FUNDAMENTOS. FORMAS DE ENERGÍA 2 TÉRMICA, MECÁNICA, CINÉTICA, POTENCIAL, ELÉCTRICA, MAGNÉTICA, QUÍMICA Y NUCLEAR, CUYA SUMA CONFORMA LA ENERGÍA TOTAL.

Presentación del tema: "FUNDAMENTOS. FORMAS DE ENERGÍA 2 TÉRMICA, MECÁNICA, CINÉTICA, POTENCIAL, ELÉCTRICA, MAGNÉTICA, QUÍMICA Y NUCLEAR, CUYA SUMA CONFORMA LA ENERGÍA TOTAL."— Transcripción de la presentación:

1 FUNDAMENTOS

2 FORMAS DE ENERGÍA 2 TÉRMICA, MECÁNICA, CINÉTICA, POTENCIAL, ELÉCTRICA, MAGNÉTICA, QUÍMICA Y NUCLEAR, CUYA SUMA CONFORMA LA ENERGÍA TOTAL E DE UN SISTEMA, LA CUAL SE DENOTA POR UNIDAD DE MASA MEDIANTE E: LA TERMODINÁMICA SE CENTRA EN CAMBIOS DE ENERGÍA Y NO EN EL VALOR ABSOLUTO DE LA ENERGÍA TOTAL. SE ELIGE UN ESTADO DE REFERENCIA EL CAMBIO EN LA ENERGÍA ES INDEPENDIENTE AL ESTADO DE REFERENCIA (E.G. LA ENERGÍA POTENCIAL)

3 FORMAS DE ENERGÍA: GRUPOS PARA FORMAS DE E 3 MACROSCÓPICAS: ENERGÍA EN RELACIÓN A UN MARCO DE REFERENCIA EXTERIOR. E.G. ENERGÍAS CINÉTICA Y POTENCIAL MICROSCÓPICAS: RELACIÓN CON LA ESTRUCTURA MOLECULAR DE UN SISTEMA Y EL GRADO DE LA ACTIVIDAD MOLECULAR SON INDEPENDIENTES DE LOS MARCOS DE REFERENCIA EXTERNOS LA SUMA DE TODAS LAS FORMAS MICROSCÓPICAS DE ENERGÍA SE DENOMINA ENERGÍA INTERNA DE UN SISTEMA Y SE DENOTA MEDIANTE U

4 FORMAS DE ENERGÍA 4 ENERGÍA CINÉTICA: ENERGÍA DE UN SISTEMA POR EL MOVIMIENTO EN RELACIÓN A UN MARCO DE REFERENCIA ENERGÍA POTENCIAL: ENERGÍA DE UN SISTEMA POR EL CAMBIO DE ALTURA EN UN CAMPO GRAVITACIONAL LOS EFECTOS MAGNÉTICOS, ELÉCTRICOS Y DE TENSIÓN SUPERFICIAL SON SIGNIFICATIVOS SÓLO EN CASOS ESPECIALES Y SE IGNORAN EN TERMODINÁMICA

5 FORMAS DE ENERGÍA 5 LA MAYOR PARTE DE LOS SISTEMAS CERRADOS PERMANECEN ESTACIONARIOS DURANTE UN PROCESO, POR LO QUE NO EXPERIMENTAN CAMBIOS EN E K Y E P LOS SISTEMAS CERRADOS CUYA VELOCIDAD Y ALTURA (DEL CENTRO DE GRAVEDAD) PERMANECEN CONSTANTES EN EL PROCESO SE LLAMAN SISTEMAS ESTACIONARIOS

6 FORMAS DE ENERGÍA 6 LOS VOLÚMENES DE CONTROL SE ASOCIAN CON DISPOSITIVOS QUE TRABAJAN DURANTE LARGOS PERÍODOS DE TIEMPO ES CONVENIENTE EXPRESAR EN FORMA DE TASA EL FLUJO DE ENERGÍA ASOCIADO AL FLUJO DE UN FLUIDO SE DEFINE EL FLUJO MÁSICO COMO LA CANTIDAD DE MASA QUE FLUYE POR UNA SECCIÓN TRANSVERSAL POR UNIDAD DE TIEMPO; SE RELACIONA CON EL FLUJO VOLUMÉTRICO (VOLUMEN DE UN FLUIDO QUE FLUYE POR UNA SECCIÓN TRANSVERSAL POR UNIDAD DE TIEMPO)

7 FORMAS DE ENERGÍA 7 EL FLUJO MÁSICO SE RELACIONA CON EL FLUJO VOLUMÉTRICO (VOLUMEN DE UN FLUIDO QUE FLUYE POR UNA SECCIÓN TRANSVERSAL POR UNIDAD DE TIEMPO) POR: FLUJO DE ENERGÍA:

