Termodinámica I Universidad Del Azuay

Introducción y Conceptos Básicos Objetivos del capitulo: Identificar vocabulario especifico relacionado con la termodinámica Explicar conceptos básicos de la termodinámica

¿Qué es la Energía?

¿Qué es la Energía? Energía. (Del lat. energīa, y este del gr. ἐνέργεια). 1. f. Eficacia, poder, virtud para obrar. 2. f. Fís. Capacidad para realizar un trabajo. Se mide en julios. (Símb. E).

¿Qué es la Energía? El término energía (del griego ἐνέργεια/energeia, actividad, operación; ἐνεργóς/energos = fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo.

¿Qué es la Energía? En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico. Transformación en uso industrial o económico Recurso natural Tecnología

La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. ¿Qué es la Energía? La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios.

¿Qué es la Energía? Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía. Este expresa que la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante.

¿Qué es la Termodinámica? termodinámico, ca. (De termo- y dinámico). 1. adj. Fís. Perteneciente o relativo a la termodinámica. 2. f. Parte de la física en que se estudian las relaciones entre el calor y las restantes formas de energía.

¿Qué es la Termodinámica? Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Teoría Fenomenológica Sistemas reales sin modelizar a nivel macroscópico razonamiento deductivos método experimental

¿Qué es la Termodinámica?  Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.

¿Qué es la Termodinámica? La palabra termodinámica se origina del griego: (dynamis; dunamiz)(thermo; termh) significa literalmente el estudio de las fuerzas que originan el calor. Hoy en día esta traducción no tiene mucho que ver con la esencia de lo que estudiamos bajo el concepto de termodinámica. La definición original ya no es válida pues la termodinámica no sólo estudia el calor, sino todo tipo de formas de energía (mecánica, eléctrica, química, nuclear, etc.). Se podría decir que: la termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones energéticas.

La termodinámica pretende describir matemáticamente hechos observables de nuestra propia experiencia cotidiana. Se fundamenta en cuatro leyes universales Ley Cero Primera Ley de La termodinámica Segunda Ley de La termodinámica Tercera Ley de La termodinámica

Aunque los resultados nos parecen obvios, no lo son ni lo fueron para los científicos del siglo pasado. La transitividad de la temperatura es la llamada ley cero de la termodinámica y nos establece la base teórica para efectuar mediciones de temperaturas.

Pensemos ahora en una cámara aislada, en la cual colocamos dos vasos de agua a temperaturas distintas, digamos a 20 y 40 °C. Si los dejamos en reposo por un tiempo prudencial, ¿cuál será la temperatura final de los vasos? Es posible que ambos lleguen a equilibrarse a una temperatura intermedia. Sin advertirlo hemos usado el principio de conservación de energía térmica, que es un caso especial de la primera ley de la termodinámica.

Al echar azúcar al café, esta se disuelve sola Al echar azúcar al café, esta se disuelve sola. Una vez disuelta, por más que esperemos el tiempo que queramos, el azúcar no se va a separar del café. El café, inicialmente caliente se enfría, calentado en una mínima proporción el aire del cuarto. Sin embargo una taza de café no se puede calentar sola a cuenta de que se enfríe el medio ambiente.

Nosotros sabemos que en el párrafo anterior, las segundas opciones no ocurren en la naturaleza y sin embargo pudiesen cumplir con el principio de conservación de energía. Existe en la naturaleza solo una dirección en la cual ocurren los fenómenos. La segunda ley de la termodinámica nos aclara que solamente ciertos procesos y direcciones son posibles y que no todos aquellos que nosotros imaginemos son realizables aun cuando satisfagan las leyes de conservación de masa y energía.

La tercera ley establece que es imposible conseguir el cero absoluto de la temperatura (0 grados Kelvin), cuyo valor es igual a - 273.15°C.

Sistemas de unidades Dimensiones primarias y fundamentales: (masa, longitud, tiempo, temperatura, etc.) Dimensiones secundarias o derivadas: (velocidad, energía, volumen, etc.)

