Termodinámica Unidad 1

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TERMODINMICA

Docente a cargo: Ing. Nayadeth Ibacache M.

[email protected]

Primer Semestre 2015

Departamento de Ingeniera Mecnica

Universidad De La Frontera

Clases Terico + Prctico

Terico 70% Prctico 30%

Control 1: Unidad 1 15%

Control 2 Unidades 2 y 3 20%



Talleres y otros 10%

Control escrito 1:

Control escrito 2

Informes de actividades

programadas

Asistencia 100%

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TERMODINMICA

Unidad 1: Conceptos bsicos de Termodinmica

Unidad 2 Calor y Trabajo

Unidad 3 1 Ley de la Termodinmica y sus aplicaciones

Unidad 4 Propiedades de las sustancias puras

Unidad 5 2 ley de la termodinmica

Unidad 6 Ciclos de Potencia

Unidad 7 Mezclas no reactivas

Contenidos:

TERMODINMICALa ctedra y el Laboratorio se aprueban por separado

Nota de aprobacin 4.0

Con nota de reprobacin 3,6 o superior los estudiantes tienen derecho a examen en las

fechas establecidas en elcalendario acadmico

Est prohibido el uso de celulares en el horario de clase y en las pruebas

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UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica

1.1 Antecedentes Histricos

1.2 Relacin de la termodinmica con otras disciplinas

1.3 Sistemas y su clasificaciones

1.4 Conceptos: Sustancias, Trabajo, Fase, Constituyente, Estado,

Proceso y Ciclos

1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones

1.6 Relaciones funcionales en sustancias ideales, reales

1.7 Ecuaciones de estado en: modelo de gas perfecto

1.8 Ecuaciones de estado en: modelo de gas Vander Waals

1.9 Factor de compresibilidad y principios de los estados

correspondientes


Qu estudia la Termodinmica?

La relacin entre el calor y el trabajo, tratando los fenmenos fsicos desdeel punto de vista de los cambios energticos.

Estudia los sistemas desde el punto de vista macroscpico, en funcin depropiedades fsicas observables y medibles.

La termodinmica encuentra su base en la observacin experimental.


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Galileo 1564-1642

Termmetro de cristal, basado en el principio fsico de que la densidad de un lquido cambia segn la temperatura.


Gabriel Fahrenheit (1686-1736)Creador del termmetro de alcohol y mercurio . Propuso la primera escala de temperatura que lleva su nombre. Punto de fusin del hielo 32F, Punto de ebullicin del agua 212F.


Andres Celsius 1701-1744

Formulo la escala centgrada. El punto de congelacin es 0 grados (0 C) y el punto de ebullicin es de 100 C.


KelvinFormulo la escala de temperatura absoluta, tiene su cero a una temperatura de -273, 15C.

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Jean Baptiste Joseph Fourier(1768-1830)

Fourier estudi la teora matemtica de la transferencia de calor por Conduccin.


Pierre Laplace (1749-1827)determin el calor especfico de varias sustancias. Sugiri que la transferencia de calor se deba al movimiento de molculas en la materia.


Jean Marie Constant Duhamel(1797-1872)El principio de Duhamel trata sobre la distribucin del calor enun slido con una condiciones decontorno variables.


Ernst Schmidt (1892-1975) Es uno de los propulsoresdel desarrollo de las tablasde magnitudes trmicas delvapor de agua.

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Principios de la termodinmica

Temperatura y Ley 0: Define el equilibrio trmico y la temperatura


Tercer Principio Nerst: Fija un lmite de la temperatura termodinmica y de la entropa.

Segundo Principio. Carnot (1824): Direccin segn la cual tienen lugarlos procesos termodinmicos.

Clausius (1865): Introduce el concepto de entropa. Establece el primer y segundo principio de la entropa:

1.La energa del universo es constante2.La entropa del Universo tiende a un mximo

Primer Principio - Joule (1843) : Equivalencia entre calor y trabajo, Conservacin de la energa.


1.2 Relacin de la termodinmica con otras disciplinas

Qumica: Prediccin del sentido de las reacciones, equilibrios entre otros

Meteorologa: Humedad, enfriamientos isobricos, punto de roco, punto de escarcha, saturacin del aire, entre otras.

