TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO - … · Ley Fundamental de la Naturaleza: Durante una...

TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO

TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO

Rodrigo Balderrama

PLANIFICACIÓNPLANIFICACIÓN

Objetivos Generales:

Al aprobar la asignatura, el alumno será capaz de:

• Comprender y aplicar los principios y conceptos básicosde la Termodinámica

• Realizar balances simples de masa y energía enmáquinas térmicas.

• Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales querigen el comportamiento térmico de la materia, en laresolución de los problemas de Ingeniería

OBSERVACIONES GENERALESOBSERVACIONES GENERALES

Actualizado en Moodle:

Revisar Archivo Información Importante

1.1.- Conceptos básicos de la termodinámica

1.1.1.- Termodinámica y energía

1.1.2.- Sistemas cerrados y abiertos

1.1.3.- Formas de energía

1.1.4.- Propiedades de un sistema

1.1.5.- Estado y equilibrio

1.1.6.- Procesos y ciclos

1.1.7.- El postulado de estado

1.1.8.- Presión

1.1.9.- Temperatura y ley cero de la termodinámica

Unidad 1: Introducción a la Termodinámica

¿ De donde proviene ? Griego:

Thermè � Calor

Dynamis� Fuerza o potencia

Describe los esfuerzos por convertir el Calor en potencia

1.1.- Termodinámica Y Energía


¿ Qué es ? Es la ciencia del calor o de la energía(capacidad de producir cambios).

Involucra conceptos de:

•Calor

•Trabajo

•Temperatura

El Calor comienza a ser objeto de estudio (S XVIII-XIX) a raíz del invento de la MAQUINA DE VAPOR

posibilidad de obtener

Trabajo a partir del Calor

Nacimiento de la Termodinámica





Primer ppo de la Termodinámica

Equivalencia entre Calor y trabajo

Concepto de Entropía

Para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a T°más alta siempre es necesario realizar trabajo

Segundo ppo de la Termodinámica



Principio de la Conservación de la energía

Ley Fundamental de la Naturaleza:

Durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de

energía permanece constante

La 1°LT: Expresión sencilla del ppo conservación de la energía � Energía es una Propiedad Termodinámica

La 2°LT: Establece que la energía tiene tanto Cantidad como Calidad. Procesos reales �Degradación de energía


•Introducción a la Primera Ley de la Termodinámica

Ladrillo que cae.

15%

Energía

cinética

3%

Calor y

Sonido

82%

Energía

Potencial

82% 8% 10%

3% 97% 0%


Termodinámica clásica y EstadísticaClásica Estadística

Análisis macroscópico ..Microscópico

en base a efectos globales ..de cada átomoEjemplo:

En un recipiente basta conocer:

Masa mVolumen VPresión p

para determinar el ESTADO INTERIOR.

No requiere un conocimiento del comportamiento indiv. de las paticulas

Enfoque más elaborado en base al comportamiento promedio de grandes grupos de partículas individuales


Aislación perfecta

Sistema Adiabático

Q = 0


1.2.- Sistemas Cerrados Y Abiertos

Clasificación:

• Sist. Abierto

• Sist. Cerrado

m fija ó V fijo en el espacio


Frontera: Superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores. Sin e, m o V

Esta puede ser: Fija o móvil

Sistemas Cerrado

Mechero

• Materia fija (constante)

• No hay intercambio de masa a través del límite.

• Sí hay intercambio de energía

• Límite puede variar

Ejemplo

Ampolleta

El agua en plantade fuerza

Sistemas Termodinámicos


Sistemas TermodinámicosVolumen de control o Sistema abierto

límite

Flujo A

Flujo B

• Intercambio de masas y energías a través del límite.

Ejemplo

Turbinas (vapor o gas)

Motor de combustión.

Bomba


Tipos de límites de los sistemas

· Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor.

· Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor.

· Rígidos, si no permiten el cambio de volumen.


Motores y bombas térmicasSe definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios.


APLICACIONES

•Planta de vapor o de fuerza Energía eléctrica

Caldera

Turbina

Condensador

Bomba

G Generador


APLICACIONES

• Refrigeración

Válvula de

Expansión

Condensador

Compresor

Evaporador

W

QL

QH





LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS APLICABLES A

SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SON DIFERENTES !!!!!!!

RECONOCER TIPO ANALIZAR


1.3.- Formas De Energía

La energía puede existir de distintas formas y su suma constituye la energía total de un sistema (Euación 1)

La Termodinámica trata con variaciones de energía

En Termodinámica es útil condiderar la energía en 2 grupos que forman la Etotal:

MACROSCOPICA: Son las que posee un sist. como un todo (dep. de ref. (veloc, altura)

MICROSCOPICA: Relacionados con estructura molecular del sistema, independiente de marcos de Ref. externos

Σ E_Micro = E_interna (U)


Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación permanecen ctes durante un proceso se conocen como

Sistemas permanentes (SP)

La mayoría de los sistemas cerrados son permanentes

�� no presentan variación de E_cinetica ó E_potencial

El cambio en la Etotal de un SP es identico al cambio en la E_interna


Energía interna

Asociada :

