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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA TERMODINÁMICA II

CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA

Propiedades termodinámicas Son condiciones macroscópicas que son capaces de medición directa o que se deducen de tales mediciones, algunos ejemplos son volumen, masa, temperatura y presión. Una propiedad del sistema que es independiente de su masa es una propiedad intensiva. La presión y la temperatura son ejemplos de esta clase de propiedad. Ciertas propiedades son proporcionales a la masa presente en una fase y se llaman propiedades extensivas. (Golden Muldberg, 2011 pág. 20)

Propiedades intensivas Una propiedad intensiva se genera cuando se divide una propiedad extensiva entre la masa de una fase. (Golden Muldberg, 2011)

Densidad () Es la razón que existe entre la masa que está ocupando un volumen total, o es la masa por unidad de volumen:



m = masa, (Kg)

m v

V = volumen, (m3). (Satillán Heredia, 2013 pág. 6)

Volumen específico (V). Es la relación que existe entre el volumen total que ocupa una masa, ó es el volumen por unidad de masa:



V 1  m  (Satillán Heredia, 2013 pág. 7)

Peso específico (). Se define como la relación existente entre el peso del cuerpo y el volumen total que ocupa:

 

F = fuerza o peso, (Kgf)

F V

(Satillán Heredia, 2013 pág. 7)

Presión Es la fuerza que ejerce un cuerpo por unidad de área.

p

F A

donde: A = área, (m2)

La presión real en un punto determinado del sistema se llama presión absoluta, debido a que se mide en forma relativa a una presión absoluta de cero. Mientras que todos los dispositivos de medición de presión experimental indican lo que se conoce como presión manométrica, esta es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

pmanom  pabs  patm La presión manométrica puede ser positiva o negativa, en el caso de ser negativa se la denomina vacío. (Satillán Heredia, 2013 pág. 7)

Temperatura Es el estado térmico de una sustancia que se considera para trasmitir calor. La temperatura puede ser expresada en diversas escalas como son: 

Celsius



Fahrenheit

oF



Kelvin

oK



Rankine

oR

oC

Existen relaciones entre las escalas de temperaturas, pero es conveniente manifestar que tanto las presiones como las temperaturas en el análisis termodinámico son las consideradas ABSOLUTAS. (Satillán Heredia, 2013 pág. 8)

Entalpia Es una propiedad termodinámica sumamente importante de tipo puntual que relaciona a la energía interna y trabajo fluente y se define como:

H  U  p *V o por unidad de masa, se tiene:

h  u  p *v (Satillán Heredia, 2013 pág. 24) Entropía Es una propiedad termodinámica de tipo puntual que permite conocer la cantidad de calor que sale de un sistema a una temperatura específica.

dS 

dQ T

ó T2

dQ T1 T

S   ó

T2

dQ T1 T

S 2  S1  

La entropía es una propiedad termodinámica de tipo puntual, que sirve para calcular la energía no aprovechada de un sistema, además esta propiedad sirve para cuantificar la eficiencia de las máquinas. (Satillán Heredia, 2013 pág. 32) Energía interna La energía interna reside en la materia y se debe a las energías cinética y potencial de las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas. (Golden Muldberg, 2011 pág. 16)

Propiedades extensivas Una propiedad extensiva de una fase es una propiedad cuyo valor es proporcional a la masa presente en la fase, y tiene un valor dependiente de la masa. (Golden Muldberg, 2011 pág. 37)

Sistemas termodinámicos Es cualquier volumen definido en el espacio con el propósito de analizar su comportamiento. Dentro de este volumen pueden existir varias fases. El volumen puede estar dentro de un recipiente o conducto con paredes sólidas, o puede ser una región de espacio con fronteras especificadas geométricamente, que no por necesidad coinciden con una superficie sólida. (Golden Muldberg, 2011 pág. 19)

Sistemas abiertos y cerrados Un sistema cerrado no intercambia materia con sus alrededores, y un sistema abierto hace tal intercambio. Ej. El gas contenido en un cilindro provisto de un émbolo es un ejemplo de sistema cerrado mientras las válvulas de entrada y salida permanezcan cerradas. El volumen contenido en un conducto por el que pasa un fluido (gas o líquido) es un ejemplo de un sistema abierto, porque el fluido pasa de manera continua a través de la sección de entrada y de salida. (Golden Muldberg, 2011 págs. 19-20)

Leyes de la termodinámica 1era. Ley de la Termodinámica Esta se conoce como la ley de la conservación de la energía, la cual se la enuncia de la siguiente manera “la energía no se puede crearse ni destruirse solo se transforma”. Esta es una ley basada en observaciones físicas y no está sujeta a demostración matemática. Para un sistema cualquiera se puede expresar esta ley como.

Eent  E  E sal (Satillán Heredia, 2013 pág. 22)

2da. Ley de la Termodinámica La segunda ley establece restricciones sobre la transformación de energía: ningún proceso cíclico puede absorber calor de una fuente a una sola temperatura y transformar todo el calor a trabajo (Kelvin-Planck); alternativamente, ningún proceso puede tener como su único resultado la transferencia de calor de una temperatura baja a otra más elevada (Clausius). Una consecuencia de la segunda ley es la existencia de una nueva propiedad: la entropía. (Golden Muldberg, 2011 pág. 84)

Gas ideal Es aquella sustancia de trabajo utilizada como fluido en máquinas térmicas, que observa estrictamente las leyes de idealización de los mismos.

