TERMODINÁMICA ESCUELA DE GUERRA NAVAL TERMODINÁMICA Es la ciencia que se relaciona con las transformaciones de energías de todo tipo, de una forma a otra. La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: • Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad. • Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa. • Segundo Principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida de la dirección de los procesos. • Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura. Termodinámica TERMODINÁMICA Ley Cero, temperatura 1ra Ley, Energía 2da Ley, Entropía 3ra Ley, Propiedades en el cero absoluto TERMODINÁMICA La termodinámica se ha convertido en objeto de interés para todo el mundo. Razones que preocupan: • Recursos energéticos limitados en el mundo. • Crecimiento de la población (demanda) • Elevación de los costos de la energía • Impactos termodinámicos (cambios climáticos) TERMODINÁMICA Problema a Resolver: Fundamentalmente la eficiencia en el funcionamiento de los sistemas termodinámicos. Solución: Se lograra reduciendo las pérdidas energéticas que son trabajo inútil. CONSIDERACIONES TERMODINÁMICAS Las restricciones generales dentro de las cuales se efectúan las transformaciones de energía se conocen como la primera y la segunda ley de la Termodinámica. Estas leyes no se pueden demostrar en el sentido matemático, su validez se basa en la experiencia. La aplicabilidad universal de esta ciencia queda demostrada por el hecho de que la aplican tanto físicos como químicos e ingenieros. CONSIDERACIONES TERMODINÁMICAS Las consideraciones termodinámicas por sí solas no son suficientes para calcular las velocidades de los procesos físicos o químicos, ya que tales velocidades dependen tanto de la fuerza impulsora como de la resistencia. Los resultados numéricos de un análisis termodinámico son exactos sólo hasta el grado en que los datos requeridos también lo son. MAGNITUD Y UNIDADES.. Presión Temperatura Magnitudes Extensivas Magnitudes Intensivas Problemas. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES Que es la Presión…? • En unidades SI la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m2), denominada Pascal (Pa). • En relación con la presión atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se suele utilizar el bar • 1 bar = 105 N/m2 = 0,1 MPa = 100 kPa • 1 atm = 101 325 N/m2 = 1,01325 bar = 101,325 kPa Tubo de bourdón… Medidores de presión… ¿Qué es la temperatura? • Toda materia (sólido, líquido o gas), está constituida por moléculas que se encuentran en continuo movimiento. La suma de las energías de todas las moléculas del cuerpo se conoce como energía térmica; y la temperatura es la medida de esa energía promedio. • En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico • La temperatura solo puede ser medida en el equilibrio, precisamente porque se define como un promedio. • La temperatura está íntimamente relacionada con la energía interna y con la entalpía de un sistema: a mayor temperatura mayores serán la energía interna y la entalpía del sistema. • La temperatura es una propiedad intensiva. ¿Qué es la temperatura? • El instrumento utilizado habitualmente para medir la temperatura es el termómetro. Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son los más populares; se basan en la propiedad que tiene el mercurio, y otras sustancias (alcohol coloreado, etc.), de dilatarse cuando aumenta la temperatura. El líquido se aloja en una burbuja -bulboconectada a un capilar (tubo muy fino). Cuando la temperatura aumenta, el líquido se expande por el capilar, así, pequeñas variaciones de su volumen resultan claramente visibles. • En resumen: la temperatura es una magnitud del SI que mide el grado de agitación molecular promedio de los cuerpos materiales. Escalas de temperatura… Que es el Volumen…? Volumen (V) es el espacio que ocupa una sustancia; se mide en metros cúbicos (m3). Volumen específico (v) es el espacio que ocupa la unidad de masa de una sustancia; se mide en metros cúbicos por kilogramo (m3/kg). Densidad (ρ) es la masa de la unidad de volumen de una sustancia; se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). De las definiciones se deducen las siguientes relaciones: v = V/m ρ = m/V v = 1/ρ Medición de volumen… Medición de volumen… Ejercicios de Magnitudes y unidades… 1.- Un coche tiene una potencia nominal de 100 CV. Expresar la potencia en unidades SI. (1CV=735W) 2.- Expresar en unidades del SI el calor específico del agua líquida Ce=1 cal/gr.°C si se sabe que 1 cal=4,1868 J, 1000gr. = 1 kg., 1°C = 1 K (en incremento) 3.- Expresar la presión atmosférica estándar en unidades imperiales (lb/pulg2 o psi, pounds per square inch.) 4.- Cuál es la temperatura del cuerpo humano en °F si se sabe que en °C = 37 5.