1_CONCEPTOS_BASICOS_TERMOTECNIA_10_11

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMAS ABIERTOS, CERRADOS, ....

FORMAS DE ENERGÍA

PROPIEDADES DE UN SISTEMA

EQUILIBRIO

PROCESOS

DIAGRAMAS

ECUACIONES DE ESTADO

PRESIÓN

TEMPERATURA

Consideraciones previas:

UNIDADES

PRECISIÓN:

10 m + 5 kg

1.875 m + 1 pie

1.875 m + 0.304 m

10 m + 3.1 m

0.32 m + 4.8 m

ECUACIONES DEBEN SER HOMOGÉNEAS:

Energía de un resorte: 22

21

21 kxmv +

10.0 m + 3.1 m

0.3 m + 4.8 m

10. m + 3.m

0.32 m + 4.80m

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA INTERNACIONAL (SI):

Unidades fundamentales:

Metro (m)Kilogramo (Kg)Segundo (s)Grado Kelvin (K)Amperio (A)Candela (cd)Mole (mol) Nº de Avogadro

=6.022x1023mol-1

Unidades derivadas:

Volumen (m3)Densidad (Kg/ m3)Aceleración (m/s2)Fuerza (Newton=N=Kg m/s2)Presión (Pascal=Pa=N/m2)Energía (Julio=N m=Kg m2/s2)Caloría (=4.184 julios).......

SISTEMA BRITÁNICO:

masa: libra-masa (lbm) 1 lbm = 0.45359 KgLongitud: pie feet (ft) 1 pie = 1 ft = 0.3048 m

fuerza:

segundo

derivadas

Btu (british thermal unit) = 1.055 kJ

→ 1 lbm de H2O a 1 atm de 60ºF a 61ºF

libra-fuerza (lbf) = 1slug 1 pie/s2

kilogramo-fuerza (Kpondio) = fuerza gravitatoria en la tierra sobre un Kg= el peso de un Kg = 1Kg 9.807 m/s2 = 9.807 N

kilogramo-masa = 1 Kg

libra-masa (lbm)1 lbf = 0.4536 Kpondio = 4.448(22) N

“slug” = 32.174 lbm = 14.594 Kg

Cal (caloría) = 4.1855 J→ 1 gr de H2O a 1 atm de 14.5ºC a 15.5ºC

Energía térmica:

14ºC

15ºC

16ºC

17ºC

61ºF60ºF Btu = 252.00 cal

SISTEMAS ABIERTOS Y CERRADOS

Sistema termodinámico:

Cierta cantidad de materiaEntorno, ambiente, alrededores, ...del sistema o resto del universo

La frontera puede ser fija o móvil

La frontera puede ser aislante térmica o no

La frontera abierta o cerrada Sistema abierto

o cerrado

Sistema aislado térmicamente (adiabático) o no

Frontera, paredes, límites ... del sistema termodinámico:

Sistema de paredes fijas o móviles

Sistema de paredes fijas, adiabático y cerrado: AISLADO

0≠∆m

0≠∆V

0≠Q

0≠∆E

0=∆E0=∆m0=∆V0=Q

Caso opuesto: Sistema aislado

Caso “más abierto”: Sistema abierto, no adiabático de paredes móviles

MÁS EJEMPLOS

Sistema abierto, no adiabático de paredes móviles

Sistema adiabático cerradoSistema abierto, adiabático de paredes fijas

0≠∆m0≠∆m0=∆V

0=Q

00

3 ≠∆≠

EQ

01 ≠∆E

02 ≠∆E

0≠∆m

0≠∆VSistema abierto estacionarioParedes fijas. Adiabático si Q=0

0=∆m0=∆V

Q

0=∆m0≠∆V

0=Q

0≠∆E 0≠∆E

321 EEEE ∆+∆+∆=∆→

0=∆E

0≠Q

0≠∆m

0≠∆V

E∆→

Caso bastante general: Sistema abierto, no adiabático de paredes móviles

00 ≠=⇒≠∆ ∫ pdVWV

0""0 ≠=∆⇒≠ ∫ TdQSQ

masadeunidadporquímicopotencial

dmGm

_____

00

=

≠=∆⇒≠∆ ∫µ

µ

,...,,, SEVm ,...,, vpT QW ,

E∆

Volumen de control

y

Superficie de control

Sistema termodinámico

VOLUMEN DE CONTROL VC

Ejemplos del libro de Moran & Shapiro

FORMAS DE ENERGÍA

E=Energía kilojulios (kJ) e=E/m kilojulios/kg (kJ/kg)

