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CONCEPTOS BASICOS DE LA
TERMODINAMICA.
ENERGIA.
Es difícil dar una definición precisa de ella.
Se podría definir como:
- Es la capacidad de producir cambios.
- Es la capacidad que tiene un cuerpo de
producir trabajo o transferir calor.
- Tipos de Energía.
Energía Cinética, Potencial, Térmica,
Mecánica, Eléctrica, Magnética, Química,
Nuclear, Interna.
Energía Interna:
Asociada a la energía sensible (EC), energía
latente (fase), energía potencial (EP) tiene
que ver con las interacciones entre las
moléculas.
Si hay cambio de composición se considera la
energía química (enlaces atómicos entre las
moléculas) Si hay reacciones nucleares se
considera la energía nuclear (enlaces
atómicos del núcleo del átomo)
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TERMODINAMICA.
-Es la ciencia de la energía.
-Es parte de la física, que estudia las
interacciones de la energía con los
cuerpos y su influencia con sus
propiedades.
-Tiene como objetivo entender las
interrelaciones
entre
fenómenos
mecánicos, térmicos y químicos.
- Es la ciencia que estudia las
transformaciones de unas formas de
energías en otras.
Áreas de Aplicación.
- Conversión de calor en trabajo o
potencia.
- Refrigeración, calefacción.
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Tipos de Termodinámica.
- Termodinámica Clásica: Se aplica un
estudio macroscópico de la sustancia, no
se requiere conocer el comportamiento
individual de cada partícula. Proporciona
una manera fácil y directa de resolver
problemas de ingeniería.
- Termodinámica Estadística: Estudia las
sustancias desde un punto de vista
microscópico y molecular, este es un
enfoque mas elaborado con base al
comportamiento promedio de grandes
grupos de partículas. Su estudio se basa
en la mecánica quántica y la mecánica
estadística.
Átomos
Moléculas
Sustancia
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DIMENSIONES Y UNIDADES.
•
Dimensiones Son nombres arbitrarios
utilizados para caracterizar cantidades
físicas, las magnitudes asociadas a las
dimensiones se llaman Unidades.
UNIDADES BASICAS
Dimensiones primarias o fundamentales.
Dimensión Unidad (SI)
Masa
Kg
Longitud
m
Tiempo
s
Temperatura
K
Corriente
A
Eléctrica
Cantidad de
mol
Substancia
Fuerza
******
Unidad (USCS)
lb-m
ft
S
R
A
mol
lb-f
Dimensiones
Secundarias:
Son
dimensiones que se expresan en términos
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de las dimensiones primarias, por ejemplo
volumen, presión, área.
- En el Sistema [SI] la FUERZA es una
dimensión secundaria.
F=ma
[Kg. m/s2] = [N]
Representa la fuerza necesaria para
acelerar una masa de 1 Kg. En 1 m/s2
- En el sistema [USCS] la FUERZA es
una dimensión primaria.
Esto genera una fuente de confusión
entre lb-m y lb-f
F=
ma
gc
[lb − f / s 2 ]
Donde
g c = Cons tan te de proporcionalidad
g c = 32.174
lb − m ft
s 2 lb − f
gc = 1 En el [SI]
g c = 9.81
Kg − m m
s 2 Kg − f
En el sistema técnico.
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Todos los términos en una ecuación deben
tener homogeneidad dimensional.
PROPIEDADES DE UN SISTEMA.
Es cualquier característica del sistema
observable o no a simple vista.
Propiedades
termodinámica:
importantes
en
Energía [E]
Volumen [V]
Presión [P]
Temperatura [T]
Densidad [ρ]
Masa [m]
Volumen específico [v]
Energía interna [U]
Entalpía [H]
Entropía [S]
Peso específico [g]
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CLASIFICACION DE LAS
PROPIEDADES.
- Propiedades
Intensivas:
Son
independientes del tamaño del sistema,
por ejemplo la temperatura, presión,
densidad.
- Propiedades extensivas: Dependen del
tamaño del sistema, es decir al variar el
tamaño del sistema también cambia la
propiedad, por ejemplo la masa,
volumen, energía total.
