, yB) = 0 es decir, el equilibrio térmico entre A y B puede establecerse a través del equilibrio térmico con un sistema intermediario C llamado termómetro.

EJEMPLO 1:

EJEMPLO 2:

LA ENERGÍA Y TRANSFERENCIA DE

ENERGIA

ENERGIA Y TRANSFERENCIA DE ENERGIAENERGIA Y TRANSFERENCIA DE ENERGIA

La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.

FORMAS DE LA ENERGÍALa Energía puede manifestarse de diferentes

maneras: en forma de movimiento (cinética), de posición (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnéticas, etc. Según sea el proceso, la energía se denomina:

Energía térmica Energía eléctricaEnergía radianteEnergía químicaEnergía nuclear

CLASES DE ENERGIA

La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica,

magnética, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema, la cual se

denota por unidad de masa mediante e y se expresa como:

Energía interna :

Es la suma de todas las energías

que se relacionan con la estructura molecular

de un sistema y el grado de la actividad

molecular, independiente del marco de

referencia externo.

Energía cinética EC: Es la energía que

posee un sistema como resultado de su

movimiento en relación con cierto marco de

referencia. Cuando todas las partes de un

sistema se mueven con la misma velocidad,

la energía cinética se expresa como:

O bien por unidad de masa:

Energía potencial EP: Es la energía que

posee un sistema como resultado de su

elevación en un campo gravitacional.

Se expresa como:

O bien por unidad de masa:

Energía total: Los efectos magnético, eléctrico

y de tensión superficial son significativos en

casos especiales y en general se ignoran. En

ausencia de esta clase de efectos la energía

total de un sistema esta dado por:

O bien por unidad de masa,

Los volúmenes de control en general tienen

que ver con el flujo de un fluido durante largos

periodos, y es conveniente expresar en forma

de tasa el flujo de energía relacionado con el

flujo de fluido.

Esto se consigue al incorporar el flujo

másico , que es la cantidad de masa que

fluye por una sección transversal por unidad

de tiempo; y se relaciona con el flujo

volumétrico Q, definido como el volumen

de un fluido que fluye por una sección

transversal por unidad de tiempo, mediante

Donde ρ es la densidad del fluido es

la velocidad del flujo promedio normal al

área transversal A

Entonces el flujo de energía, el flujo de

energía relacionado con el flujo másico es:

D

Energía mecánica: Se puede definir como

la forma de energía que se puede convertir

completamente en trabajo mecánico de

modo directo mediante un dispositivo

mecánico como una turbina ideal. La energía

térmica no es energía mecánica puesto que

no se puede convertir en trabajo de forma

completa y directa.

Por lo tanto, la energía mecánica de un

fluido en movimiento por unidad de masa es:

Donde es la energía de flujo.

También es posible expresarla por

unidad de tiempo:

Entonces el cambio de energía

mecánica de un fluido durante flujo

incompresible (ρ = constante) es:

y

Por lo tanto, la energía mecánica de un

fluido no cambia durante el flujo si su

presión, densidad, velocidad y altura

permanecen constantes.

Ejemplo 1: Un sitio evaluado para construir una granja eólica tiene vientos permanentes a una velocidad de 8.5m/s. Determine la energía eólica a) por unidad de masa b)para una masa de 10kg y c) para un flujo de 1 154kg/s de aire.

H = corriente calorífica (J/s)

A = área superficial (m2)

t = diferencia de temperatura

L = grosor del material

Conductividad térmica

t1 t2

t = t2 - t1

La conductividad térmica k de La conductividad térmica k de un material es una medida de un material es una medida de su habilidad para conducir su habilidad para conducir calor.calor.

QLk

A t

QLk

A t

Q kA t

HL

Q kA t

HL

Cms

JUnidades

Conductividades térmicasSustancia

Metales (a 25°C) Conductividad térmica (W/m °c)

Aluminio

Cobre

Oro

Hierro

Plomo

Plata

238

397

314

79.5

34.7

427

No metales (valores aproximados)

Asbestos

Concreto

Diamante

Vidrio

Hielo

Caucho

Agua

Madera

0.08

0.8

2300

0.8

2

0.2

0.6

0.08

Gases (a 20°C)

Aire

Helio

Hidrógeno

Nitrógeno

Oxígeno

0.0234

0.138

0.172

0.0234

0.0238

Ejemplo 1: La pared de una planta congeladora está compuesta de 8 cm de tablero de corcho y 12 cm de concreto sólido. La superficie interior está a -200C y la superficie exterior a +250C. ¿Cuál es la temperatura de la interfaz ti? ttii

252500CC-20-2000CC

HAHA

8 cm 12 cm8 cm 12 cm

Flujo Flujo estacionarestacionar

ioio

LA ENERGÍA Y EL PRIMER PRINCIPIO

En este sección, se definen cuidadosamente los términos trabajo, energía y calor. Se muestra que representan tres conceptos no intercambiables pero con una clara relación entre ellos. Se enuncia la Primera Ley de la Termodinámica para un sistema cerrado y se muestra cómo conduce a la ley de conservación de la energía.

TRABAJO EN SISTEMAS MECÁNICOSTRABAJO EN SISTEMAS MECÁNICOS

La Mecánica define el trabajo como el producto escalar de una fuerza por el desplazamiento de su punto de aplicación. Para un desplazamiento diferencial el trabajo vale.

TRABAJO EN SISTEMAS TERMODINAMICOS

TRABAJO EN SISTEMAS TERMODINAMICOS

Si el sistema sufre una expansión desde un estado inicial de volumen vi, hasta un estado final vf, el trabajo de expansión realizado por el sistema en la transformación de i a f será:

La termodinámica define el trabajo de la siguiente manera:

Regla de signosSi un sistema absorbe o cede calor, y asimismo, recibe o desarrolla trabajo, éstos deberán asociarse con un signo, el cual se elegirá según la siguiente convención:

Primer principio de la termodinámica

Corresponde al principio de conservación de la energía.

“La energía del universo no se puede crear ni destruir, sólo son posibles las transformaciones de un tipo de energía en otro”.

U = Q+W

U = Uf - Ui

U = cambio de U interna de un sistema Uf = U interna final Ui = U interna inicial Q = Trabajo

Q = ∆U-W

Primer principio de la termodinámica

U = Q+W Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha absorbido 2990 J y realiza un

trabajo de 4000 J sobre su entorno.∆U = Q+W

∆U = 2.990J +(-4000J)∆U =-1.010 J

El sistema ha disminuido su energía interna en 1.010 J.

1.Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha absorbido 5000 J y realiza un trabajo de 3000 J sobre su entorno.

EJERCICIOS

2.Calcular la variación de energía interna para un sistema que ha liberado 2.590 J y el trabajo es realizado por las fuerzas exteriores sobre el sistema, siendo el valor del trabajo 3.560 J.

GRACIAS