Termodinamica - Unidad 1

INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

UNIDAD I:

FUNDAMENTO TEORICO.

r e a: INGENIERIA MECANICA

P R E S E N T A:

Ing. Jess Gerardo Vega Rodrguez

COATZACOALCOS, VERACRUZ. AGOSTO 2012 - ENERO DEL 2013

A S I G N A T U R A :

- TERMODINAMICA -

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C O M P E T E N C I A E S P E C I F I C A A D E S A R R O L L A R:

Comprender los conceptos bsicos de la termodinmica; explicar el concepto de sustancia pura y sus propiedades.

A C T I V I D A D E S D E A P R E N D I Z A J E:

Investigar el concepto de energa y su importancia en el desarrollo tecnolgico. Investigar la definicin de termodinmica y el campo de aplicacin de esta disciplina. Elaborar un ensayo sobre termodinmica y energa.

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3


Investigar el significado de los siguientes conceptos, propiedades y sus aplicaciones: peso, masa, fuerza, trabajo, calor, densidad, peso especifico, volumen especfico, volumen molar, sistemas cerrados, abiertos y aislados, lmites o fronteras, entorno, masa de control, volumen de control, estado, equilibrio, proceso, proceso de flujo estable, fase trayectoria ,ciclo, propiedad termodinmica, propiedades extensivas, propiedades intensivas, propiedad especfica, presin, temperatura, estado y equilibrio termodinmico, procesos y ciclos, trayectoria, procesos de flujo estable y transitorio, leyes fundamentales de la termodinmica, energa y formas de energa. Elaborar trabajos escritos sobre temperatura y ley cero de la termodinmica.

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Investigar los diferentes tipos de dispositivos para medir la temperatura. Elaborar un trabajo escrito sobre presin: tipos, significado, medicin y aplicaciones. Discutir los principales aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos. Resolver problemas que involucren el concepto de presin y temperatura. Elaborar un resumen sobre diferentes sistemas de unidades. Resolver problemas de conversin de unidades. Aplicar la constante gc a la solucin de problemas.

T E M A R I O:

UNIDAD TEMA SUBTEMA

1 Fundamento terico.

1.1. Termodinmica y Energa. 1.2. Dimensiones y unidades. 1.3. Conceptos bsicos. 1.4. Propiedades. 1.5. Ley cero de la termodinmica. 1.6. El principio de conservacin de la masa. 1.7. Formas de energa. 1.8. Eficiencia en la conversin de energa. 1.9. Energa y ambiente. 1.10. Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos.

TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO.

I N T R O D U C C I O N.

La materia de Termodinmica provee la base para asignaturas de las reas de ciencias de la ingeniera e ingeniera aplicada, tales como: mecnica de fluidos, sistemas e instalaciones hidrulicas, mquinas de fluidos compresibles, mquinas de fluidos incompresibles, sistemas de generacin de energa, refrigeracin y aire acondicionado. Por ello, se inserta en la primera mitad de la trayectoria escolar, antes de cursar aqullas a las que da soporte. De manera particular, lo trabajado en esta asignatura se aplica en el estudio de los temas: ecuacin de conservacin de la energa, anlisis de procesos termodinmicos, mecanismos bsicos de transferencia de calor, intercambiadores de calor, acondicionamiento de aire y refrigeradores, turbinas de gas y de vapor, compresores, ventiladores, turbinas hidrulicas, bombas, entre otros.


Se organiza el temario en seis unidades, combinando los contenidos conceptuales de la asignatura con ejemplos y problemas de aplicacin en ingeniera de los procesos termodinmicos. En primera instancia se abordan los principios y conceptos fundamentales que darn sentido y clarificarn la importancia de la asignatura. El conocimiento de las propiedades termodinmicas y las formas de energa permitirn al alumno comprender mejor la relacin entre el medio ambiente y la energa, sensibilizndolo respecto al uso eficiente de la energa


1.1. TERMODINMICA Y ENERGA.


Desde los tiempos prehistricos, el hombre se encontr compartiendo su vida con los cuatro elementos que mucho ms tarde consideraba Aristteles las bases del Universo: la tierra, el agua, el aire y el fuego. Este ltimo comenz pronto a manejarlo, producirlo y utilizarlo.


FIGURA 1.1. LOS CUATRO ELEMENTOS.

