Unidad 1. Estructura de La Termodinámica

TERMODINÁMICA PARA INGENIERÍA EN MATERIALES

UNIDAD 1. ESTRUCTURA DE LA TERMODINÁMICA. 1.1 Clasificación de los sistemas y variables termodinámicas. 1.2 Clasificación de las relaciones. 1.3 Criterios de equilibrio 1.4 Procesos reversibles e irreversibles

Termodinámica La palabra termodinámica procede del griego: thermos = calor, y dinamos = fuerza, poder. Estudio de la capacidad de los los cuer cuerpo poss cali calieente ntes para para prod produc ucir ir trab trabaj ajo. o. Es la rama de la física que estudia la energía, la trans ansformaci ación entre sus disti stintas manifestac taciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo.

Tabla. Áreas especificas de aplicación de la termodinámica Motores de automoción Turbinas Compresores, bombas Centrales Centrales eléctricas eléctricas de combustible combustible fósil y nuclear. nuclear. Sistemas de propulsión para aviones y cohetes Sistemas de combustión Sistemas criogénicos, de separación y licuefacción de gases. Sistemas de energías alternativas Celdas de combustible. Dispositivos Dispositivos termoeléctri termoeléctricos cos y termoiónicos termoiónicos Convertidores magnetohidrodinámicos Sistemas solares activos de calefacción, enfriamiento y generación de electricidad. Sistemas geotérmicos. Generación de electricidad mediante olas, mareas, y desequilibrio térmico oceánico. Generación eólica de la electricidad. Aplicaciones biomédicas Sistemas de apoyo a la vida

1.1 Clasificación de los sistemas y variables termodinámicas Sistemas Sistemas termodinámi termodinámicos. cos. Un sistema puede sistema puede ser cualquier objeto, o bjeto, masa, región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (real o mentalmente) de todo lo demás, que pasa a ser el entorno   del sistema. El sistema  y su   entorno   forman el universo. La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del entorno se llama frontera   del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Sist Sistem ema a abie abiert rto. o. Es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno. Son ejemplos:

Sist Sistem ema a cerr cerrad ado. o. Es aquel que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Son ejemplos, el sistema de enfriamiento de los motores de combustión interna o una olla de presión.

Sist Sistem ema a aisl aislad ado. o. Es aquel que no intercambia ni masa ni energía con su entorno. Son ejemplos: los los termos y las las hiele lerras

 Variables de estado o variables variab les termodinámicas de un sistema. Son las magnitudes que se emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio pueden elegirse distintos conjuntos de variables termodinámicas para describirlo.

Estas variables son: a) Masa (m o n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. b) Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. c) Presión (P): es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la dirección perpendicular a su superficie. d) Temperatura (T): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está relac elaciionad onada a co con n la ener energ gía ciné cinéti tica ca que tien tienen en las las moléc olécul ulas as que que lo cons co nsti titu tuye yen. n. Macr Macros oscó cópi pica came ment nte, e, la temp temper erat atur ura a es una una magn magnit itud ud que que determina el sentido en que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. La lista puede ampliarse hasta incluir algunas menos familiares, tales como la viscosidad, la conductividad térmica, el modulo de elasticidad, el coeficiente de expansión térmica, la resistividad eléctrica e

 Volumen (V). Como propiedad física de la materia, el volumen es el espacio que ocupa un cuerpo.

El SI estable como unidad principal de volumen al metro cubico.

Temperatura Aunque existe cierta familiaridad con la temperatura t emperatura como medida de lo “caliente” o lo “frío” no es fácil definirla exactamente.

Del mismo modo en que los sistemas en equilibrio mecánico tienen una presión común, hay una propiedad termodinámica común a los sistemas en equilibrio térmico, esta propiedad se conoce como temperatura.

T (K) = T (°C) + 273.15 T (R) = T (°F) +459.67 T(R) = 1.8 T (K) T (°F) = 1.8 T (°C) + 32

Fuerza (F) (F) La fuerza es la capacidad para realizar un trabajo físico o un movimiento, así como también la potencia o esfuerzo para sostener un cuerpo o resistir un empuje. Los efectos que puede tener una fuerza son: a) que un cuerpo se deforme. b) que un cuerpo permanezca en reposo. c) que cambie su estado de movimiento.