Electromagnetismo. Pilas, termopares, transformacin de la Ec .de las cargas elctricas en calor.

Mecnica- Ingeniera: propagacin de ondas sonoras, refrigeracin, turbinas, motores

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Un sistema termodinmico sedefine como una cantidad demateria fija sobre la cual se enfocala atencin para su estudio, a estase le denomina sistema.

Cualquier cosa externa al sistema esel espacio exterior o entorno y elsistema est separado del entornopor los lmites del sistema ofronteras.

Tipos de Sistemas



Cerrado:

Intercambia solo energa

Aislado:

No intercambia energa y materia

Abierto:

Intercambia energa y materia

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Qu separa el sistema de los alrededores?

Paredes

Rgida

Mvil

Adiabtica

Diatrmicas

Permeable

Impermeable

Semipermeable

UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.4 Conceptos: Sustancias, Fase, Constituyente, Estado,

Proceso y Ciclos

Sustancia consistente en una sola especie qumica, sea un elemento o compuesto qumico y se le denomina sustancias puras, estas poseen propiedades caractersticas.

Fase es la forma homognea enque se presenta una sustancia.La coexistencia de una o masfases se denomina interface, lacual es posible en condicionesde equilibrio, estas seencuentran separadas una deotra, por los lmites de fase.

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Proceso y Ciclos

Estados: Se identifica o se describe por ciertas propiedadestermodinmicas observables y cuantificables llamadas variablestermodinmicas. Cuando las propiedades del sistema cambien, sedir que ha ocurrido un cambio de estado.

Constituyente : Es el nmero de componentes del sistemaqumicamente distintos los cuales pueden sufrir variacionesindependientes en las diferentes fases.

Estado de equilibrio: es aqul en el que las propiedadesmacroscpicas del sistema, temperatura, densidad, composicinqumica, etc., estn bien definidas y no varan.

Ejemplo: un sistema est en equilibrio trmico con el medio ambiente cuando no hay flujo de calor entre ambas partes


Proceso y Ciclos

Procesos : Sucesin de estadospor los que pasa el sistema de unestado de equilibrio a otro.

Procesos de cuasiequilibrio: Es aquel en que la desviacindel equilibrio termodinmico es infinitesimal, y todo losestados por los que pasa el sistema durante un proceso decuasiequilibrio pueden considerarse como estados enequilibrio.

Trayectoria del proceso: Camino quesigue el sistema cuando su estado y laspropiedades termodinmicas cambiancon el tiempo.

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Proceso y Ciclos

Ciclo:Es cuando un sistema en unestado inicial dado, pasa porvarios cambios o procesos yfinalmente vuelve a su estadoinicial. Por lo tanto al terminarel ciclo, todas las propiedadestermodinmicas poseen elmismo valor que al principio.



Las propiedades termodinmicas de un sistema se encuentran en funcin de los estados. Estas propiedades poseen cierto valor definido para cada estado y es independiente de la forma en que se alcanza dicho estado

Ejemplos de propiedades termodinmicas son:Temperatura, Presin, Volumen, Energa interna, Entalpa, etc.

Variable = Funcin de Estadotermodinmica

= Propiedad Termodinmica

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ExtensivasIntensivas

Tipos de Propiedadestermodinmicas

No dependen de la cantidadde materia del sistema

No son aditivas

Ej: T, P,

Dependen de la cantidadde materia del sistema

Son aditivas

Ej: m, V

UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones

Propiedades termomtricas y termmetros

La temperatura es una propiedad muy importante en latermodinmica, y su valor puede obtenerse por la medidaindirecta con instrumentos calibrados. Esto quiere decir que latemperatura se obtiene midiendo alguna propiedad deltermmetro dependiente de la temperatura. Esta propiedadrecibe el nombre de propiedad termomtrica.