Al principio slo para calentarse, despus para cambiar sus herramientas de piedra por metlicas, combinando as la combustin con la posibilidad de transformaciones de la materia, reacciones qumicas, lo cual hizo posible lentamente, la construccin de su vivienda, y de sus herramientas. Al principio slo manej, como ayuda a su esfuerzo muscular y al de los animales, la fuerza del viento y de las corrientes de agua, y tuvo que remontarse hasta hace unos trescientos aos, para crear la mquina que trajo en la historia la revolucin industrial.

TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO. FIGURA 1.2. EVOLUCION DE LAS HERRAMIENTAS.

La energa, palabra griega que significa fuerza en accin, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la disciplina de la Termodinmica que pretendemos estudiar. Sabemos que la materia posee energa tanto por su misma naturaleza, energa interna, como por su relacin con un medio externo referencial; as conocemos la energa potencial relacionada con la posicin en un campo externo, [gravitatorio, elctrico o magntico] y tambin la energa cintica relacionada con el movimiento de traslacin o de rotacin.


QUE ES LA ENERGA ?

FIGURA 1.3. AURORA BOREAL.

Estamos perfectamente familiarizados con los conceptos de energa trmica, mecnica, elctrica, lumnica, etc., y conocemos de sus posibles transferencias y tambin de sus transformaciones de unas formas en otras.


FIGURA 1.4. TRANSFORMACIONES DE ENERGIA.

Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de la conservacin de la energa, que establece que durante una interaccin, la energa puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energa permanece constante, por tanto, la energa no puede crearse ni destruirse.


FIGURA 1.3. LA ENERGIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE; SOLO SE TRANSFORMA.

FIGURA 1.4. CUALQUIER ACTIVIDAD EN LA NATURALEZA IMPLICA UNA INTERACCION ENTRE ENERGIA Y MATERIA; POR ELLO ES DIFICIL IMAGINAR UN AREA QUE NO SE RELACIONE CON LA TERMODINAMICA EN ALGUN ASPECTO.


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QUE ES LA ENERGA ? PARTE 1

QUE ES LA ENERGA ? PARTE 2

La termodinmica por su definicin (del griego, termo, que significa calor y dnamis, que significa fuerza) es la rama de la fsica que describe los estados de equilibrio a nivel macroscpico. La termodinmica tiene como objetivo el entender las interrelaciones entre los fenmenos mecnicos, trmicos y qumicos. Por ello se puede definir como la Ciencia que estudia todas las transformaciones o conversin de unas formas de energas en otras y tambin la transmisin o transferencia de determinada clase de energa. En su sentido etimolgico, podra decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensin, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relacin con el calor y el trabajo.


QUE ES TERMODINAMICA ?

EL CUERPO HUMANO.

AREAS DE APLICACIN

SISTEMAS A/A.

RADIADOR DE AUTOMOVIL.

CENTRALES ELECTRICAS.

AVIONES.

SISTEMAS DE REFRIGERACION.

La Termodinmica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: Principio Cero: Permite definir la temperatura como una propiedad. Primer Principio: Define el concepto de energa como magnitud conservativa. Segundo Principio: Define la entropa como medida de la direccin de los procesos. Tercer Principio: Interpretacin fsica de la entropa como orden de los sistemas; se usa en termoqumica.



CIENTIFICOS PIONEROS EN LA TERMODINAMICA

Entre los numerosos cientficos que han intervenido en el desarrollo de la termodinmica podramos sealar seis a los que se puede atribuir las bases de esta ciencia:

El primero de ellos debemos considerar a Antoine Laurent Lavoisier (Francia, 1743-1794) que con sus numerosos trabajos cabe atribuirle la fundacin de la qumica moderna. Estudi la estequiometria de las reacciones, el conocimiento de la combustin, la composicin del aire y del agua; interviene en la nomenclatura de elementos y compuestos qumicos. Con su clebre frase nada se crea, nada se pierde presenta y demuestra la ley de la conservacin de la materia, precursora de la 1 ley de la termodinmica de la conservacin de la energa.


Nicols Lonard Sadi Carnot (Francia, 1796-1832) desde la presentacin ante la Academia Francesa de su trabajo sobre la potencia del fuego, abre el campo al anlisis de las mquinas trmicas. Su nombre nos acompaar durante todo este curso. El rendimiento de su famoso ciclo ideal, el llamado ciclo de Carnot, que deberemos emplear incluso en el anlisis ms moderno de los sistemas termodinmicos. Rudolf J. Clausius (Alemania, 1822-1888), entre sus trabajos sealamos la introduccin de una nueva propiedad termodinmica, la entropa. Es el artfice de la formulacin matemtica del segundo principio.