(1) Grado de Actividad Molecular: Suma de la Ec

Ec_rot + Ec_trasl +Ec_vibración = Ec_molecula

• Porción de Einterna asociada a la Ecinetica de las moleculas se llama ENERGÍA SENSIBLE

(2) Fuerzas Moleculares: Fzas que unen a las moléculas entre sí. Mayores en sólidos�liquido�gas

(cambios de Fase cuando las moléculas se van separando)


• La Einterna asociada a la fase de un sistema se llama ENERGÍA LATENTE

• La Einterna asociada a la fuerza que unen los átomos-moleculas se llama ENERGÍA QUÍMICA (o de

enlace)(Generalmente los procesos termododinámicos ocurren sin modificar la

composición química de un sistema)

• La Einterna asociada a los enlaces dentro del núcleo se llama

ENERGÍA NUCLEAR



ENERGÍA MACRO= EC+EP

ENERGÍA MICRO= ESENSIBLE+ELATENTE+EEQUÍMICA+ENUCLEAR

Propiedades (o magnitudes de estado) y

Estado de una sustancia


Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende

de las condiciones de éste

• Propiedades Extensivas: propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema

• Propiedades Intensivas: Independientes del tamaño, masa o magnitud del sistemaLas propiedades intensivas se representan con letras minúsculas, (excepción de la temperatura y presión)

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).

EXTENSIVAS INTENSIVAS

V, U, H,

ESPECÍFICAS(m) MOLARESv, u, h, s v, u, h

(Mol)

T, P, ρρρρ

1.1.4.- Propiedades De Un Sistema



Densidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustancias

SUSTANCIA DENSIDAD (kg/m3)Aire 1,28

Petróleo 800

Benceno 880

Agua 1.000

Aluminio 2.700

Hierro 7.860

Cobre 8.900

Plomo 11.340

Mercurio 13.500

Oro 19.300

Osmio 22.610


1.1.5.- Estado y Equilibrio

Estado es un punto donde el sistema no tiene ningún cambio

De esta forma se pueden calcular sus propiedades.

Un conjunto de propiedades describen el estado

Obs:

En un estado todas las propiedades tienen valores fijos. Si el valor de una propiedad cambia ��

existe otro estado


Estado de Equilibrio:

un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades.

Equilibrio Termodinámico:

Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. (Ej: eq. Térmico, mecánico, químico, etc)


Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso

termodinámico.

1.1.6.- Procesos y Ciclos

¿ Cómo definir un PROCESO, si la TERMODINÁMICA sólo conoce estados en

EQUILIBRIO (no hay cambios)?

Se recurre a una simplificación en que se define los procesos en CUASIEQUILIBRIO con desviaciones infinitesimales sucesivas

del equilibrio termodinámico.


El cuasiequlibrio es un caso idealizado

y NO la representación de un caso real

�Buena aproximación (error min)

�Más fáciles de analizar

�Constituyen ‘modelos’ para comparar procesos reales



• Procesos Cíclico: Un sistema se somete a un CICLO si al terminar el proceso regresa a su estado inicial (eini=efin)

• Procesos Cuasiestáticos: Sucesivos estados de equilibrio

• Proceso Reversible: S/efectos disipativos (S/roce, S/TdeC, S/degrad. Energía)

• Proceso Irreversible: Proceso Real

Trayectoria : es la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso

Descripción Completa de un proceso ⇒ especificar:

• Estado inicial

• Estado Final

• Trayectoria

• Interacción con su alrededor


Diagramas de procesos más comunes: P-V, T-V


Prefijo ISO: denota cuando una propiedad permanece fija o cte durante un proceso

Politrópicaspolitrópicas constituyen una gran familia de evoluciones que permiten estudiar gran cantidad de fenómenos reales

• isóbaras (presión constante). Del tipo P= Cte.

•isócoras (volumen constante). Del tipo V = Cte.

•isotermas (temperatura constante). Del tipo P·V = Cte.

•adiabáticas sin roce (DQ = 0, que después llamaremos isentrópicas) Del tipo p·Vg = Cte.


Las politrópicas tienen la forma genérica del tipo:

PVn = Cte.

En que n es el coeficiente politrópico. El valor de n puede variar de 0 a infinito.




1.1.7.- El postulado de estado

El estado de un sistema se describe por sus propiedades pero no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado

Al especificar un n°suficiente de prop.

Resto de propiedades asume automáticamente ciertos valores

Postulado de estado:

“El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos prop.

INTENSIVAS independientes”

Ejemplo:

Existen propiedades que son independientes para sistemas de una sola fase, pero son dependientes en sistemas multifase:

T=f(P) en cambio de fase del agua


1.1.8.- Presión

La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área

Presión �� GASES y LIQUIDOS (P. Hidrostática)

�� Sólidos (Esfuerzo)

Recordar...

• Presión en un fluido aumenta con la profundidad (mayor peso)

• Si existe gravedad la presión varía en sentido vertical

•Unidades: 1Pa=1N/m2 1bar=105Pa= 0.1MPa=100kPa

(SI) 1atm=101325Pa=101.325kPa=1.01325bar

(Sist. Inglés) lb/pulg2 =psi 1atm=14.696 psi


En relaciones y tablas termodinámicas la mayoría de las veces se emplea la presión absoluta

En gral �� P=Pabs

Si se le agrega ‘a’ � absoluta Psia

‘g’ � manométrica Psig

Definir la densidad relativa....