- Propiedades especificas: Es una
propiedad independiente de la masa del
sistema, es una propiedad extensiva
dividida entre la masa, se denota con
letras minúsculas, por ejemplo el
volumen especifico (v), la energía
interna especifica (u).
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Todas las propiedades especificas son
intensivas pero no todas las propiedades
intensivas son especificas, por ejemplo la
presión, temperatura, masa.
- Propiedad
dependiente:
La
dependencia indica que al variar una
propiedad también varía otra.
- Propiedad
independiente:
Son
propiedades que no se ven afectadas
por el cambio de otra propiedad.
•
SISTEMA,
ALRREDEDORES.
FRONTERA,
- Sistema es una porción de materia o
región del espacio elegida para realizar un
estudio.
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- La superficie real o imaginaria que
delimita el sistema se llama frontera.
- Alrededores es la masa o región fuera
del sistema.
CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS.
Masa Constante
Abierto
Sistema
Masa Variable
Cerrado
Limites Móviles.
Sistema
(Según el tipo de
frontera)
.Limites Fijos
Limites Reales.
Limites Imaginarios
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- Sistema Cerrado (masa de control):
Permite el intercambio de energía con
los alrededores pero sin intercambio de
masa.
MASA
ENERGIA
- Sistema Abierto (volumen de control):
Permite el intercambio de masa y
energía con los alrededores.
* Sistema abierto con masa constante, la
masa total dentro del volumen de control
permanece constante.
Flujo en una tubería.
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* Sistema abierto con masa variable, la
masa que entra no es igual a la masa que
sale del volumen de control.
Entrada de Masa
Energía
Llenado de un tanque.
- Sistemas con límites móviles: Son
sistemas que tienen límites que varían.
- Sistemas con límites Fijos: Son
sistemas que tienen limites que no
varían pueden ser reales o imaginarios.
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- Limites Reales: Son limites que existen
físicamente.
- Limites Imaginarios:
físicamente.
No
existen
Limite Real
Móvil
Limite Real Fijo
Volumen de
Control
Limite Imaginario
- Sistema Aislado: Es un caso especial
en el que no existe intercambio de
materia ni energía con los alrededores.
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EQUILIBRIO, ESTADO, FASE.
• Equilibrio: Un sistema se encuentra en
equilibrio cuando no tiene tendencia a
cambiar de estado por si mismo.
Un sistema se encuentra en equilibrio
cuando en el no puede ocurrir un
cambio espontáneo hacia otro estado
sin que ocurra un cambio en los
alrededores.
El equilibrio termodinámico lo define:
• Equilibrio Térmico: Si la temperatura es
la misma en todo el sistema.
• Equilibrio Mecánico: Cuando la
presión es la misma en todo el sistema.
• Equilibrio Químico: Si su composición
química no cambia con el tiempo.
• Equilibrio de fases: Cuando la masa en
cada fase alcanza su nivel de equilibrio
y permanece ahí.
El sistema se encuentra en equilibrio
termodinámico si satisface todas estas
condiciones.
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- Estado: Es una condición de la
sustancia que esta definida por sus
propiedades.
- Fase: Es una condición homogénea de
la sustancia, existe sólida, líquida y
gaseosa.
Cantidad de materia homogénea en
composición química y estructura
física.
POSTULADO DE ESTADO.
El estado de una sustancia lo definen sus
propiedades, pero no se requiere
especificar todas sus propiedades para
fijar un estado, una vez que se conoce
cierto número de propiedades las demás
se pueden determinar.
El estado de un Sistema Puro, Simple
Compresible se define completamente
con dos propiedades intensivas e
independientes.
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SISTEMA SIMPLE COMPRESIBLE.
Es aquel sistema que no esta sujeto a
efectos
eléctricos,
magnéticos,
gravitacionales, tensión superficial. Estos
efectos se deben a campos de fuerza
externos.
PROCESO.
Es cualquier cambio que experimente el
sistema de un estado de equilibrio a otro.
Procesos comunes:
Isotérmico
Isobárico
Isocórico o Isométrico
Isoentálpico
Isentrópico
Adiabático
TRAYECTORIA.
Es la serie de estados de equilibrio por el
cual pasa un proceso, es el camino
recorrido, este debe responder a un patrón
de cambio.