William Thomson, Lord Kelvin (Escocia, 1824-1907), del que destacaremos la creacin de la escala de temperaturas que lleva su nombre y la definicin de la llamada energa disponible de un sistema. James Prescott Joule (Inglaterra, 1818-1889), cervecero y experto en el uso de los termmetros, deduce la equiparacin (Comparacin, relacin de proporcin o similitud) entre la energa trmica y el trabajo. La unidad de la energa toma su nombre.


Josiah Willard Gibbs (USA, 1839-1903). Fue un hombre modesto, trabaj en Yale durante nueve aos sin recibir nada por su trabajo hasta que fueron reconocidas sus aportaciones, que abren el camino de la termodinmica moderna y de la mecnica estadstica. Su clebre Regla de las fases y sus numerosas ecuaciones fundamentales entre las propiedades termodinmicas, abrieron el paso a toda la moderna qumica e ingeniera industrial.

1.2. DIMENSIONES Y UNIDADES.


Cualquier cantidad fsica se caracteriza por sus dimensiones, las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas de las dimensiones como la masa m, la longitud L, el tiempo t y la temperatura T se consideran dimensiones primarias o fundamentales, en tanto que otras como la velocidad V, la energa E y el volumen V se expresan en trminos de las dimensiones primarias y reciben el nombre de dimensiones secundarias o derivadas. A lo largo de los aos se han creado varios sistemas de unidades. Un sistema de unidades es un conjunto consistente de unidades de medida. Definen un conjunto bsico de unidades de medida a partir del cual se derivan el resto. Existen varios sistemas de unidades de los cuales se utilizan dos conjuntos de unidades: el sistema ingles y el mtrico SI.


El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, del francs: Le Systme International d'Units), tambin denominado Sistema Internacional de Medidas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en casi todos los pases. Es el heredero del antiguo Sistema Mtrico Decimal y es por ello por lo que tambin se lo conoce como sistema mtrico, se instaur en 1960, a partir de la Conferencia General de Pesos y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades fsicas bsicas. En 1971 se aadi la sptima unidad bsica: el mol. Una de las caractersticas trascendentales, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que sus unidades se basan en fenmenos fsicos fundamentales. Excepcin nica es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, definida como la masa del prototipo internacional del kilogramo, un cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.


TABLA 1.1. LAS SIETE DIMENSIONES FUNDAMENTALES Y SUS UNIDADES EN EL SI.

TABLA 1.2. PREFIJOS ESTANDAR EN UNIDADES DEL SI.

El sistema anglosajn de unidades es el conjunto de las unidades (no mtricas que se utilizan actualmente) es oficial en solo 3 pases en el mundo , como Estados Unidos de Amrica, Liberia y la Unin de Myanmar (antiguamente conocida como Birmania), adems de otros territorios y pases con influencia anglosajona pero de forma no oficial, como Bahamas, Barbados, Jamaica, Puerto Rico o Panam. Pero existen discrepancias entre los sistemas de Estados Unidos y el Reino Unido (donde se llama el sistema imperial), e incluso sobre la diferencia de valores entre otros tiempos y ahora. Sus unidades de medida son guardadas en Londres, Inglaterra. Este sistema se deriva de la evolucin de las unidades locales a travs de los siglos, y de los intentos de estandarizacin en Inglaterra. Las unidades mismas tienen sus orgenes en la antigua Roma. Hoy en da, estas unidades estn siendo lentamente reemplazadas por el Sistema Internacional de Unidades, aunque en Estados Unidos la inercia del antiguo sistema y el alto costo de migracin ha impedido en gran medida el cambio. TERMODINAMICA:

FUNDAMENTO TEORICO.

1.3. CONCEPTOS BSICOS.


Un sistema termodinmico, o simplemente un sistema se define como una porcin (cantidad de materia) o regin del universo para objeto de estudio. Un sistema es una regin restringida, no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisin de masa y energa. Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o lmites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios. Tambin se llaman superficie de control. El medio rodeante o entorno, es la parte del universo prxima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema.


SISTEMA TERMODINMICO

FIGURA 1.5. SISTEMA, ALREDEDORES Y FRONTERA.

