15-03-2015
1
TERMODINMICA
Docente a cargo: Ing. Nayadeth Ibacache M.
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%
Control 3 Unidades 4 y 5 25%
Control 4 Unidades 6 y 7 30%
Talleres y otros 10%
Control escrito 1:
Control escrito 2
Informes de actividades
programadas
Asistencia 100%
15-03-2015
2
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
15-03-2015
3
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
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
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.
1.1 Antecedentes Histricos
15-03-2015
4
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
Galileo 1564-1642
Termmetro de cristal, basado en el principio fsico de que la densidad de un lquido cambia segn la temperatura.
1.1 Antecedentes Histricos
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.
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
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.
1.1 Antecedentes Histricos
KelvinFormulo la escala de temperatura absoluta, tiene su cero a una temperatura de -273, 15C.
15-03-2015
5
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
Jean Baptiste Joseph Fourier(1768-1830)
Fourier estudi la teora matemtica de la transferencia de calor por Conduccin.
1.1 Antecedentes Histricos
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.
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
Jean Marie Constant Duhamel(1797-1872)El principio de Duhamel trata sobre la distribucin del calor enun slido con una condiciones decontorno variables.
1.1 Antecedentes Histricos
Ernst Schmidt (1892-1975) Es uno de los propulsoresdel desarrollo de las tablasde magnitudes trmicas delvapor de agua.
15-03-2015
6
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
Principios de la termodinmica
Temperatura y Ley 0: Define el equilibrio trmico y la temperatura
1.1 Antecedentes Histricos
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.
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
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
15-03-2015
7
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.3 Sistemas y su clasificaciones
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
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.3 Sistemas y su clasificaciones
Cerrado:
Intercambia solo energa
Aislado:
No intercambia energa y materia
Abierto:
Intercambia energa y materia
15-03-2015
8
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.3 Sistemas y su clasificaciones
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.
15-03-2015
9
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.4 Conceptos: Sustancias, Fase, Constituyente, Estado,
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
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.4 Conceptos: Sustancias, Fase, Constituyente, Estado,
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.
15-03-2015
10
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.4 Conceptos: Sustancias, Fase, Constituyente, Estado,
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.
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones
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
15-03-2015
11
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones
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.
15-03-2015
12
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones
Propiedades termomtricas y termmetros
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)
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones
Propiedades termomtricas y termmetros
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
15-03-2015
13
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica1.5 Propiedades termodinmicas y sus clasificaciones
Propiedades termomtricas y termmetros
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.
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.6 Ecuaciones de estado en: modelo de gas perfecto
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.
15-03-2015
14
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.6 Ecuaciones de estado en: modelo de gas perfecto
-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?
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
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.
15-03-2015
15
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
1.6 Ecuaciones de estado en: modelo de gas perfecto
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.
UNIDAD 1 Conceptos Bsicos de la Termodinmica
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:
15-03-2015
16
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
15-03-2015
17
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
Top Related