TERMODINAMICA 2019 INGENIERIA MECANICA UNIDAD TEMATICA N°1:Definición de parámetros termodinámicos. Dimensiones y unidades. Sistemas Termodinámicos. Propiedades.

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1 TERMODINAMICA 2019 INGENIERIA MECANICA UNIDAD TEMATICA N°1:Definición de parámetros termodinámicos. Dimensiones y unidades. Sistemas Termodinámicos. Propiedades termodinámicas. Propiedades extensivas e intensivas. Concepto de estado y equilibrio. Función de estado. Ecuación de estado para gases ideales y reales. Ecuación de Van der Waals. Ley de los Estados Correspondientes. Factor de compresibilidad. Otras Ecuaciones de Estado. Definición de vapor saturado, líquido saturado, vapor húmedo, vapor sobrecalentado. Uso de Tablas de Vapor.

2 DEFINICION TERMODINAMICA método de estudio de los fenómenos físicos y químicos donde se trata de determinar las condiciones de equilibrios de los sistemas y las transferencias de una forma de energía en otra y cuando estas son posibles. UNIVERSO=SISTEMA +MEDIO SISTEMA: parte del universo cuyas modificaciones nos interesa estudiar. MEDIO: resto del universo que no pertenece al sistema

3 PUNTOS DE VISTA DE LA TERMODINAMICA cuando se describe el sistema mediante magnitudes que indican propiedades del mismo que afectan los sentidos del hombre por ejemplo volumen,presión y temperatura donde no es necesario tener conocimiento de la estructura de la materia. Se denominan parámetros macroscópicos.(termodinámi ca clásica) de un sistema hay que admitir una hipótesis sobre la estructura de la materia.(termodinámic a estadística ) PUNTO VISTA MACROSCOPICO PUNTO VISTA MICROSCOPICO

4 EQUILIBRIO TERMODINÁMICO: UN SISTEMA ESTA EN EQUILIBRIO CUANDO SUS PARÁMETROS NO SE MODIFICAN CON EL TRANSCURSO DEL TIEMPO.P ARA ESTO HAY QUE CUMPLIR TRES CLASES DE EQUILIBRIO : *Equilibrio Mecánico: cuando la presión tiene el mismo valor en todas las partes del sistema o a lo sumo sufre una variación continua. *Equilibrio Térmico: cuando la temperatura es la misma en todo el sistema y además esta temperatura coincide con la del medio. *Equilibrio Químico: cuando la composición química no se modifica en el sistema,es decir no que existen reacciones químicas.

5 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS ( SEGÚN LA CANTIDAD MASA QUE LOS INTEGRAN ) *SISTEMA CERRADO: si durante el proceso en estudio no entra ni sale masa del mismo. *SISTEMA ABIERTO: durante el fenómeno en estudio entra y/o sale masa del mismo. *SISTEMA ABIERTO CIRCULANTE: cuando la cantidad de masa que entra al sistema es igual a la que sale del mismo durante el fenómeno de estudio, habiendo flujo de masa por el sistema en régimen permanente. *SISTEMA ABIERTO EN RÉGIMEN NO PERMANENTE: cuando solo entra masa a él y no sale, o sale y no entra o la cantidad que sale no es igual a la que entra o viceversa.

6 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS ( SEGÚN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA ) *SISTEMA DE UN COMPONENTE: toda la masa que lo íntegra pertenece a una única especie química. *SISTEMA DE VARIOS COMPONENTES: sistema en que la masa que lo integran pertenece a más de una especie química. *SISTEMAS HOMOGÉNEOS: es un sistema que estando en equilibrio todos sus parámetros tienen un mismo valoren todas partes en el sistema o si algunos de ellos lo hace en forma continua. *SISTEMA HETEROGÉNEO: sistema que estando en equilibrio hay al menos un parámetro que toma mas de un valor, variando con discontinuidad, sé dice que esta integrado por fases.

7 PARÁMETRO TERMODINAMICO: INDICA UNA CARACTERÍSTICA DEL SISTEMA, DERIVADO DE LA SENSACIÓN DEL HOMBRE. cuando su valor en el sistema no depende de la masa que constituye al mismo por ejemplo presión y temperatura Su valor en el sistema depende de la masa que constituye al mismo ejemplo volumen. Parámetro IntensivoParámetro Extensivo

8 ESTADO : situación particular de un sistema, pueden ser de equilibrio o fuera de equilibrio. EN TERMODINÁMICA VAMOS A ESTUDIAR ESTADOS DE EQUILIBRIO. TRANSFORMACIÓN : cuando un sistema parte de un estado, pasa por una sucesión de estados y alcanza un estado final. CICLO: se cumple un ciclo cuando un sistema experimenta una transformación de forma que el estado inicial coincide con el final. ECUACIÓN DE ESTADO : un estado de equilibrio se define por un cierto números de parámetros elegidos de entre un numero mayor. Conocido un par de tres parámetros entre presión, temperatura y volumen el estado esta definido y por lo tanto el tercer parámetro queda determinado. Entonces existe una función que los relaciona: f (p,T,V)=0 ECUACIÓN DE ESTADO ENERGÍA :capacidad de producir cambios en los sistemas.