FRONTERA

La frontera puede ser fija o mvil. Observe que la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como los alrededores. En trminos matemticos la frontera tiene espesor cero, por ello no contiene ninguna masa ni ocupa volumen alguno en el espacio.


Frontera mvil

Frontera fija

FIGURA 1.6. SISTEMA CON FRONTERA MOVIL O FIJA.

Los sistemas sern cerrados o abiertos, lo que depende de si se elige para el estudio de una masa fija o un volumen fijo. En funcin de los lmites, un sistema puede ser: Cerrado: es una regin de masa constante; a travs de sus lmites slo se permite la transferencia de energa. Tambin se le denomina masa de control. Aislado: un sistema aislado no puede transferir materia ni energa con el medio rodeante. El universo en su totalidad se puede considerar como un sistema aislado Abierto: en un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energa a travs de sus lmites; la masa contenida en l no es necesariamente constante. Tambin se le denomina volumen de control.


TIPOS DE SISTEMA.

FIGURA 1.7. SISTEMAS CERRADO, AISLADO Y ABIERTO.

Masa

Energa (Si)

(No)

SISTEMA ABIERTO

(Si) Masa

(Si) Energa

Masa (No)

Energa (No)

SISTEMA CERRADO SISTEMA AISLADO


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SISTEMA TERMODINAMICO

EJEMPLOS DE SISTEMAS CERRADOS Y SISTEMAS ABIERTOS

Propiedad es cualquier caracterstica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de ste. Algunos ejemplos son la presin P, la temperatura T, el volumen V y la masas m. Las propiedades de un sistema definen su "estado". La lista de estas propiedades se puede reducir, si se considera que no todas son significativas para un anlisis determinado. Por ejemplo, el color de un avin no ser significativo para analizar las caractersticas de su despegue, pero s puede serlo para su estado esttico y para su anlisis comercial. Por ello se agrupan las propiedades en clases significativas segn los tipos de anlisis, y por ello se proponen diferentes tipos de estados.


PROPIEDADES DE UN SISTEMA.

De acuerdo con ello, las caractersticas del despegue del avin puede depender de su estado geomtrico, su velocidad y altitud; estas sern caractersticas de su estado cintico (caractersticas mecnicas); la temperatura, presin y humedad de la cabina relacionarn su estado termodinmico. La termodinmica gira alrededor de la energa y por ello las propiedades termodinmicas sern aquellas que se relacionan con la energa, y definen su estado termodinmico.


FIGURA 1.8. DESPEGUE DE UN AVION.

Algunas propiedades internas o termodinmicas son: la masa m, presin P, temperatura T, volumen V, energa interna U, entropa S, y adems los factores trmicos, etc. Para sistemas compresibles cerrados estas propiedades son las apropiadas. Para sistemas abiertos, o cerrados en movimiento, hay adems un segundo tipo de propiedades, que son las externas o mecnicas; dependen del movimiento o de la posicin del sistema en el campo gravitatorio: la velocidad c y la altura z, es decir, de la energa cintica y potencial. En general las propiedades se pueden clasificar de la siguiente manera intensivas o extensivas.


TIPOS DE PROPIEDADES.

Propiedades intensivas: Son independientes del tamao, masa o magnitud del sistema, por ejemplo la presin, temperatura, viscosidad y altura. Las propiedades intensivas se representan con letras minsculas, con la excepcin de la temperatura T y presin P. Propiedades extensivas: Son aquellas que dependen de la masa del sistema, por ejemplo el volumen V, la masa m y todas las clases de energa E. Las propiedades extensivas se representan con letras maysculas, con la excepcin de la masa m. Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades especificas. Algunos ejemplos de propiedades especificas son el volumen especifico (v = V/m) y la energa total especifica (e = E/m)


TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO. FIGURA 1.9. CRITERIO PARA DIFERENCIAR ENTRE PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS.

m

V

T

P

r

m

V

T

P

r

m

V

T

P

r

Estado termodinmico es una condicin del sistema definida por determinados valores de sus propiedades termodinmicas. Estados idnticos de un sistema, presentan los mismos valores en sus propiedades, independientemente del proceso o transformaciones que haya podido efectuar para alcanzarlo. Considere un sistema que no se somete a ninguna cambio (esta en equilibrio) . En este caso, es posible medir o calcular todas las propiedades del sistema, lo que resulta en un conjunto de propiedades que describen por completo la condicin o el estado del sistema.