Sistemas de unidades Prefijos Estándar

Sistemas de unidades Sistemas Principales Sistema Internacional Sistema Ingles SI Ingles Masa Kilogramo (kg) Libra-masa (lbm) Longitud Metro (m) Pie (ft) Tiempo Segundo (s)

Sistemas de unidades Fuerza: Se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de (1kg o 32,174lbm (1slug)) a razón de ( 1 m/s2 o 1 ft/s2) SI Ingles Fuerza Newton (N) Libra - fuerza (lbf)

Sistemas de unidades Peso (w): Es una fuerza w=m.g m=Masa g= Gravedad SI = 9.807m/s2 Ingles = 32,174 ft/s2 1kgf = 9,807 N

Sistemas de unidades 1 J = 1 N . m Trabajo: Forma de energía SI Ingles Joule ( J ) British Thermal Unit (BTU) 1 J = 1 N . m

Sistemas de unidades Trabajo: El BTU es la energía requerida para elevar 1oF la temperatura de 1 lbm de agua a 68 oF La Caloría (cal) es la energía requerida para elevar 1oC la temperatura de 1 gr de agua a 14,5 oC 1cal = 4,1868 J 1 BTU = 1.0551 kJ

Sistemas de unidades

Sistemas Cerrados y Abiertos Sistema: Es una cantidad de materia o región del espacio definida por un observador. Todo aquello que no sea parte del sistema se considera los alrededores. La superficie real o imaginaria que limita el sistema se denomina frontera.

Las fronteras pueden ser físicas o imaginarias. Según las propiedades de estas fronteras el sistema se clasifica en cerrado o abierto. Frontera física Frontera Imaginaria

Sistema abierto (volumen de control) es aquel que intercambia materia a través de sus fronteras, es decir tendrá un flujo másico. Sus fronteras pueden ser fijas, móviles, reales o imaginarias.

Modelos para los sistemas abiertos

El sistema en estado estacionario es aquel donde las condiciones en cada punto del volumen de control no varían con el tiempo

El sistema cerrado, por contrapartida, será aquel en el cual no hay transferencia de masa a través de la frontera. Este sistema puede transferir energía atreves de sus fronteras en forma de calor o trabajo

Un caso particular del sistema cerrado es aquel que no percibe influencias del medio ambiente (ENERGÍA); denominado sistema aislado. Si bien el sistema aislado es una idealización debido a la imposibilidad de construir fronteras completamente impermeables, ciertas aproximaciones reales son muy buenas.

Qué tipo de sistema tienen?

Propiedades de un Sistema Que serán las propiedades de un sistema?

Propiedades de un Sistema Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Podemos clasificar a las propiedades en intensivas y extensivas.

Propiedades de un Sistema Serán intensivas aquellas que no dependen de la masa del sistema; por ejemplo el color, la temperatura, la presión, densidad, etc. Las extensivas son aquellas que dependen del tamaño o extensión del sistema como por ejemplo el volumen total, la masa total, el peso total, etc.

Propiedades Intensivas y Extensivas Dividiendo el sistema imaginariamente podemos darnos cuenta que propiedades son intensivas y cuales extensivas, esto dependerá de si al dividir la propiedad se mantiene constante o disminuye su magnitud

Densidad : Es la cantidad de masa por unidad de volumen 𝜌= 𝑚 𝑉 𝑘𝑔 𝑚 3 Volumen Especifico: Volumen por unidad de masa 𝑣= 𝑉 𝑚 = 1 𝜌 ( 𝑚 3 𝑘𝑔 ) 𝜌= densidad m= masa V = volumen 𝑣= volumen especifico

Densidad Relativa o (Gravedad Específica) Densidad de una sustancia en relación a la densidad del agua a 4 oC 𝜌 𝐻 2 𝑂 = 1000 𝑘𝑔 𝑚 3 𝑆𝐺 𝑜 𝐷𝑅= 𝜌 𝜌 𝐻 2 𝑂