9 PRESIÓN : SE DEFINE COMO UNA FUERZA NORMAL QUE EJERCE UN FLUIDO POR UNIDAD DE ÁREA PRESIÓN ABSOLUTA :es la real en una determinada posición y se mide respecto al vacío absoluto (es decir presión cero absoluta) PRESIÓN MANOMÉTRICA O RELATIVA : como la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero en la atmosfera, la presión manométrica indica la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. PRESIÓN DE VACÍO es la presión por debajo de la presión atmosférica, se mide mediante medidores de vacío,que indican la diferencia entre la presión atmosférica y absoluta. PRESIÓN ATMOSFÉRICA: de un sitio es el peso del aire que se halla arriba de ese lugar por área superficial unitaria. Cambia no solo con la altura sino con las condiciones climáticas.

10 PRESIÓN

11 TEMPERATURA La escala Kelvin se relaciona con la Celsius mediante: T(K)=T(ºK)+273 La escala Rankine se relaciona mediante Fahrenheit mediante: T(R)=T(ºF)+460 Las escalas de temperaturas en los dos sistemas de unidades se relacionan mediante: T(R) =1.8T(K) T(ºF)=1.8T(ºC)+32

12 UN MEDIDOR DE PRESION CONECTADO A UN TANQUE REGISTRA 3.5 BAR EN UN SITIO DONDE LA LECTURA BAROMETRICA ES DE 75 CM DE HG.DETERMINE LA PRESION ABSOLUTA EN EL TANQUE. BAROMETRO MERCURIO BAROMETRO ANAEROIDE

13 R ESOLUCIÓN EJERCICIO DATOS: PRESION MANOMETRICA :3,5 BAR PRESION ATMOSFERICA:750 mmHg PRESION ABSOLUTA: ? SI 1 atm=760 mm Hg(Torr) 1Torr=101,3Kpa *1bar-----100Kpa 3,5bar-----=350kpa Pabs=Pmano+Patm=350kpa+100kpa=450kpa *1atm-----760mmHg 0,986atm=----750 mmHg *1atm-----101,325kpa 0,986atm----=100kpa

14 GASES IDEALES Y REALES GASES IDEALES: se denominan así a los gases que cumplen con las leyes de GAY-LUSSAC y BOYLE Y MARIOTTE. Un gas real se podrá acercar a un gas ideal si esta sometido a baja presión si su temperatura no es elevada. Un gas real a muy alta temperatura también cumplirá con las condiciones de gas ideal a presiones mas altas

15 G ASES IDEALES LEY DE BOYLE Y MARIOTTE LEY DE GAY-LUSSAC

16 ECUACION DE ESTADO DE LOS GASES PERFECTOS

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18 E JERCICIO GASES IDEALES Un tanque rígido contiene 10 kg de aire (gas ideal) a 150 kpa y 20 ̊ C, se agrega más aire hasta que la presión y temperatura aumentan a 250 kpa y 30 ̊ C respectivamente. Determinar la cantidad de aire agregado. (RTA:6,12 KG) Datos Estado 1: P1=150 Kpa T1=20°C m1=10 Kg Estado 2: P2=250 Kpa T2=30°C m2=? Hipotesis:GI-SC-V=CTE

19 E JERCICIO GASES IDEALES P1V1=m1RpT1 V1=5,606 m3 Como V1=V2 P2V2=m2RpT2 m2=16,12 kg M(agregada)=m2-m1=6,12 kg

20 MEZCLA DE GASES PERFECTOS Para las mezclas de gases perfectos aplicamos las leyes de DALTON y AMAGAT LEY DE DALTON: pi=xi*p La presión parcial de un componente será igual al producto de su fracción molar por la presión total LEY DE AMAGAT: Vi=xiV El volumen parcial de un componente será igual al producto de su fracción molar por el volumen total