8 FORMAS DE ENERGÍA: ENERGÍA INTERNA (U) 8 ENERGÍA SENSIBLE: ASOCIADA CON LA ENERGÍA CINÉTICA DE LAS MOLÉCULAS ENERGÍA LATENTE: ENERGÍA INTERNA ASOCIADA CON LA FASE DEL SISTEMA EL CAMBIO DE FASE PUEDE OCURRIR SIN QUE SE MODIFIQUE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL SISTEMA. NO ES NECESARIO PRESTAR ATENCIÓN A LAS FUERZAS DE ENLACE DE LOS ÁTOMOS EN UNA MOLÉCULA SE DEBEN VENCER LAS FUERZAS MOLECULARES PARA SEPARARLOS:

9 FORMAS DE ENERGÍA: ENERGÍA INTERNA (U) 9 ENERGÍA QUÍMICA: ENERGÍA INTERNA ASOCIADA CON LOS ENLACES ATÓMICOS DE UNA SUSTANCIA EN UNA RELACIÓN QUÍMICA ALGUNOS ENLACES QUÍMICOS SE DESTRUYEN Y OTROS SE FORMAN CAMBIA LA ENERGÍA INTERNA ENERGÍA NUCLEAR: ASOCIADA CON LOS ENLACES DE LOS NÚCLEOS CELULARES LAS FUERZAS NUCLEARES SON MUCHO MAYORES QUE LAS QUE UNEN A LOS ELECTRONES CON EL NÚCLEO EN GENERAL ESTA ENERGÍA NO DEBE SER CONSIDERADA EN TERMODINÁMICA

10 FORMAS DE ENERGÍA: ENERGÍA MECÁNICA 10 SISTEMAS QUE NO TIENEN QUE VER CON LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA NUCLEAR, QUÍMICA O TÉRMICA A ENERGÍA MECÁNICA NO HAY EN ELLOS TRANSFERENCIA DE CALOR EN CANTIDAD IMPORTANTE Y OPERAN EN ESENCIA A TEMPERATURA CONSTANTE LA ENERGÍA MECÁNICA SE PUEDE DEFINIR COMO LA FORMA DE ENERGÍA QUE SE PUEDE CONVERTIR COMPLETAMENTE EN TRABAJO MECÁNICO DE MODO DIRECTO MEDIANTE UN DISPOSITIVO (E K Y E P ) LA PRESIÓN DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO SE RELACIONA CON SU E MEC

11 FORMAS DE ENERGÍA: ENERGÍA MECÁNICA 11 LA PRESIÓN POR SI SOLA NO ES UNA FORMA DE ENERGÍA, PERO UNA FUERZA DE PRESIÓN QUE ACTÚA EN UN FLUIDO A LO LARGO DE UNA DISTANCIA PRODUCE UN TRABAJO LLAMADO TRABAJO DE FLUJO (P/ Ρ – J/KG) ES CONVENIENTE CONSIDERAR EL TRABAJO DE FLUJO COMO ENERGÍA DE FLUJO Y ES PARTE DE LA ENERGÍA DE UN FLUJO EN MOVIMIENTO

12 FORMAS DE ENERGÍA: ENERGÍA MECÁNICA 12

13 1.CONCEPTOS BÁSICOS Y DEFINICIONES 2.SISTEMAS TERMODINÁMICOS 3.PROPIEDADES DE UN SISTEMA 4.ESTADO Y EQUILIBRIO 5.POSTULADO DE ESTADO 6.PROCESOS Y SUS CARACTERÍSTICAS CONTENIDO 13

14 SISTEMAS TERMODINÁMICOS 14 SISTEMA: CANTIDAD DE MATERIA O REGIÓN EN EL ESPACIO ELEGIDA PARA ANÁLISIS ALREDEDORES: MASA O REGIÓN FUERA DEL SISTEMA FRONTERA: SUPERFICIE REAL O IMAGINARIA QUE SEPARA EL SISTEMA DE SUS ALREDEDORES, PUEDE SER FIJA O MÓVIL, TIENE ESPESOR CERO Y NO TIENE MASA NI VOLUMEN

15 SISTEMA CERRADO: MASA DE CONTROL 15 SISTEMA EN EL CUAL NO HAY TRANSFERENCIA DE MASA LA MASA ES FIJA LA ENERGÍA EN FORMA DE CALOR O TRABAJO SI PUEDE CRUZAR LA FRONTERA EL VOLUMEN NO TIENE QUE SER FIJO