Es el peso de un volumen unitario de una sustancia 𝛾 𝑠 =𝜌.𝑔 (N/m3) Peso específico: Es el peso de un volumen unitario de una sustancia 𝛾 𝑠 =𝜌.𝑔 (N/m3) 𝛾 𝑠 = Peso específico 𝜌 = Densidad g = Gravedad

Estado El estado son las condiciones de un sistema definidas por sus propiedades termodinámicas. Si un sistema en dos momentos distintos presenta los mismos valores de sus propiedades, se dice que estuvo en el mismo estado en ambos instantes. En un estado específico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos

Estado Postulado de Estado El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. Ejemplo:

Equilibrio Se dice que un sistema está en equilibrio siempre y cuando no ocurran cambios en sus propiedades sin un estímulo externo. La experiencia nos dice que todos los cuerpos tienden a un estado de equilibrio siempre y cuando se aíslen de los alrededores por suficiente tiempo. Equilibrio Térmico Equilibrio Mecánico Equilibrio Químico

Proceso Se denomina proceso a la transformación de un estado a otro. La serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso. Trayectoria del proceso

Proceso

Proceso Un proceso cuasiestático o cuasiequilibrio se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio. Son procesos considerados superficialmente lentos para que las propiedades puedan acoplarse. Son procesos idealizados para el calculo

Proceso cuasiestático o cuasiequilibrio V1>V2 P1=P2 T1=T2 P1<P2 T1<T2

Proceso de Flujo Estacionario Cuando un dispositivo opera por largos periodos bajo las mismas condiciones, se lo clasifica como dispositivo de flujo estacionario (turbinas, compresores, toberas).

Ciclo Un ciclo es un proceso que comienza y termina en un mismo estado. Las propiedades varían durante el transcurso del ciclo, pero al volver al estado inicial todas las propiedades vuelven a tomar sus valores originales.

Formas de Energía Conformar grupos de trabajo de 2 personas. Elaborar una lista de 10 formas de energía. Describir 5 procesos que involucren cambio de energía

Formas de Energía Energía mecánica ( Potencial y Cinética)  Energía calórica o térmica (calor)

Formas de Energía Energía química (alimentos y combustibles) Energía radiante o lumínica

Formas de Energía Energía eléctrica o electricidad Energía nuclear.

Formas de Energía Energía magnética. Energía metabólica. http://www.profesorenlinea.cl/fisica/EnergiaTiposde.htm http://tiposdeenergia.info/tipos-de-energia/

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica Que es la temperatura? Cualitativa o cuantitativa?

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica 1. f. Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es el kelvin (K).

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su temperatura es mayor.

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica En Términos de Medición Macroscópica Microscópica Representación cualitativa en limites entre calidez y frialdad Relaciona con la energía cinética de las moléculas de un material

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica Que es la temperatura? Cualitativa: Sensación fisiológica (Caliente, Chachai, Astaray, Helado, Tibio, Quitado el Frio) Plástico Metálica La sensación fisiológica nos puede engañar.

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica Cuantitativa Varias propiedades de los materiales cambian con la temperatura de una manera repetible y predecible. Esto establece una base para la medición precisa de la temperatura La expansión del mercurio es directamente proporcional al incremento de la temperatura

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica 22oC 22oC Calor 33oC 3oC Calor

Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica Equilibrio Térmico: Cuando 2 cuerpos se ponen en contacto y están a temperatura diferente, el calor se transfiere del cuerpo caliente al frío hasta que los 2 alcanzan la misma temperatura.

Ley Cero de la Termodinámica Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre si. Si sustituimos el tercer cuerpo por un termómetro Dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.