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PROCESO
CUASIESTATICO
CUASIEQUILIBRIO.
O
Es aquel que ocurre a través de sucesivos
estados de equilibrio, realmente no existe
es ideal o teórico.
Son procesos que ocurren suficientemente
lentos que permiten al sistema realizar un
ajuste interno de manera que las
propiedades en una parte del sistema no
cambien mas rápido que en otras partes.
Proceso 1-2
2
Trayectoria
1
1=2
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•
PROCESOS CICLICOS.
Son procesos cualesquiera que regresan al
punto de partida, el estado final es igual al
estado inicial.
Por lo tanto
⎛ d(Pr opiedad) ⎞
=0
⎜
⎟
dt
⎝
⎠CICLO
Proceso 1-2
2
Trayectoria
1
Ciclo
1=2
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PRESION.
Es la fuerza por unidad de área ejercida
por un fluido sobre una superficie.
F
P=
A
En un fluido en reposo la presión es la
misma en todas las direcciones.
La presión en un tanque que contiene gas
es la misma en todo el tanque ya que el
peso del gas es muy pequeño para hacer
alguna diferencia apreciable.
La presión en un recipiente con líquido
aumenta con la profundidad como
resultado del peso del fluido.
La presión atmosferica es la fuerza
ejercida por el aire sobre los cuerpos en la
superficie terrestre.
Patm= 101300 N/m2 = 101300 Pa
= 101.3 Kpa ≈ 1 bar
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Patm= 14.6959 psia ≈ 14.7 psia
Tambien podemos expresar la presión
como el peso de una columna de fluido
V = h A (Volumen = Altura * Area)
m
ρ=
→ m=ρ V
V
F=m g
Por tan to
/ g
F mg ρVg ρhA
P= =
=
=
/
A
A
A
A
P = ρ g h=γh
La expresión anterior representa la
presión en el fondo de una columna de
fluido.
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Escala de Presiones.
P manométrica
P absoluta
Patm
P vacío
P absoluta de vacío
Patm
0 absoluto
- Presión absoluta: Se mide con respecto
al vacío absoluto o cero absoluto, se
mide con barometros.
- Presión manométrica: Mide la presión
con respecto a la atmosfera, se mide
con manometros.
- Presión de vacío: Mide la presión por
debajo de la atmosferica, se mide con
vacuometros.
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Pabs = Patm + Pman
Patm
Pa
P a medir = ρ g h + P atm
medir
h
Ecuación de un
manómetro en U
P indicada = P manométrica = P relativa
P abs = P indicada + P atm
P abs = P indicada + P exterior
Pa
medir
Ecuación de un manómetro de
Bourdón o tubo en C
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TEMPERATURA.
No es fácil definirla exactamente.
Es una propiedad intensiva que indica el
nivel de energía es decir actividad
molecular, que tiene un cuerpo.
Es la única propiedad suficiente para
determinar si dos cuerpos están en
equilibrio térmico.
Se mide observando el cambio de una
propiedad con la temperatura de un
cuerpo patrón, se debe definir una escala
de temperatura y poner los dos cuerpos en
contacto.
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Escalas de Temperaturas
Temperatura de
ebullición del agua
a 1 atm
Temperatura de Fusión
del agua
a 1 atm
°C
K
°F
R
100
373
212
672
0
273.15
≈ 273
32
491.67 ≈ 492
- 273
0
K = °C + 273
∆K = ∆°C
°F = 1.8 °C + 32
°C = (°F – 32) / 1.8
R = 1.8 K
K = R / 1.8
R = 1.8 °C + 492
- 460
0
R = °F + 460
∆R = ∆°F
Escala Relativa
Escala Relativa
Escala Absoluta
Escala Absoluta
Escala Absoluta
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LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.
Establece que si dos cuerpos se
encuentran en equilibrio térmico con un
tercer cuerpo, están en equilibrio térmico
entre si.
A
A
B
C
Si A se encuentra en
equilibrio térmico
con B y C
B
C
B y C están en
equilibrio térmico.
Dos cuerpos están en equilibrio térmico si
indican la misma lectura, incluso si no se
encuentran en contacto.
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