ESTADO Y EQUILIBRIO.

TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO. FIGURA 1.10. UN SISTEMA EN DOS ESTADOS DIFERENTES

La termodinmica estudia estados en equilibrio, un sistema est en equilibrio cuando no tiene tendencia por s mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades. Para comprobar si un sistema est en equilibrio habra que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por s solo. Hay muchos tipos de equilibrio, y un sistema no esta en equilibrio termodinmico a menos que las condiciones de todos los tipos relevantes de equilibrio se satisfagan. Cuando se produce una variacin de una o de varias o de todas las propiedades del sistema, se dice que se da un cambio de estado o proceso.


Si un sistema no posee en su interior fuerza alguna no equilibrada y las que ejerce a travs de sus fronteras (si stas no son rgidas) se equilibran con las del exterior que actan sobre l, se encontrar en equilibrio mecnico; si la temperatura es uniforme en la totalidad del sistema y es la misma que la de sus alrededores (cuando sus paredes sean diatrmicas; que deja pasar el calor fcilmente) se encontrar en equilibrio trmico; cuando la composicin qumica de un sistema permanece sin alteracin lo tendremos en equilibrio qumico; por lo tanto un sistema est en equilibrio termodinmico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. En el sistema no habr flujo de energa, materia, ni carga, etc..., permaneciendo ellas y la composicin, constantes en el interior.


El numero de propiedades que se requiere para fijar el estado de un sistema est dado por el postulado de estado: El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. Se trata de un sistema compresible simple cuando si carece de efectos elctricos, magnticos, gravitacionales, de movimiento y tensin superficial. El postulado de estado requiere que las dos propiedades especificadas sean independientes para fijar el estado; y son independientes si una de ella puede variar mientras la otra se mantiene constante.


POSTULADO DE ESTADO.

Por ejemplo: A nivel del mar (P = 1atm) el agua hierve al 100C, pero en la cima de una montaa donde la presin es menor, hierve a una temperatura ms baja, es decir, T = (P) durante un proceso de cambio de fase as que no son suficientes para fijar el estado de un sistema.


P = 1 atm

FIGURA 1.11. EBULLICIN DEL AGUA.

Un sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado a otro, y la serie de estados por el cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria del proceso. Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados inicial y final, as como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.


PROCESOS Y CICLOS.

FIGURA 1.12. UN PROCESO ENTRE LOS ESTADOS 1 Y 2 Y LA TRAYECTORIA DEL PROCESO.

El cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos: Proceso cclico: Cuando el sistema a travs de una serie de cambios de estado, finalmente vuelve a su estado inicial. Proceso cuasi-esttico: Ocurre cuando de tal manera que el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio en todo momento. Un proceso de cuasi se considera un proceso lo suficientemente lento, como para permitir al sistema realizar ajuste interno de manera que las propiedades en una parte del sistema no cambien ms rpido que otras.

TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO. FIGURA 1.13. PROCESO DE COMPRESION DE CUASI-EQUILIBRIO.

Proceso reversible: Es un proceso cuasi-esttico, que puede ser llevado de nuevo al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios del proceso. Este tipo de proceso se les conoce como procesos ideales. Proceso irreversible: Son los procesos reales. En ellos siempre habr degradacin de energa y generacin de entropa.

TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO. FIGURA 1.14. CICLO DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR.

El prefijo iso se emplea con frecuencia para designar un proceso en le que permanece constante una propiedad particular. 1.- Proceso Isotrmico: Proceso en donde la temperatura permanece cte. 2.- Proceso Isobrico: Proceso en donde la presin permanece cte. 3.- Proceso Isocorico: Proceso en donde el volumen especifico permanece cte. Se dice que un sistema se somete a un ciclo si al termino del proceso regresa a su estado inicial. TERMODINAMICA:

FUNDAMENTO TEORICO.

1.4. PROPIEDADES.


Densidad (r) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia.

r = m/V Unidad de densidad en el (SI): Kilogramo entre metro cbico (kg/m). Unidad de densidad en el Sistema Ingles: Libra entre pie cbico (lb/ft3)


DENSIDAD.

El volumen especfico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa de un material o sustancia. Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia; (reciproco de la densidad).

v = V/m = 1/r Unidad de densidad en el (SI): Metro cbico entre kilogramo (m/kg). Unidad de densidad en el Sistema Ingles: Pie cbico entre libra (ft3/lb) TERMODINAMICA:

FUNDAMENTO TEORICO.