En el campo de la física, la fuerza es una magnitud vectorial, y es toda causa capaz de cambiar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. La fuerza que actúa sobre un objeto de masa m es igual a la variación del momento lineal (o cantidad de movimiento) de dicho objeto resp respec ecto to del del tiem tiempo po.. Se considera a la fuerza como una dimensión secundaria, cuya unidad se deriva de la segunda ley de Newton, esto es: Fuerza = (masa)(aceleración) F = ma La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI) es el Newton, de símbolo N. 1N =1kg.m/s2 1lbf = 32.174lbm.ft/s2

Pres Presió iónn baro baromé métri trica ca.. Es la presión ejercida por la atmosfera de la tierra en un punto dado, equivalente a la presión ejercida por una columna de presión ón atmo atmosf sfér éric ica. a. merc me rcur urio io.. Tamb Tambié iénn llam llamad adaa presi Pres Presiión absol bsolut uta a: es la presión real en una posición dada, y se mide resp respec ecto to al vací vacíoo abso absolu luto to.. Pres Presió iónn mano manomé métr tric ica a: representa la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosféric rica local. La presión manométric rica sol se aplica cuando la pres resión ión es sup superio rior a la atmo atmosf sféérica rica.. Presión de vacío: es la presión por debajo de la atmosférica. Pmanométrica = Pabsoluta - Patmosférica

(pa (para presi resioones nes supe superi rioores res a Patm)

Pvacio = Patmosférica – Pabsoluta

(par (paraa pres resione ioness iner inerio iore ress a Patm)

Unid Unidad ades es de pres presió iónn y equi equiva vale lenc ncia ias: s: 1 Pa = 1N/m2 1 atm = 101,325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bar 1 bar = 105 Pa = 0.1 MPa = 100 kPa 1 atm = 14.696 psi 1 atm = 0.101325 MPa

En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un rec recipie ipiennte y las las vari variab able less term termod odin inám ámic icas as que que desc descri ribe benn su estad stado. o.

Cuando un sistema se encuentra en equilibrio, las variables term termod odin inám ámic icas as está estánn rela relaci cion onad adas as me medi dian ante te una una ecua ecuaci ción ón deno denomi mina nada da ecuación de estado. Cualquie quierr sistema que muestre tre un conjunto de variab iable less identificable less tiene un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.!!!!

Clasificación de las variables termodinámicas de un sistema. sistema . Hay dos tipos de propiedades que presenta la materia: a)   Propiedades extensivas. extensivas . Las propiedades extensivas dependen de la cant cantid idad ad de mate materi ria, a, por por ejem ejempl plo, o, el peso peso,, volu volume men, n, long longitu itud, d, ener energía gía potencial, calor, etc.

b) Propiedades b)  Propiedades Intensivas. Intensivas . Las propiedades intensivas no dependen de la cant cantid idad ad de mate materi ria a y pued pueden en ser ser una una rela relaci ción ón de prop propie ieda dade des, s, por  por  ejem ejempl plo: o: temp temper erat atur ura, a, punt punto o de fusi fusión ón,, punt punto o de ebul ebulli lici ción ón,, índi índice ce de refracción, calor específico, densidad, concentración, etc. Las propiedades intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura.

1.2 Clasificación de las relaciones. Proceso: se llama así a cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro, y la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria.

Proceso isotérmico. Es aquel sistema termodinámico en el que se presenta una variación en volumen o presión y su temperatura permanece constante.

Proceso isocórico. Es un pr proc oces eso o term termod odin inám ámic ico o en el cual cual el volume olumen n perm perman anec ece e constante. En general, se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente de volumen fijo (olla exprés).

Proceso isobárico. Es aquel sistema termodinámico en el que se presenta una variación en volumen o temperatura y su presión permanece constante.

1.3 Criterios de equilibrio. Equilibr Equilibrio io termodi termodinám námico ico.. Un sistema que no tiene interacción con el medio está en equilibrio termodinámico. Sistema en equilibrio termodinámico

Satisface: Equilibrio mecánico

La presión en alguno de sus puntos no cambia con el tiempo

Equilibrio térmico Temperatura constante en todos los puntos del sistema

Equilibrio químico Su composición química no cambia con el tiempo. tiempo.

1.4 Procesos reversibles e irreversibles. Un proceso reversible, es uno que puede efectuarse de manera tal que, a su conclusión, tanto el sistema como sus alrededore ress, hayan regresado a sus condiciones iniciales exactas. Un proceso que no cumple con esta cond co ndic ició iónn es ir irre reve vers rsib ible le.. Todos los procesos en la naturaleza sonn ir so irre reve vers rsib ible les. s.

Proceso reversible.

Se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Es decir, tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, natural eza, solo son idealizaciones de procesos reales. Los procesos reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales pero nunca se pueden lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles.

Factores que causan que un proceso sea irreversible.