21 MEZCLA GASES PERFECTOS

22 EJERCICIO MEZCLA GASES PERFECTOS Un recipiente rígido contiene 0.5 m3 de una mezcla de gases ideales compuesta por 0.2 kg de nitrógeno, 0.4 kg de dióxido de carbono, 0.3 kg de metano y 0.01kg de hidrogeno la presión de la mezcla es de 760 mm de mercurio y está a 27 ̊ C de temperatura. Calcular a-composición en peso b- peso molecular de la mezcla c-constante particular de la mezcla d- presión parcial de cada componente e-volumen total de la mezcla f- volumen parcial de cada componente

23 RESOLUCION DATOS : V=0,5 m3,T=27°C,P=760 mmHg mN2=0,2 Kg, mCo2=0,4Kg,mCh4=0,3 Kg A) Composición en peso Mt=∑mi=0,2+0,4+0,3+0,01=0,91 Kg %N2=mN2/mt=0,2198 Kg * 100%=21,98 %N2 %Co2=mCo2/mt=0,4396Kg*100%=43,96%Co2 %Ch4=mCh4/mt=0,3297Kg*100%=32,97%Ch4 %H2=mH2/mt=0,11Kg*100%=1,1%H2

24 EJERCICIO MEZCLA GASES PERFECTOS A)Mm=∑xiMi (Peso molecular mezcla) Mm=XN2*MN2+XCo2*MCo2+XCh4*MCh4+XH2*MH2 xi=ni/nt (Fracción molar cada componente) PASO 1—Sacar números de moles de cada componente nN2=mN2/MN2=0,007139Kmol nCo2=mCo2/MCo2=0,0091 Kmol nCh4=mCh4/MCh4=0,0187 Kmol nH2=mH2/MH2=0,00496 Kmol nt=∑ni=0,03990 Kmol

25 EJERCICIO MEZCLA GASES PERFECTOS XN2=nN2/nt=0,1789 ;XCo2=nCo2/nt=0,2281 XCh4=nCh4/nt=0,4687;XH2=nH2/nt=0,1243 Peso molecular mezcla Mm=∑xiMi =22,82Kg/Kmol C)Constante particular mezcla Rpm=Ru/Mm=0,3643 Kj/kgK D) Presión parcial cada componente pi=xi*pt Pn2=Xn2*Pt=18,107 Kpa ;PCo2=XCo2*Pt=23,11 Kpa PCh4=XCh4*Pt=23,112Kpa;PH2=XH2*Pt=12,595Kpa

26 EJERCICIO MEZCLA GASES PERFECTOS E)Volumen total de la mezcla P V=nt Ru T --- V=0,9822m3 F)Volumen parcial de cada componente Vi=xiVt VN2=Xn2*Vt=0,1755 m3;VCo2=XCo2*Vt=0,2240 m3 VCh4=XCh4*Vt=0,4603m3;VH2=XH2*Vt=0,1221m3

27 GASES REALES

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29 Los parámetros del estado critico del gas son los parámetros donde los estados de liquido saturado y vapor saturado son casi idénticos

30 GASES REALES

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32 L IQUIDO COMPRIMIDO Y LIQUIDO SATURADO

33 V APOR SATURADO Y VAPOR SOBRECALENTADO

34 DIAGRAMA P-V DE UNA SUSTANCIA PURA

35 EJERCICIO Un dispositivo cilindro-embolo contiene 0.1 m3 de agua líquida y 0.9 m3 de vapor de agua en equilibrio a 800 kpa.Se transfiere calor a presión constante hasta que la temperatura alcanza los 350 ̊ C.Determine: a-la temperatura inicial (RTA: Ti=170,43 °C) b-la masa total del agua (RTA: M=93,44 KG) c-el titulo inicial (RTA: X=0,04) d-el volumen final (RTA :V=33,11 M3) e- grafique el proceso en plano p-v

36 RESOLUCION Datos: Vf=0,1 m3,Vg=0,9 m3,P=cte=800 Kpa A)Ti=170,43 °C es la Tsat para P=800 Kpa B)Por tabla vf=0,0011148 m3/kg vg=0,2404 m3/kg mf=Vf/vf=89,7021 Kg mg=Vg/vg=3,74 Kg mt=mf+mg=93,4458 kg C)X=mg/mt=0,04 D)vf=V/m V=vf.m=33,117 m3

37 EJERCICIO Calcular el volumen en m3 ocupado por 2 kg de una mezcla bifásica liquido-vapor de del refrigerante R-12 a -10 ̊ C cuyo título es 80 %. Datos : m=2 Kg t=-10°C X=0,80 V=? Vf=0,00070 m3/kg vg=0,07665 m3/kg de tabla de R-12 A-11 con la temperatura v=vf+x*vfg =0,06146 m3/kg V=v*m=0,1229 m3

38 F IN UNIDAD TEMÁTICA N °1