Ley Cero de la Termodinámica La ley cero sirve como base para la validez de la medición de la temperatura. Permitió que la temperatura sea considerada una propiedad de la termodinámica y no una propiedad de cada sustancia, es decir que exista un estándar de medición. R.H. Fowler formuló y nombró la ley cero en 1931

Escalas de Temperatura Permiten tener una base común para la medición de temperatura Se basan en estados fácilmente reproducibles como son los puntos de congelamiento y ebullición del agua a 1 atm de presión. Se denominan escalas de dos puntos Cada sustancia cuenta con un punto de congelamiento y ebullición Sistema Escala Congelamiento Ebullición S.I. Celsius (oC) 100 Ingles Fahrenheit (oF) 32 212

Escalas de Temperatura Escalas de temperatura termodinámica Estas son independientes de las propiedades de cualquier sustancia o sustancias. Se cuenta con un solo punto de referencia el cero absoluto. Sistema Internacional = Kelvin (K) Sistema Ingles = Rankine (R) 0 K = -273,15 oC

Escalas de Temperatura Escalas de temperatura termodinámica Cero Absoluto Por medio de técnicas de refrigeración poco comunes los científicos se han aproximado al cero absoluto kelvin (en 1989 lograron alcanzar 0.000000002 K). En 2003 el Instituto Tecnológico de Massachusetts obtuvo enfriar un gas en un campo magnético hasta medio nanokelvin (5·10−10 K) por encima del cero absoluto. En la actualidad se puede encontrar una aplicación práctica en el acelerador de partículas del CERN. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) alcanza una temperatura de 1,9 K. Los experimentos que se llevarán a cabo en este acelerador de partículas requieren la criogenización de ciertos circuitos para conseguir superconductores.

Escalas de Temperatura Escala de Temperatura del Gas Ideal Se mide atreves de un termómetro de gas a volumen constante. A bajas presiones la temperatura de un gas es proporcional a la presión de este.

Escalas de Temperatura Escala de Temperatura del Gas Ideal

Escalas de Temperatura Relaciones entre escalas. T(K)=T(oC)+273 T(R)=T(oF)+460 T(R)=1.8T(K) T(oF)=1.8T (oC)+32

Escalas de Temperatura Leer Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) Pag. 20 Libro Yunes Cengel 7ed. pg21

Presión Es una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área (gases y líquidos) En los solidos se denomina esfuerzo normal. Sistema Unidad Equivalencia S.I. Pascal (Pa) 1Pa = 1N/m2 Ingles  Pounds Square Inch (psi) 1psi = 1lbf/in2

Presión Otras unidades y conversiones

Presión La presión también se usa para sólidos como sinónimo de esfuerzo normal, el cual es la fuerza que actúa perpendicularmente a la superficie por unidad de área. Qué sucede si el caballero de 150 libras se para en un solo pie?

Presión Absoluta, Manométrica, Atmosférica y de Vacío. Absoluta: se la mide con respecto al 0 absoluto (presión real) Atmosférica: Es la presión ejercida por la atmosfera Manométrica: Es la presión que marcan los manómetros y toman como referencia inicial la presión atmosférica, por lo tanto cuando el manómetro marca 0 quiere decir que esta a presión atmosférica Vacío: Es la presión que se encuentra por debajo de la presión atmosférica

Pmanomómetrica = Pabs – Patm Presión Relación entre presiones Pmanomómetrica = Pabs – Patm Pvacío = Patm - Pabs

Presión Relación entre presiones

Presión Relación entre presiones Un medidor de vacío conectado a una cámara marca 5.8 psi en un lugar donde la presión atmosférica es de 14.5 psi. Determine la presión absoluta en la cámara.

Presión Nomenclatura: psia = (a) presión absoluta psig = (g) presión manométrica

Presión la presión en cualquier punto de un fluido es la misma en todas direcciones, es decir, tiene magnitud pero no dirección específica y por lo tanto es una cantidad escalar.