Fricción  Expansión libre.  Mezclado de fluidos.  Transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita.  Resistencia eléctrica  Deformación inelástica de sólidos  Reacción química 

PROBLEMAS PROPUESTOS

PROBLEMAS PROPUESTOS

5. Determine la masa y el peso peso del aire contenido en un cuarto cuyas cuyas dimensiones son 6m por 6 m por 8 m. Suponga que la densidad del aire es 1.16 kg/m3. 6. ¿A que temperatura la lectura numérica en un termómetro Celsius es igual a la marcada en un termómetro Fahrenheit? 7. Supóngase que se ha inventado una nueva escala de temperatura t emperatura en la que el punto de fusión (-117.3 °C) y el punto de ebullición (78.3 °C) del etanol se toman como 0 °S y 100 °S, respectivamente, donde S es el símbolo símbolo para la nueva escala de temperatura. Derive una ecuación que relacione una lectura en una escala con una lectura en la escala Celsius. ¿Qué lectura daría este termómetro a 25 °C? 8. El volumen total del agua de mar es 1.5 x 10 21 L. Supóngase que esta agua contiene 3.1 % en masa de cloruro de sodio y su densidad es de 1.03 g/mL. Calcule la masa total de cloruro de sodio en kilogramos y en toneladas.

PROBLEMAS PROPUESTOS

9. Se usa un manómetro para medir la presión de un tanque. El fluido utilizado tiene una densidad relativa de 0.85 y la altura de la columna del manómetro es de 55 cm. Si la presión atmosférica local es de 96 kPa, determine la presión absoluta dentro del tanque. 10. Un medidor medidor de vacío conectado conectado a un tanque registra 30 kPa kPa en un sitio donde la lectura barométrica es de 755 mm Hg. Determine la presión absoluta en el tanque. 11. Un manómetro de mercurio ( r =13600 kg/m3) se conecta a un ducto de aire para medir la presión en el interior. La diferencia en los niveles del manómetro es de 15 mm y la presión atmosférica es 100 kPa. a) Analice la figura figura (pag 31, Cengel) y determine determine si la presión presión en el ducto está por arriba o por debajo de la presión atmosférica. b) Determine la presión absoluta en el ducto. 12. Un medidor de vacío conectado a un tanque registra 5.4 psi en un sitio donde la lectura barométrica es 28 pulg pulg Hg. Determine la presión presión absoluta en el tanque. Tome rHg = 848.4 lbm/pie3.

13. Un gas esta confinado por un pistón en un cilindro con un diámetro de 0.47 m; sobre el pistón se pone pone un peso. La masa del pistón y el peso peso es de 150 kg. La aceleración de la gravedad es 9.813 m/s 2 y la presión atmosférica es 101.57 kPa. a) Cuál es la fuerza fuerza en newtons newtons ejercida ejercida sobre el gas gas por por la atmosfera, atmosfera, el pistón y el peso, suponiendo que no hay fricción entre el cilindro y el pistón? b) ¿Cuál ¿Cuál es la pres presión ión del del gas gas en kPa? kPa? 14. Un elevador con masa de 2500 kg descansa a un nivel de 10 m encima de la base del pozo del elevador. El elevador sube 100 m con respecto a la base del pozo, donde golpea un resorte muy fuerte. El resorte está diseñado para poner al elevador en reposo, por medio de un dispositivo de trampa, y mantenerlo en la posición que corresponde a la máxima compresión del resorte. Suponiendo que todo el proceso se lleva a cabo sin fricción, y tomando g = 9.8 m/s2, calcule: a) La energ energía ía pote potenci ncial al del del elevad elevador or en su su posici posición ón inici inicial al respe respecto cto a la base base del pozo. b) El trab trabaj ajoo hec hecho ho para para subi subirr el el ele eleva vado dor. r. c) La energ energía ía pote potenci ncial al del del eleva elevado dorr en su posi posició ciónn mas alta alta en en relaci relación ón con con la base del pozo. d) La veloc velocida idad d y energí energíaa cinéti cinética ca del del elevad elevador or justo justo antes antes de de golpea golpearr el resorte.

15. Un deposito contiene 0.3 kmol de gas dióxido de carbono (CO 2). El volumen ocupado por el gas es 2.5 m 3. Determínese la masa de CO 2, en kg,  y el volumen especifico especifico sobre base molar, molar, en m3/kmol. 16. Un sistema que consiste en 1 kg de gas sufre un proceso durante el cual la relación entre la presión y el volumen es pV 1.3=constante. El proceso se inicia con p1=1 bar, V1=1 m3 y finaliza con con V2=3m3. Determínese la presión final, p2, en bar, y represéntese el proceso en una gráfica de la presión frente al volumen. 17. Un dispositivo dispositivo cilindro-pistón cilindro-pistón contiene 1 kg de refrigerante que es comprimido desde el estado 1, con p 1 = 2 bar, V1 = 83.54 cm3/kg, hasta el estado 2, con p2 = 10 bar, V2 = 21.34 g/cm3. durante el proceso, la relación entre la presión y el volumen especifico toma la forma pVn=constante. Determínese el valor de la constante n.