MANOMETRO

Para pequeñas diferencias de presiónse emplea un manómetro que consisteen un tubo en forma de U con unextremo conectado al recipiente quecontiene el fluido y el otro extremoabierto a la atmósfera.

El tubo contiene un líquido, comoagua, aceite o mercurio, y la diferenciaentre los niveles del líquido en ambasramas indica la diferencia entre lapresión del recipiente y la presiónatmosférica local.


•Presión absoluta: Presión real de un sistema

•Presión manométrica: Presión medida abierta a la atmósfera

•Presión de vacío: Presiones bajo la Presión atmosférica

Pabs=Pmanométrica+ Patm Pvacío =Patm - Pabs


Ejemplo:

1) Se usa un manómetro para medir la presión en un tanque el fluido utilizado tiene una densidad relativa de 0.85 y la altura de la columna del manómetro es de

55cm.

Si la presión atmosférica local es de 96kPa, determine la presión absoluta dentro del tanque


Ejemplo:

2) Un gas es contenido en 2 cilindros A y B conectados por un pistón de 2

diámetros diferentes como muestra la figura. La masa del pistón es de 10kg y la presión del gas dentro del cilindro A

es 200kPa. Calcular la presión en el cilindro B.


DB=25mm

DA=100mm

Aire

Po=100kPa

Pistón

Ejemplo:

2) Un gas es contenido en 2 cilindros A y B conectados por un pistón de 2

diámetros diferentes como muestra la figura. La masa del pistón es de 10kg y la presión del gas dentro del cilindro A

es 200kPa. Calcular la presión en el cilindro B.


DB=25mm

DA=100mm

Aire

Po=100kPa

Pistón

Barómetro de mercurioBarómetro de mercurioBarómetro de mercurioBarómetro de mercurioUn barómetro de mercurio es un sistema preciso y relativamente sencillo para medir los cambios de la presión atmosférica.

Al nivel del mar, y en condiciones atmosféricas normales, el peso de la atmósfera hace subir al mercurio 760 mm por un tubo de vidrio calibrado.

A mayor altitud, el mercurio sube menos porque la columna de aire situada sobre el barómetro es menor.


1.1.8.- Presión

Variación de la altura con la Presión

A nivel del mar, la presión tiene un valor promedio de aproximadamente 1.012 mb, por lo que se consideran presiones altas y bajas las respectivamente superiores e inferiores a este valor.


1.1.8.- Presión

1.1.9.- Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica

Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos

diferentes:

la Temperatura es una propiedad de un cuerpo y el Calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a

diferentes temperaturas.

Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico y determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad es el Kelvin (K)


CALOR ESPECIFICO ( c ) :

El calor específico de una sustancia, es el calor necesario

( medido en calorías )

para subir en 1 [ ºC ] la temperatura de 1 [ g ] de esa sustancia.

Se mide en [ cal / g ºC ].

La cantidad de calor que una sustancia absorbe o cede, está dada por:

Q = m c ∆∆∆∆ t

Donde: Q [ cal ] es el calor absorbido o cedido por la sustancia

m [ g ] es la masa de la sustancia

c [ cal / g ºC ] es el calor específico de la sustancia

∆∆∆∆ t [ ºC ] es la variación de temperatura de la sustancia


Definición de Calor:

El concepto de calor está muy ligado al concepto de temperatura, sinembargo no es lo mismo. El calor también es una cantidad que tieneque ver con la masa del sistema como también con sus propiedadesfísicas.

Dos sustancias diferentes no contienen la misma energía caloríficaaunque sus T° sean iguales.


1.1.9.- Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica

Ley cero de la Termodinámica


Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma Temperatura, incluso si no se

encuentran en contacto

∆∆∆∆ t [ ºC ] = ∆∆∆∆ t [ K ]

∆∆∆∆ t [ ºF ] = ∆∆∆∆ t [ R]1K 1°C 1.8R 1.8°F

Las escalas de temperatura se basan en los puntos de congelamiento y ebullición del agua.

SI: Escala Celcius (°C)

Sistema Inglés: Escala Fahrenheit (°F)

Existe también la escala de T° termodinámica. Esta escala en :

(indep. De prop de 1 o varias sustancias)

SI: Escala Kelvin (K)

Sistema Inglés: Escala Rankine (R)

Relación Kelvin- Celsius:

Relación Rankine- Fahrenheit:


Comparación de escalas de temperatura

ºK ºC ºR ºF

0,00 -273,15 0,00 -459,67

273,16

273,15

32,02

32,00

491,69

491,670,00

0,01

373,15 100,00 671,67 212,00

Ceroabsoluto

Punto deebullicióndel agua

.Punto tripledel agua,punto decongelación

.

Punto de ebullición a presión atmosférica

Punto de congelamiento

Cero absoluto

ºFºC ºRºK

212672373

0

100

32273 492

0 -273 0 -460Wark


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