VOLUMEN ESPECIFICO.

La densidad relativa es una comparacin de la densidad especifica de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. Ambas densidades se expresan en las mismas unidades y en iguales condiciones de temperatura y presin. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades. A veces se la llama gravedad especfica, tal denominacin es incorrecta, por cuanto que en ciencia el trmino "especfico" significa por unidad de masa.

rr = r / r0


DENSIDAD RELATIVA Y ESPECIFICA.

Donde es la densidad relativa es igual a la (rsust), entre la densidad referencia (r0), Para los lquidos y los slidos, la densidad de referencia habitual es la del agua lquida a la presin de 1 atm y la temperatura de 4 C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua es de 1000 kg/m3

Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presin de 1 atm y la temperatura de 0 C. En esas condiciones la densidad del aire es de 1,293 kg/m3


La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, fro que puede ser medida, especficamente, con un termmetro. En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Las escalas de medicin de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medicin, no tienen un nivel mximo, sino un nivel mnimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.


TEMPERATURA.


FIGURA 1.15. COMPARACION DE ESCALAS DE TEMPERATURA.

La escala Kelvin se relaciona con la escala Celsius por medio:

T(K) = T(C) + 273.15 La escala Rankine se relaciona con la escala Fahrenheit mediante:

T(R) = T(F) + 459.67 Las escalas de temperatura en ambos sistemas de unidades se relacionan per medio de:

T(R) = 1.8 T(K) T(F) = 1.8 T(C) + 32


La presin se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en direccin normal a la superficie; en otras palabras es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de rea. En unidades SI la presin se mide en newton por metro cuadrado (N/m2), unidad denominada Pascal (Pa). En relacin con la presin atmosfrica, que es una referencia habitual, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequea, por lo que se suele utilizar los mltiplos como el kPa, MPa o el bar, donde: 1 bar = 105 N/m2 = 0.1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101,325 Pa = 1.01325 bar = 101,325 kPa 1 kgf/cm2 = 9.807 N/cm2 = 9.807 x 104 N/m2 = 9.807 x 104 Pa = 0.9807 bar = 0.96788 atm


PRESION.

En el caso de un gas, la presin es el resultado de los impactos de las molculas del gas contra la pared. Como las molculas se mueven en todas las direcciones, la presin es la misma con independencia de la orientacin de la pared donde se mide: la presin es una magnitud escalar. Para gases formados por mezcla de varias sustancias, se habla de presin parcial como la contribucin de cada gas a la presin total de la mezcla. Puede considerarse que la presin parcial de un gas es el resultado de las colisiones de las molculas de ese gas contra la pared del recipiente. En el caso de lquidos, la presin se debe a la fuerza de la gravedad (peso) del lquido: se denomina presin hidrosttica, dado por la siguiente ecuacin (rgL)


La presin real en una posicin dada se denomina presin absoluta y se mide respecto al vacio absoluto (es decir, la presin del cero absoluto). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos que miden presin se calibran para leer el cero en la atmosfera y por ello indican la diferencia entre la presin absoluta y la presin atmosfrica local. Esta diferencia se denomina presin manomtrica. Las presiones por debajo de la atmosfrica reciben el nombre de presiones de vaco y se miden con medidores de vaco que indican la diferencia entre la presin atmosfrica y la presin absoluta. Las presiones absoluta, manomtrica y de vacio son cantidades positivas y se relacionan entre s por medio de: P manomtrica = P abs P atm (para presiones sobre P atm) P vac = P atm P abs (para presiones abajo P atm)



FIGURA 1.16. PRESIONES ABSOLUTA, MANOMETRICA Y DE VACIO.

1.5. LEY CERO DE LA TERMODINMICA.


La temperatura es una propiedad esencial en Termodinmica. Su determinacin cuantitativa (Medida) se realiza con instrumentos llamados termmetros. La Ley Cero de la Termodinmica postula que es posible medir la temperatura, es decir, que la temperatura es una propiedad. La temperatura T es aquella propiedad que determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad absoluta en el sistema internacional es el kelvin (K). La Ley cero de la termodinmica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto , en un tiempo determinado t , estos alcanzarn la misma temperatura, es decir, tendrn ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, tambin alcanzar la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrn la misma temperatura mientras estn en contacto.