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Las propiedades de los materiales empleados en los dispositivo demedida de temperatura incluyen:

1. Volumen de lquido y slido (termmetro de vidrio)2. Presin de gases a volumen constante (termmetro de gas)3. Resistencia elctrica de slidos (sensores de resistencia

elctrica)4. Fuerza electromotriz de dos slidos distintos (termopar o

termocupla)5. Intensidad de radiacin (pirmetros pticos)



Si el termmetro es puesto en contacto con un sistema del cualdebe medirse su temperatura T, esta temperatura que ser comnpara el termmetro y para todos los sistemas en equilibrio trmicocon l, viene dada por:

Donde a = 273.16 K / Xpt

Xpt, corresponde al valor de la propiedad termomtrica a la temperatura del punto triple. X, corresponde al valor de la propiedad termomtrica a la temperatura del sistema

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Ejercicio:

Un termmetro de gas a volumen constante que contiene nitrgenose pone en contacto con un sistema de temperatura desconocida ya continuacin en contacto con un sistema que se mantiene en elpunto triple del agua. La columna de mercurio sujeta al dispositivomarca 59,2 y 2,28 cm para los dos sistemas, respectivamente. Si lapresin baromtrica es 960 mbar (96,0 kPa), la densidad delmercurio es 13,600 kg/m^3, y g =9,807 m/s^2, hllese latemperatura desconocida en Kelvin.



Desde el punto de vista estructural, los gases son las sustancias ms simplesde la naturaleza. La teora cintica de los gases suministra una excelenterelacin entre la teora experimento en fsica.

La teora cintico-molecular nos ayuda a visualizar lo que sucede con las partculas del gas cuando cambian las condiciones experimentales como

la presin y la temperatura.

Si el gas consta de numerosas partculas en movimiento, talmovimiento debe ser completamente catico o al azar, con unaamplia gama de velocidades, algunas rpida, otras lentas.

Cualquier irregularidad en la pared de la caja desviar la partcula desu trayectoria; la colisin de esta partcula desviada con otra desviaraa esta segunda, y as sucesivamente.

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-Por qu se expande un gas cuando se calienta a presin

constante?

-Por qu aumenta su presin cuando el gas se comprime a

temperatura constante?


1.6 Ecuaciones de estado en: modelo de gas perfectoModelo molecular de un gas ideal

Para la creacin del modelo se hacen las siguientes suposiciones:

1.-El nmero de molculas en el gas es grande, y el promedio de separacin entre ellas es grande en comparacin a sus dimensiones.2.- Las molculas obedecen las leyes de Newton del movimiento, pero en su conjunto se mueven aleatoriamente. 3.- Las molculas interactan slo por fuerzas de corto alcance durante colisiones elsticas.4.- Las molculas hacen colisiones elsticas con las paredes5.- El gas bajo consideraciones es una sustancia pura ; esto es, todas las molculas son idnticas.

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Cualquier ecuacin que relacione estos tres parmetros (P, T y V) para un gas se denomina ecuacin de estado (como se observa, siempre hay dos variables independientes y otra dependiente).

P = es la presin absoluta del sistema, V =el volumen del sistema, n =el nmero del moles del gas, T = la temperatura en escalas absolutas R =una constante denominada constante de los gases ideales.


1.7 Ecuaciones de estado en: modelo de gas Vander Waals

Una ecuacin de estado que sigui a la ecuacin de estado para gases ideales, es la de Van Der Waals y fue establecida basndose en

consideraciones tericas. Esta ecuacin se presenta de la siguiente forma:

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UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.8 Factor de compresibilidad y principios de los

estados correspondientesLa relacin adimencional de Pv/RT se llama Factor deCompresibilidad y se representa por Z .

Z=Pv/RT

Este factor puede representarse en funcin de la presinreducida Pr y de la temperatura reducida Tr, estas sondefinidas de la siguiente forma:

Pr = P/Pc y Tr = T/Tc

El volumen especfico pseudorreducido se define como:

vr= vPc/RTc

Grfica del Factor generalizado de compresibilidad

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Una cantidad fija de vapor de agua, inicialmente a 20 MPa y 520C, se enfra en un proceso isocrico hasta que su temperatura alcanza los 400C. Usando la grfica de compresibilidad determine:

El volumen especfico del vapor de agua en el estado inicial, en m^3/kg.

La presin en MPa en el estado final. Identifique el tipo de sistema Realice un grfico P-v

Considere Tc=647,3 K y Pc = 22,09 MPa para el agua. R=0,4615 (KJ/kg K)

UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.8 Factor de compresibilidad y principios de los

estados correspondientes

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