19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 1 Volver Principios de Termodinámica 1.- Conceptos básicos.- Temperatura.-

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1 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 1 Volver Principios de Termodinámica 1.- Conceptos básicos.- Temperatura.- Calentamiento de sólidos y líquidos sin cambio de fase.- Calentamiento de gases a presión constante.- Calentamiento de gases a volumen constante.- Relación entre Cp y Cv Algunas leyes importantes.- 2.- Termodinámica.- 2.1.- Sistemas termodinámicos 2.2 Primer principio de la termodinámica.- 2.3.- Transformaciones en los sistemas termodinámicos.- 2.4.- Segundo principio de la termodinámica.- 2.4.1.- Rendimiento de las máquinas térmicas.- 2.4.2.- Eficiencia en máquinas frigoríficas.- 3.- Ciclo de Carnot.- Bibliografía.-

2 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 2 Volver 1.- Conceptos básicos.- Calor: es una manifestación de la energía en tránsito. El calor en energía que pasa de un cuerpo a otro, se absorbe por este segundo cuerpo incrementando la energía cinética de las partículas que lo constituyen. Unidades de medida: caloría. Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua a presión normal, desde 14,5 ºC hasta 15,5 ºC. Equivalencias: 1 cal = 4,18855 J 1 J = 0,2389 cal

3 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 3 Volver Temperatura.- Definición: la temperatura es una medida de la energía interna de un cuerpo (es proporcional a la energía cinética media de las partículas que constituyen el cuerpo). Energía interna: energía que poseen los cuerpos por el movimiento incesante de las partículas que los contienen ● Escala centígrada o Celsius: ● 0 ºC → fusión del hielo ● 100 ºC → Ebullición del agua. ● Un grado centígrado1/100 del intervalo de temperaturas entre fusión y ebullición del agua (intervalo fundamental). ● Escala centígrada o Celsius: ● 0 ºC → fusión del hielo ● 100 ºC → Ebullición del agua. ● Un grado centígrado1/100 del intervalo de temperaturas entre fusión y ebullición del agua (intervalo fundamental). ● Escala Farenhait: ● 32 ºF fusión del hielo. ● 212 ºF ebullición del agua. ● Un grado farenhait es 1/180 del intervalo fundamental. ● Escala Farenhait: ● 32 ºF fusión del hielo. ● 212 ºF ebullición del agua. ● Un grado farenhait es 1/180 del intervalo fundamental. ● Escala absoluta o Kelvin: ● 0 K ≡ cero absoluto: cesa el movimiento de las partículas. ● 0 K = -273 ºC ● Escala absoluta o Kelvin: ● 0 K ≡ cero absoluto: cesa el movimiento de las partículas. ● 0 K = -273 ºC K = 273 + ºC

4 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 4 Volver Calentamiento de sólidos y líquidos sin cambio de fase.- Q = m C Δt Cantidad de calor masa Naturaleza de la sustancia calentada Calor específico: Cantidad de calor que hay que aplicar a un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado. Unidades: ● Cal / (g ºC) ● J/(kg K) Calor específico: Cantidad de calor que hay que aplicar a un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado. Unidades: ● Cal / (g ºC) ● J/(kg K) Incremento de temperatura

5 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 5 Volver Calentamiento de gases a presión constante.- Q p = n C p Δt Calor aplicado a un cierto volumen de gas Número de moles del gas Calor molar a presión constante Incremento de temperatura Cantidad de calor que hay que aplicar a un mol de un gas para aumentar su temperatura 1 ºC manteniendo la presión constante Unidades: ● Cal / (mol ºC) ● J / (mol K) Cantidad de calor que hay que aplicar a un mol de un gas para aumentar su temperatura 1 ºC manteniendo la presión constante Unidades: ● Cal / (mol ºC) ● J / (mol K)

6 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 6 Volver Calentamiento de gases a volumen constante.- Q v = n C v Δt Calor aplicado a un cierto volumen de gas Número de moles del gas Calor molar a volumen constante Incremento de temperatura Cantidad de calor que hay que aplicar a un mol de un gas para aumentar su temperatura 1 ºC manteniendo su volumen constante Unidades: ● Cal / (mol ºC) ● J / (mol K) Cantidad de calor que hay que aplicar a un mol de un gas para aumentar su temperatura 1 ºC manteniendo su volumen constante Unidades: ● Cal / (mol ºC) ● J / (mol K)