16 SISTEMA ABIERTO: VOLUMEN DE CONTROL 16 SISTEMAS QUE PERMITEN LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y MASA A TRAVÉS DE LA FRONTERA ES UNA REGIÓN ELEGIDA APROPIADAMENTE EN EL ESPACIO Estos sistemas deben ser elegidos cuidadosamente, en algunos casos este proceso es simple y obvio, pero una mala elección de las fronteras complica la solución

17 SISTEMA ABIERTO: VOLUMEN DE CONTROL 17 GENERALMENTE ENCIERRA UN DISPOSITIVO QUE TIENE QUE VER CON FLUJO MÁSICO, COMO UN COMPRESOR, TURBINA, DIFUSOR, TOBERA, CALENTADOR DE AGUA, RADIADOR, INTERCAMBIADORES LAS FRONTERAS DE UN VOLUMEN DE CONTROL (VC) SE CONOCEN COMO SUPERFICIE DE CONTROL (SC)

18 SISTEMA ABIERTO: VOLUMEN DE CONTROL 18 EN ESTOS SISTEMAS NO ES CONVENIENTE ELEGIR UNA MASA FIJA, YA QUE ENTRAN Y SALEN DEL DISPOSITIVO, EN CAMBIO SE CENTRA LA ATENCIÓN EN EL VOLUMEN QUE FORMAN LAS SUPERFICIES INTERIORES LAS FRONTERAS EN UN VC PUEDEN SER REALES O IMAGINARIAS, TAMBIÉN PUEDEN SER FIJAS O MÓVILES

19 PROPIEDADES DE UN SISTEMA 19 CUALQUIER CARACTERÍSTICA DE UN SISTEMA. ALGUNAS SON MUY FAMILIARES COMO PRESIÓN P, TEMPERATURA T, VOLUMEN V Y MASA M. AMPLIANDO: DENSIDAD ( Ρ ), VISCOSIDAD (µ), CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K), MÓDULO DE ELASTICIDAD (E), COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA ( Α ) Las propiedades independientes de la masa del sistema se denominan Intensivas, mientras las dependientes se denominan Extensivas Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas. E. g.

20 DENSIDAD Y VOLUMEN ESPECÍFICO 20 DENSIDAD ( Ρ ): MASA POR UNIDAD DE VOLUMEN VOLUMEN ESPECÍFICO (V): VOLUMEN POR UNIDAD DE MASA LA DENSIDAD DE UNA SUSTANCIA DEPENDE DE LA T Y LA P EN GASES ES PROPORCIONAL A P E INVERSAMENTE PROPORCIONAL A T CASI INVARIANTE EN LÍQUIDOS Y SÓLIDOS EN LÍQUIDOS TIENE UNA MAYOR VARIACIÓN CON T

21 GRAVEDAD ESPECÍFICA O DENSIDAD RELATIVA 21 CANTIDAD ADIMENSIONAL QUE SE DEFINE COMO EL COCIENTE DE LA DENSIDAD DE UNA SUSTANCIA ENTRE LA DENSIDAD DE ALGUNA SUSTANCIA ESTÁNDAR A UNA TEMPERATURA ESPECIFICADA. (NORMALMENTE AGUA A 4°C, PARA LA QUE )

22 PESO ESPECÍFICO 22 PESO DE UN VOLUMEN UNITARIO DE UNA SUSTANCIA G: ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD (9.81 M/S 2 ) VIENE DE:

23 ESTADO 23 CONJUNTO DE PROPIEDADES QUE DESCRIBE POR COMPLETO LA CONDICIÓN DEL SISTEMA CONSIDERANDO QUE EL SISTEMA NO EXPERIMENTA NINGÚN CAMBIO, SE PUEDEN MEDIR O CALCULAR EN ESTAS CIRCUNSTANCIAS TODAS LAS PROPIEDADES EN EL SISTEMA, QUE TIENEN VALORES FIJOS SI CAMBIAN LAS PROPIEDADES, EL ESTADO CAMBIA A OTRO DIFERENTE

24 EQUILIBRIO 24 EN TERMODINÁMICA, EL EQUILIBRIO DESCRIBE UN ESTADO EN BALANCE EN UN ESTADO DE EQUILIBRIO NO HAY POTENCIALES DESBALANCEADOS (O FUERZAS IMPULSORAS) DENTRO DEL SISTEMA, Y ÉSTE NO EXPERIMENTA CAMBIOS CUANDO ES AISLADO DE SUS ALREDEDORES EQUILIBRIO TÉRMICO: SE TIENE LA MISMA TEMPERATURA UN TODO EL SISTEMA