FIGURA 1.17. DOS CUERPOS ALCANZAN EL EQUILIBRIO TERMICO DESPUES DE HABERSE PUESTO EN CONTACTO EN UN RECINTO AISLADO.

A

B C

t = lapso de tiempo determinado

Hasta el siglo XIX una teora consideraba al calor como una sustancia indestructible y sin peso, llamado calrico; la temperatura indicaba una cierta mezcla de calrico con la materia. Otra teora consideraba al calor como algo relacionado con el movimiento, bien de partculas o de un fluido difundido por toda la materia y estos errores con frecuencia siguen siendo parte de su antigua definicin. Actualmente se considera, desde un punto de vista cintico, que el calor viene ligado, por una parte a la vibracin mecnica de la materia (fonones), y por otra a un transporte de partculas dotadas de energa (molculas, electrones, etc.). Se transmite en slidos por conduccin, en lquidos por conduccin y conveccin, en gases por conduccin, conveccin y radiacin y en el vaco por radiacin en forma de ondas electromagnticas.


CALOR.

Se sabe por la experiencia, que cuando un cuerpo caliente se pone en contacto con uno fro, el primero se enfra y el segundo se calienta, hasta que ambos igualen sus temperaturas. Se ha producido, pues, una transferencia de energa del cuerpo caliente al fro; esta energa as transferida se llama calor; el cuerpo caliente ha disminuido su energa interna, y el cuerpo fro la ha aumentado. En esta definicin viene implcito el hecho de que un cuerpo no contiene calor, sino que denominamos con este trmino la energa, en tanto cruza los lmites, es decir, el calor es un fenmeno transitorio y, por lo tanto, el calor no es una funcin de estado. Si tenemos un cuerpo caliente como sistema A y un cuerpo fro como sistema B, ni A ni B contienen calor, pero al ponerlos en contacto trmico el calor se transfiere desde A hasta B, (rgimen transitorio), hasta lograr el equilibrio de temperaturas, (rgimen estacionario); al final del proceso ninguno de los sistemas contiene calor.


De lo anteriormente escrito podemos deducir que la energa puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energa pueden convertirse en calor. La energa electromagntica (luz), la electrosttica (o elctrica), la mecnica, la qumica, la nuclear, el sonido y la trmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus molculas. Debido a lo anterior podemos definir como calor: Como la energa interna (movimiento molecular) que intercambian los cuerpos y/o sustancias (energa de trnsito) en un estado desequilibrio trmico; Por lo tanto podemos afirmar lo siguiente cuanta ms energa se mete en un sistema, ms activas se ponen sus molculas, cuanto ms rpidas se mueven las molculas, ms energa trmica o calor producen. La cantidad de calor en una sustancia est determinada por qu tan rpido se mueven sus molculas, que a su vez depende de cunta energa tiene el sistema.


Se define el calor sensible como aquel que va asociado a cambios de temperatura (el que podemos censar), mientras que el calor latente se considera asociado a efectos calorficos propios de reacciones qumicas, cambios de fase de un sustancia (liquido-vapor), etc., en los que la temperatura permanece constante. Unidades, 1 calora = 4,186 Joules, y es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1C la temperatura de un gramo de agua desde 14,5C hasta 15,5C a la presin normal.


CALOR SENSIBLE Y LATENTE.


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LEYES DE LA TERMODINAMICA (ENTROPIA)

1.6. EL PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA MASA.


La ley de conservacin de la masa o ley de conservacin de la materia o ley de Lomonsov - Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente por Mijal Lomonsov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar como; En una reaccin qumica ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos.


FIGURA 1.18. LEY DE LA CONSERVACIN DE LA MATERIA: EN TODA REACCIN QUMICA, LA MASA DE LOS CUERPOS REACCIONANTES ES IGUAL A LA MASA DE LOS PRODUCTOS DE LA REACCIN.


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PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA MASA

1.7. FORMAS DE ENERGA.


La energa puede existir en numerosas formas: trmica, mecnica, cintica, potencial, elctrica, magntica, qumica, nuclear, etc., las formas de energa son distintas manifestaciones de lo mismo: Energa. Es decir, formas de energas que son los distintos tipos de visualizacin en los que la energa se manifiesta en la naturaleza. La termodinmica no proporciona informacin acerca del valor absoluto de la energa total de un sistema. Solo trata con el cambio de la energa total, lo que es importante en los problemas de ingeniera. De modo que la energa total de un sistema es posible asignarle un valor de cero en un punto de referencia conveniente. El cambio en la energa total de un sistema es independiente del punto de referencia elegido.