7 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 7 Volver Relación entre C p y C v Ecuación de estado de los gases ideales: P V = n R T ● P ≡ presión. ● V ≡ volumen. ● n ≡ número de moles. ● R ≡ constante universal de los gases ideales. ● T ≡ temperatura absoluta. C p > C v ● para que un gas se expanda debe producirse un trabajo externo. ● C p = C v + W exp El trabajo de expansión de un gas viene dado por la exprsión: W exp = P ΔV Es decir: C p = C v + P ΔV Suponemos que tenemos un mol de un gas inicial. ● Condiciones iniciales: P,V,T ● Aumentamos 1 K su temperatura, condiciones finales: P, V+ΔV, T+1 ● Aplicamos la ley de estado en ambas situaciones: ● PV = RT ● P(V+ΔV) = R(T+1) ● Operando: ● P ΔV = R ● Por lo que podemos escribir C p = C v +R R = 8,3144 J/(K mol) = 1,9872 cal/(K mol) Coeficiente adiabático.

8 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 8 Volver Relación C v C p (2) Gases monoatómicos: C p = 5/2 R C v = 3/2 R Gases monoatómicos: C p = 5/2 R C v = 3/2 R Gases diatómicos C p = 7/2 R C v = 5/2 R Gases diatómicos C p = 7/2 R C v = 5/2 R Gases poliatómicos. ● A temperaturas bajas se comportan como si fueran monoatómicos ● A temperaturas altas, C p y C v adoptan valores muy variables Gases poliatómicos. ● A temperaturas bajas se comportan como si fueran monoatómicos ● A temperaturas altas, C p y C v adoptan valores muy variables

9 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 9 Volver Algunas leyes importantes.- Leyes Charles y Gay Lussac A volumen constante la presión es proporcional a la temperatura A presión constante el vonlumen es proporcional a la temperatura. Ley de Boyle-Mariotte. Para un gas ideal a temperatura constante se cumple: Ley de Boyle-Mariotte. Para un gas ideal a temperatura constante se cumple:

10 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 10 Volver 2.- Termodinámica.- Termodinámica: ● Estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y de calor en trabajo. ● En primer lugar establece las equivalencias entre trabajo y calor. ● En segundo lugar determina las condiciones en que puede obtenerse trabajo a partir de la energía térmica Termodinámica: ● Estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y de calor en trabajo. ● En primer lugar establece las equivalencias entre trabajo y calor. ● En segundo lugar determina las condiciones en que puede obtenerse trabajo a partir de la energía térmica

11 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 11 Volver 2.1.- Sistemas termodinámicos Un sistema termodinámico es una parte del universo separada del mismo por fronteras reales o imaginarias. Consideraremos, en lo que sigue que los sistemas termodinámicos son cerrados (pueden intercambiar energía pero no materia con el exterior) y homogéneos (están compuestos por un gas o mezcla de gases, por un líquido o por un sólido puros) Variables termodinámicas: Variables del sistema de carácter macroscópico; se toman en consideración un gran número de partículas. En un sistema termodinámico pueden ocurrir transformaciones que hagan variar el valor de estas variables. Presión, volumen, temperatura, composición química, concentración de los componentes. Funciones de estado: Variables termodinámicas que dependen sólo del estado inicial y final del sistema sin que importen los estados intermedios que haya habido que pasar para llegar al estado final. Presión, volumen, temperatura, entropía. Ecuación de estado: Las funciones de estado no son independientes entre sí, el valor de algunas de ellas pueden determinar el valor de las demás Ejemplo: ecuación de estado de los gases ideales: PV = nRT