Todas las sustancias gaseosas se aproximan en su comportamiento a un gas ideal a medida que se reduce su presión, debido a que sus moléculas se separan más y las fuerzas de atracción entre ellas tienden a cero.

Entre los gases ideales tenemos al He, H2, Aire, Ar, O2, N2, vapor de agua, etc. (Satillán Heredia, 2013 pág. 38)

Leyes de los gases ideales Los gases en la naturaleza se encuentran en su estado original como gases reales y estos para que sean considerados como gases ideales y sirvan como sustancia de trabajo térmica, deben someterse a las restricciones de las idealizaciones o leyes de los gases ideales, entre las que se anotan: 

Ley de Boyle y Mariotte En el año 1662, R. Boyle, y en 1676, independiente de él, E. Mariotte, demostraron en el curso de sus experiencias, utilizando aire, la relación entre el volumen y presión absoluta, manteniendo constante la temperatura del mismo. “Si la temperatura de una cantidad dada de gas se mantiene constante, el volumen de este varía en razón inversa a la presión absoluta, durante la variación de su condición o estado”.

Matemáticamente:

p1 v2   cte p2 v1 p1 * v1 = p2 * v2 = cte. Si: p* v = cte.  hipérbola equilátera.



Leyes de Charles y Gay Lussac Aproximadamente cien años después del descubrimiento de la Ley de Boyle, dos investigadores franceses, Jacques A. Charles (1746-1823) y Joseph L. Gay-Lussac (17781850), cada uno de ellos sin conocimiento del trabajo del otro, descubrieron la ley que generalmente se llama sólo ley de Charles. Esta ley tiene dos enunciados: 1. Enunciado (Charles) “Si la presión absoluta sobre una cantidad dada de gas, permanece constante, en la variación de su condición o estado, el volumen varía en proporción directa a su temperatura absoluta” Esquemáticamente: Matemáticamente:

V1 V2 = = cte. T1 T2

ó

T1 T2   cte V1 V2

V1 T1   cte. V2 T2 Generalizando:

T  cte  recta V 2. Enunciado (Gay Lussac) “Si el volumen permanece constante sobre una cantidad dada de gas, en la variación de la condición o estado, la presión absoluta variará en relación directa a

su temperatura absoluta.” Esquemáticamente: Matemáticamente:

p1 T1

=

p2 T2

= Cte.

T1 T2   cte. p1 p2 p1 T1   cte. p2 T2 Generalizando:

T  cte  recta p 

Ley de Joule Joule experimentó y enunció: “El cambio de energía interna de un gas ideal es función del cambio de temperatura” y esta ley puede ser aplicada a gases reales siempre que la presión disminuya. La energía interna no depende ni de la presión ni del volumen, o sea:

dU dU )T cte  0; )T cte  0 dV dp dU = f(dT)

cv 

luego, como:

du dT

du = cv*dT, (cualquier proceso y para gas ideal) cv, se puede obtener en tablas. Se conoce: cv = cp –R/J

cv 

cp k

(

Cal Btu ; 0 ) 0 kg* K lb* R

Luego:

 u = cv(T2 – T1) 

Cal Btu ; kg * lb *

 U = m*cv(T2 – T1) 

Cal; Btu

 U = f(m, cv,  T) 

Ley general de los gases La ecuación de condición o estado para un gas ideal, relaciona las tres propiedades de estado, p, v, T; Ej. [ p, f(v,T)], [ T, f(p, v)].[3]

Se puede obtener la ecuación de estado combinando las Leyes de Boyle con cualquiera de los dos enunciados de Charles o Gay Lussac, o éstos entre sí, como se observa en el siguiente análisis. Se puede generalizar la ecuación n puntos:

p1V1 p2V2 p3V3 pV  ............=  = = R = cte T1 T2 T T3 p*v = R*T

p*V = m*R*T

R = en tablas =

Kgf  m Kg 0K (Satillán Heredia, 2013 págs. 38-45)

Estado termodinámico Es un conjunto de propiedades del sistema, o sea, el conjunto de todas sus características que pueden medirse experimentalmente o que se deducen de dichas mediciones. Para conocer el estado de un sistema se debe conocer el estado de cada fase que lo constituye, porque el estado de un sistema está determinado cuando se conocen las propiedades intensivas de sus fases y la masa de cada fase que constituye el sistema. (Golden Muldberg, 2011 págs. 20-21) Para las fases cuya composición química no es variable, este número es igual a dos. (Golden Muldberg, 2011 pág. 37)

Proceso termodinámico Un proceso es un cambio de estado. En la termodinámica, una clase importante de proceso es el proceso reversible. La definición ordinaria es que un proceso es reversible si el sistema y los alrededores pueden regresar a sus estados iniciales después de ocurrido el proceso. (…). Se le llama proceso reversible cuando tanto el sistema como los alrededores pasan por una serie de estados de equilibrio. (Golden Muldberg, 2011 pág. 25)

Ciclo termodinámico Es la sucesión ordenada de procesos termodinámicos que partiendo de un origen y pasando por diferentes estados llegan al sitio de partida. En un ciclo los estados inicial y final son idénticos.

P

P

3

2

4

1

2

1 V

a) ciclo de dos procesos.

V

b) ciclo de cuatro procesos. (Satillán Heredia, 2013 pág. 10)

Bibliografía: Golden Muldberg, Frederick. 2011. Termodinámica para Ingeniería. Primera edición, Junio 2011. México : Trillas, 2011. pág. 726. ISBN 978-607-17-0711-5. Satillán Heredia, Rodolfo. 2013. Termodinámica Básica. Riobamba : s.n., 2013.