En el anlisis termodinmico, con frecuencia es til considerar en dos grupos las diversas formas de energa que conforman la energa total de un sistema: macroscpicas y microscpicas. La energa macroscpica puede ser debida a dos causas: La masa y la velocidad de un determinado cuerpo, que origina la denominada energa cintica o su posicin dentro de un sistema de referencia, que da lugar a la energa potencial. La energa interna o microscpica radica en la estructura de la materia, en las molculas, los tomos y las partculas que la forman.


TERMODINAMICA: FUNDAMENTO TEORICO. FIGURA 1.19. DIVERSAS FORMAS DE ENERGIA MICROSCOPICAS QUE FORMAN ENERGIA SENSIBLE

1.8. EFICIENCIA EN LA CONVERSIN DE ENERGA.


La disponibilidad de la energa y la habilidad de las personas para aprovechar esa energa en forma til ha transformado nuestra sociedad. Hace apenas unos siglos, la mayora de la poblacin luchaba por subsistir produciendo la comida de consumo local. Actualmente, en muchos pases una pequea fraccin de la fuerza de trabajo total produce abundante comida para toda la poblacin y mucha de esta gente queda libre para otras actividades. Es posible viajar grandes distancias en poco tiempo mediante la eleccin de transportes; tambin es posible la comunicacin instantnea con personas en cualquier lugar de la tierra; as como se tienen los medios para controlar grandes cantidades de energa a nuestro antojo personal en forma de automviles, herramientas elctricas, aparatos y condicionamiento en las viviendas.


Cmo se produjeron esos cambios?, fueron el resultado de una combinacin de inventiva e ingenio, acoplados con una esmerada construccin terica por algunos grandes cientficos e ingenieros a travs de los aos. La historia de este desarrollo de la ciencia bsica y de la ingeniera tal como ahora se conocen, adems de interesante, una fuente de inspiracin, pero resulta muy larga para resumirla aqu. Como resultado del desarrollo de la ciencia y de las aplicaciones termodinmicas ha crecido la habilidad para obtener energa, transformarla y emplearla para satisfacer las necesidades de nuestra sociedad, cambindola de una sociedad agraria a una moderna. En la definicin de termodinmica se ve claramente que esta ciencia no slo es til a los ingenieros en sus vidas profesionales sino que ha jugado, y contina hacindolo, un papel vital en el desarrollo de la sociedad. Pero a que costo?


La Eficiencia Energtica (EE) es el conjunto de acciones que permiten optimizar la relacin entre la cantidad de energa consumida y los productos y servicios finales obtenidos. Esto se puede lograr a travs de la implementacin de diversas medidas e inversiones a nivel tecnolgico, de gestin y de hbitos culturales en la comunidad. Es usar bien la energa, porque EE es ahorrar sin perder en calidad de vida o en calidad de produccin, muestra de ello es la introduccin de nueva tecnologa o el cambio de conducta en las personas, como por ejemplo, desenchufar y apagar todos los artefactos elctricos que no se estn usando, utilizar la lavadora con carga completa, una vez hervida el agua guardarla en el termo y as muchos ejemplos que se pueden aplicar en el da a da, y que nos permiten ser ms eficientes. El uso inteligente y eficiente de la energa permite, adems de ahorrar, disminuir la dependencia energtica; reducir la contaminacin (CO2); mejorar la calidad de vida y aliviar el bolsillo de los consumidores.


1.9. ENERGA Y AMBIENTE.


1.10. ASPECTOS TERMODINMICOS DE LOS

SISTEMAS BIOLGICOS.


BIBLIOGRAFA.


YUNUS A. CENGEL y MICHAEL A. BOLES, Termodinmica (4 ed.), McGraw-Hill, 2003, pp. 1-49. M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO, Fundamentos de Termodinmica Tcnica, Barcelona, Revert, 1993, pp. 126. A. SHAVIT & C. GUTFINGER, Thermodynamics. From concepts to applications, London, Prentice Hall, 1995, pp. 116. J. M. SEGURA, Termodinmica Tcnica, Madrid, AC, 1980, pp. 145. K. WARK, Termodinmica (5 ed.), Mxico, McGraw-Hill, 1991, pp. 120.


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