12 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 12 Volver 2.2 Primer principio de la termodinámica.- ∆U ≡ incremento de la energía interna del sistema (puede ser positiva o negativa) Q ≡ calor aportado al sistema (-) o desprendido por el sistema (+) W ≡ trabajo realizado por el sistema contra el medio ambiente, trabajo motor (+) o realizado contra el sistema (-) sistema Q abs > 0 Q ced < 0 W exp > 0 W comp < 0 ● Si un sistema evoluciona de modo que coinciden el punto inicial y el final, se cumple: ● ΔU = 0 ● Q = W ● Podemos representar el sistema por medio de un diagrama pV en el que el calor cedido o aceptado por el sistema viene representado por el área que encierra la curva. ● Si el movimiento del sistema es a derechas el sistema recibe calor del exterior y a expensas del calor realiza un trabajo de expansión. ● Si el movimiento del sistema es a izquierdas el sistema cede calor al exterior. + Q p V

13 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 13 Volver 2.3.- Transformaciones en los sistemas termodinámicos.- p V p V p V p V

14 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 14 Volver 2.4 Segundo principio de la termodinámica En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud función dichos parámetros, llamada entropía. La cantidad de entropía del Universo tiende a incrementarse con el tiempo. Enunciado de Clausius. «Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura». Enunciado de Kelvin-Planck. «Es imposible todo proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de energía en forma de calor procedente de un foco térmico (o reservorio o depósito térmico), y la conversión de toda ésta energía en forma de calor en energía en forma de trabajo». Algunos corolarios del principio, a veces empleados como enunciados alternativos, serían: «Ningún proceso cíclico es tal que el sistema en el que ocurre y su entorno puedan volver a la vez al mismo estado del que partieron». «En un sistema aislado, ningún proceso puede ocurrir si a él se asocia una disminución de la entropía total del sistema.» Wikipedia

15 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 15 Volver 2.3.1.- Rendimiento de las máquinas térmicas.- W = Q 1 - Q 2 Q 1 >0 y Q 2 > 0 con │Q 1 │>│Q 2 │ Es el único caso en que la máquina puede funcionar: W=│Q 1 -Q 2 │ Rendimiento en máquinas térmicas: Se puede observar que el rendimiento de una máquina térmica es siempre inferior a la unidad. Caldera Temperatura = T 1 Q1Q1 Q2Q2 Refrigerante Temperatura = T 2 T 1 >T 2 Má qui na

16 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 16 Volver 2.3.2.- Eficiencia en máquinas frigoríficas.- Expresa la relación entre el calor absorbido del foco frío y el trabajo necesario para realizar esta absorción: Foco caliente Temperatura = T 1 Q1Q1 Q2Q2 Foco frío Temperatura = T 2 W T 2 <T 1 Má qui na

17 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 17 Volver 3.- Ciclo de Carnot.- 1-2 El gas a temperatura T 1 se expande isotérmicamente desde V 1 hasta V 2 realizando un trabajo contra el exterior, al tiempo que absorbe el calor Q 1 del foco caliente. 2-3 Expansión adiabática: el gas produce trabajo expandiéndose desde V 2 hasta V 3 al tiempo que su temperatura disminuye de T 1 a T 2. 3-4 Compresión isotérmica: el gas se comprime desde V 3 hasta V 4 a temperatura constante T 2 (temperatura del foco frío, del refrigerante); el gas cede el calor Q 2 al foco frío al tiempo que recibe un trabajo de compresión desde el exterior. 4-1 Compresión adiabática: el volumen del gas pasa de V 4 a V 1 (volumen inicial) recibiendo un trabajo de compresión desde el exterior y produciéndose un aumento de temperatura desde T 2 hasta T 1 (Temperatura del foco caliente) T 1 y T 2 son las temperaturas absolutas de los focos caliente y frío. 1 2 3 4 Q1Q1 Q2Q2 Isoterma W p V V1V1 V2V2 V3V3 V4V4 Adiabátic a T1T1 T2T2

18 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 18 Volver Bibliografía.- Tecnología Industrial 2.- José Antonio Fidalgo Fuentes y otros. Editorial Everest Wikipedia: ● Primera ley de la termodinámica. Primera ley de la termodinámica. ● Criterio de signos termodinámico. Criterio de signos termodinámico. ● Segunda ley de la termodinámica. Segunda ley de la termodinámica. ● Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot

19 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 19 Volver Autor Emilio Erwin Gradolph Cadierno. Profesor de Tecnología del IES EUROPA.

20 19/09/2016 Principios de termodinámica Departamento de Tecnología del IES Europa Pág, 20 Volver