Presión la presión de un fluido se incrementa de forma lineal con la profundidad. (líquidos) Pmanométrica La presión de un fluido en reposo aumenta con la profundidad (como resultado del peso agregado). Pa Pd Pa<Pd

Presión En los gases el incremento de la presión es insignificante con respecto distancias pequeñas a moderadas

Presión Relación para la variación de presión con la profundidad ΔZ = distancia vertical entre los dos puntos ΔP = diferencial de presión 𝛾 𝑠 = Peso específico 𝜌 = Densidad g = Gravedad

Presión Relación para la variación de presión con la profundidad Cuando se trabaje con sustancias que se encuentren en contacto con la presión atmosférica la relación será la siguiente:

Presión Pa=Pb=Pc LEY DE PASCAL la presión ejercida sobre un fluido incompresible dentro de un recipiente rígido, se transmite a todos los puntos del mismo con el mismo valor. Pa Pb Pc Pa=Pb=Pc

Presión Máquina de Pascal

Ejercicio: D1= 5 pulg D2= 3pulg P1= 150 psia P2 = 200 psia Determinar la presión (P3) en la cámara intermedia Ejercicios Presión Equilibrio

Manómetro Es posible usar una columna de fluido para medir diferencia de presión pequeñas y moderadas (Manómetro). Esta constituido por un tubo en U generalmente de vidrio o plástico con uno o mas fluidos en su interior (agua, mercurio, aceite, etc.) ΔP=P2-P1 P1=Pg (igual en todo el recipiente) P2= 𝜌.g(Δℎ) (Presión manométrica) P3= Presión atmosférica La presión en el punto uno y dos será la misma por estar en el mismo plano horizontal Pg=Patm+𝜌.g(Δℎ) 3 Pg pg

Manómetro Ejercicio: Se utilizando un manómetro para medir la presión de un recipiente en un lugar donde la presión atmosférica es 98kPa. El manómetro tiene un aceite con una densidad relativa de 0,70. Cuál será la presión del recipiente?

Manómetro Cuando se cuenta con diferentes fluidos en un mismo manómetro utilizamos la siguiente formula:

Manómetro Ejercicio: El agua en un recipiente se presuriza con aire y la presión se mide por medio de un manómetro de varios fluidos. El recipiente se localiza en una montaña a una altitud de 1 400 m donde la presión atmosférica es 85.6 kPa. Determine la presión del aire en el recipiente si h1 0.1 m, h2 0.2 m y h3 0.35 m. Tome las densidades del agua, aceite y mercurio iguales a 1000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13600 kg/m3, respectivamente.

Manómetro Para la sumatoria de las presiones utilizamos puntos de referencia. Si la nueva altura esta por debajo de nuestro punto de referencia, el signo será (+) si esta por sobre el punto de referencia el signo será (-) Punto1 Punto 4 Punto 2 Punto 3

Manómetro Particularmente los manómetros son adecuados para medir caída de presión en una sección de flujo horizontal donde entre los puntos de medición existen válvulas, intercambiadores de calor o cualquier resistencia al flujo. P1+ 𝜌 1 g(ℎ+a) - 𝜌 2 gh - 𝜌 1 ga = P2 P1-P2 = − 𝜌 1 g(ℎ+a) + 𝜌 2 gh + 𝜌 1 ga P1-P2 = − 𝜌 1 gℎ − 𝜌 1 ga + 𝜌 2 gh + 𝜌 1 ga P1-P2 = − 𝜌 1 gℎ + 𝜌 2 gh P1-P2 = gh ( 𝜌 2 − 𝜌 1 ) Si el fluido de la tubería es un gas: P1-P2 =⋍ 𝜌 2 gh

Barómetro y Presión atmosférica La presión atmosférica de un sitio es simplemente el peso del aire que se halla arriba de ese lugar por área superficial unitaria

Barómetro y Presión atmosférica La presión atmosférica se mide mediante un dispositivo conocido como barómetro; así, la presión atmosférica se denomina por lo común presión barométrica. Evangelista Torricelli (1608-1647)

Barómetro y Presión atmosférica Patm = Presión barométrica 𝑃𝑎𝑡𝑚=𝜌.g.h La unidad de uso común es la atmósfera estándar donde: h=760mm g=9.8m/ 𝑠 2 A una temperatura de 0 𝑜 𝐶 760 mm Hg = 760 torr = 1atm 1torr = 133.3 Pa La presión atmosférica estándar varia en función del nivel del mar

Barómetro y Presión atmosférica

Factores de conversión para presiones (psi, bar, KPa)