25 EQUILIBRIO 25 EQUILIBRIO MECÁNICO: SE RELACIONA CON LA PRESIÓN; SI CON EL TIEMPO NO HAY CAMBIO DE PRESIÓN EN ALGUNO DE SUS PUNTOS. E.G. EN EL INTERIOR DEL SISTEMA LA PRESIÓN PUEDE VARIAR CON LA ELEVACIÓN EQUILIBRIO DE FASE: LAS MASAS DE CADA FASE PERMANECEN EN EQUILIBRIO EQUILIBRIO QUÍMICO: LA COMPOSICIÓN QUÍMICA NO CAMBIA CON EL TIEMPO, ES DECIR, SI NO OCURREN REACCIONES QUÍMICAS EQUILIBRIO TERMODINÁMICO: SE SATISFACEN TODOS LOS TIPOS DE EQUILIBRIO

26 POSTULADO DE ESTADO 26 EL ESTADO DE UN SISTEMA SE DEFINE POR SUS PROPIEDADES. ¿CUÁNTAS? R/ POSTULADO DE ESTADO: EL ESTADO DE UN SISTEMA COMPRESIBLE SIMPLE SE ESPECIFICA POR COMPLETO MEDIANTE DOS PROPIEDADES INTENSIVAS INDEPENDIENTES SISTEMA COMPRESIBLE SIMPLE: CARECE DE EFECTOS ELÉCTRICOS, MAGNÉTICOS, GRAVITACIONALES, DE MOVIMIENTO Y TENSIÓN SUPERFICIAL. ESTOS EFECTOS SUELEN SER INSIGNIFICANTES PARA LA MAYOR PARTE DE LOS PROBLEMAS EN TERMODINÁMICA, ES NECESARIO ESPECIFICAR UNA PROPIEDAD ADICIONAL PARA CADA EFECTO IMPORTANTE

27 POSTULADO DE ESTADO 27 PROPIEDADES INTENSIVAS INDEPENDIENTES: SI UNA DE ELLAS PUEDE VARIAR MIENTRAS LA OTRA SE MANTIENE CONSTANTE. E.G. T Y V; P Y V LA T Y P SON PROPIEDADES INDEPENDIENTES EN SISTEMAS DE UNA FASE PERO T = F(P) EN SISTEMAS DE DOS FASES. NO ES SUFICIENTE CON TENER T Y P PARA FIJAR EL ESTADO EN SISTEMAS DE 2 FASES (CAMBIO DE FASE)

28 PROCESO 28 PROCESO: CUALQUIER CAMBIO DE UN ESTADO DE EQUILIBRIO A OTRO EXPERIMENTADO POR UN SISTEMA TRAYECTORIA: SERIE DE ESTADOS POR LOS QUE PASA UN SISTEMA DURANTE UN PROCESO PARA DESCRIBIR COMPLETAMENTE UN PROCESO SE DEBEN ESPECIFICAR SUS ESTADOS INICIAL Y FINAL, ASÍ COMO LA TRAYECTORIA QUE SIGUE Y LAS INTERACCIONES CON LOS ALREDEDORES Proceso entre los estados 1 y 2 y la trayectoria del proceso.

29 PROCESO 29 PROCESO CUASIESTÁTICO O CUASIEQUILIBRIO: ES SUFICIENTEMENTE LENTO COMO PARA QUE EL SISTEMA SE AJUSTE INTERNAMENTE, DE MODO QUE LAS PROPIEDADES EN TODOS LOS PUNTOS SEAN LAS MISMAS AUNQUE ES UN CASO IDEALIZADO, MUCHOS PROCESOS REALES SE APROXIMAN BASTANTE Y ES POSIBLE MODELARLOS COMO DE CUASIEQUILIBRIO LAS TRAYECTORIAS SÓLO TIENEN SENTIDO PARA PROCESOS CUASIEQUILIBRIO

30 PROCESO 30 PROCESOS PARTICULARES ISO: UNA DE LAS PROPIEDADES PERMANECE CONSTANTE PROCESO ISOTÉRMICO: PROCESO A T CONSTANTE PROCESO ISOBÁRICO: PROCESO A P CONSTANTE PROCESO ISOCÓRICO (O ISOMÉTRICO): PROCESO A V CONSTANTE CICLO: CUANDO UN SISTEMA REGRESA A SU ESTADO INICIAL AL FINAL DEL PROCESO

31 BIBLIOGRAFÍA 31 TERMODINÁMICA, CENGEL Y. AND BOLES M., MCGRAW HILL, 7ª EDICIÓN