- El precio de 1kw.hr de electricidad es de 0.10 €, y 1 termia de gas natural cuesta 0.020 €. Comparar los precios en unidades coherentes. Que es un Sistema? • Un sistema es aquella porción del universo: una determinada cantidad de materia o un cierto volumen en el espacio, la cual se desea estudiar. • Es una región encerrada por una frontera específica (que puede ser imaginaria), fija o móvil. • Un sistema termodinámico es una región configurada en el espacio y de la que se desean estudiar las transformaciones de energía que ocurren dentro de sus límites, y el paso –si ocurre- de energía o materia, o de ambas, a través de la frontera, ya sea hacia afuera o hacia adentro de ésta. Que es un sistema?... Que tipos de sistema hay…? Los sistemas se clasifican según cómo sea la pared que los separa del entorno. En función de sus paredes o límites, un sistema puede ser: • Cerrado: es una región de masa constante; se denomina masa de control. A través de sus límites sólo se permite la transferencia de energía, pero no de materia. La pared que rodea al sistema es impermeable. • Abierto: en un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente constante. Se denomina volumen de control; la superficie limitante, que por lo menos en parte debe ser permeable o imaginaria, se llama superficie de control. Una pared también puede ser semipermeable, si permite el paso sólo de algunas sustancias. Tipos de sistemas… Tipos de sistema… • Rígido: no permiten el cambio de volumen. • Adiabático: Sólo permite interacciones en forma de trabajo entre el sistema y su entorno. Una pared diatérmica permite interacciones de energía de otras formas que no son trabajo. • Aislado: un sistema aislado no puede transferir materia ni energía con su entorno. Ejemplos de sistemas… Superficie de control … • En el caso de sistemas abiertos suele denominarse a la frontera superficie de control, * y al espacio determinado por ella, volumen de control. * • Un volumen de control se define como aquella región del espacio que se considera en un estudio o análisis dados. Superficie de control de un motor • Superficie de control un motor diesel • Calor Combustible Gases Aire • Trabajo 8 cil. motor diesel submarino Gato General Motors. Estado termodinámico… • Estado termodinámico es una condición del sistema definida por determinados valores de sus propiedades termodinámicas. • Estados idénticos de un sistema, presentan los mismos valores en sus propiedades, independientemente del proceso o transformaciones que haya podido efectuar para alcanzarlo. A que se denomina fase?... • Una fase es una parte homogénea de una mezcla. • Una mezcla de agua y hielo es bifásica. • El aire seco es monofásico (gas), pero si hay condensación (nubes) es bifásico. • El granito está compuesto de tres fases (cuarzo, mica y feldespato), que se distinguen a simple vista. Sin embargo, generalmente es necesario emplear herramientas más avanzadas (microscopio electrónico, difracción de rayos X, etc.), para distinguir las diferentes fases de una mezcla. • Homogéneo no implica uniforme, pues la homogeneidad no excluye gradientes internos de magnitudes intensivas. Equilibrio de fases… Propiedades de un sistema. (P, V,T) • Para calcular cambios de energía que hayan ocurrido en un sistema o sustancia operante, se debe estar en condiciones de expresar el comportamiento del sistema en función de características descriptivas llamadas propiedades. Propiedades macroscópicas que son familiares al lector por estudios anteriores son presión p, temperatura T, densidad (o masa específica) p, y volumen específico v, cada una de las cuales se describirá en breve. Propiedades… Las propiedades se pueden clasificar como intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son independientes de la masa; por ejemplo, temperatura, presión, densidad y potencial eléctrico. Las propiedades extensivas dependen de la masa del sistema y son valores totales, como el volumen total y la energía interna total. Propiedades específicas son las referidas en forma general a la unidad de masa y son intensivas por definición, como el volumen específico. Que es un depósito térmico…? • Un depósito térmico es un sistema termodinámico que generalmente sirve como fuente o como recipiente de calor para otro sistema. Se le considera estable, de temperatura uniforme y composición homogénea, y con la misma presión a cualquier nivel en el campo gravitacional. • Es infinitamente grande en comparación con el sistema al que sirve, y su temperatura permanece invariable cuando se le somete a una interacción térmica. Los grandes ríos y lagos, los mares y la atmósfera son excelentes depósitos térmicos y sirven a un gran número de sistemas de ingeniería, como plantas eléctricas de vapor, automóviles, hornos, etc., aunque ninguno se ajuste realmente a la restrictiva definición anterior. Depósitos térmicos… ESTADO DE EQUILIBRIO •Estado de Equilibrio: un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades. Para comprobar si un sistema está en equilibrio habría que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por sí solo. Equilibrio mecánico… Si un sistema no posee en su interior fuerza alguna no equilibrada y las que ejerce a través de sus fronteras (si éstas no son rígidas) se equilibran con las del exterior que actúan sobre él, se encontrará en equilibrio mecánico. Equilibrio térmico… Si la temperatura es uniforme en la totalidad del sistema y es la misma que la del medio que lo rodea (cuando sus paredes sean diatérmicas) se encontrará en equilibrio térmico Equilibrio químico… cuando la composición química de un sistema permanece sin alteración lo tendremos en equilibrio químico Equilibrio electrostático… si no hay flujo de carga eléctrica a través de sus paredes y su carga interna es constante habrá equilibrio electrostático. Equilibrio… • Equilibrio Termodinámico: Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. En el sistema no habrá flujo de energía, materia, ni carga, etc., permaneciendo ellas y la composición, constantes en el interior. • Cuando se produce una variación de una o de varias o de todas las propiedades del sistema, se dice que se da un cambio de estado o proceso. Equilibrio termodinámico…. Equilibrio térmico… Fin de la presentación….. • MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN…