Lo importante son los cambios de

energía

Energía Total = Energía interna + Energía Cinética + Energía Potencial

mgzmvUE ++= 2

21 sistema

masa m

z z ?Precisiones: ¿z? origen de zotros potenciales z=0 ?

Energía interna

...,,, +++= vibracióncrotaciónctraslaciónc UUUU

••

••

r

E

....... ++ químicaU

nuclearU+....

DISTINCIONES VITALES PARA NO COMETER DISPARATES

ENERGÍA DE UN SISTEMA

CAMBIOS DE ENERGÍA DE UN SISTEMA

PROCESOS QUE PRODUCEN CAMBIOS DE

ENERGÍA EN UN SISTEMA

TRABAJO

Y CAMBIO DE MASA

CALOR

Número de variables independientes(= magnitudes físicas que determinan el estado intensivo del sistema) es

c + 2 - f

c = nº de componentes

f = nº de fases (estados)

Propiedades de un sistema: Conjunto de magnitudes físicas que caracterizan de forma completa el estado (“intensivo”) termodinámico del sistema

Sistemas simples: están compuestas por una sola componente (un solo tipo de átomos o moléculas)

p, T, V

p, T, 4V

c+2–f=1+2-2=1

••

••

•

•• ••

•

•

•

••

•

•

•

c+2–f=2+2-1=3

c+2–f=1+2-1=2

p o T o ...,

p, T

p, v

T, v

T, n ..........

p, T, [c] .....

Equilibrio Termodinámico: situación donde las variables del sistema permanecen constantes en el tiempo

p(z), T

z

p(z), T

p, T, V

Flujo gravitatório

Flujo por difusión

Equilibrio térmico T

Equilibrio mecánico p

Equilibrio químico μ

El equilibrio es un concepto relativo

Escala: minutos

Escala: horas

Escala: días

Escala: ......

Diagramas: gráficas donde se representan los estados de equilibrio termodinámico de un sistema

•

T

p

•Cada punto del diagramas representa un estado de equilibrio termodinámico

Proceso a través de estados de equilibrio: una linea continua entre dos puntos del diagrama.

Procesos cuasiestáticos.

Un proceso termodinámico que no es suficientemente lento no se puede representar en los diagramas.

Procesos termodinámicos:

•

T

p

•

Diagramas de sistemas simples: 2 variables (intensivas) independientes

Cualquier punto del diagrama representa un estado de equilibrio ... salvo...

Diagramas. Caso más sencillo: gas ideal pV=nRT R=8.314 kJ/kmol Kpv=RT

Isotermas

p=RT/v

Isocoras

p=(R/v)T

p

T

Isobaras

T=(R/p)v

T

v

Ahora cualquier punto del diagrama NOrepresenta un estado de equilibrio.

2 variables independientes

ECUACIÓN DE ESTADO

SUPERFICIE DE EQUILIBRIO

Cada punto de los diagramas representa un estado de equilibrio.

Pa=N/m2 lb/pie2 lb/pulg2

psi

atm bar mmHg a 0 ºC

mmH2O a 4 ºC

Pa=N/m2 1 2.09x10-2 1.45x10-4 9.87x10-6 10-5 7.50x10-3 1.02x10-2

lb/pie2 47.9 1 6.94x10-3 4.73x10-4 4.79x10-4 0.359 0.488

lb/pulg2

psi6.89x103 144 1 6.80x10-2 6.89x10-2 51.7 70.3

atm 1.01x105 2.12x103 14.7 1 1.01 760 1.03x103

bar 105 2.09x103 14.5 0.987 1 750 1.02x103

mmHg(a 0ºC)

133 2.78 1.93x10-2 1.32x10-3 1.33x10-3 1 1.36

mm H2O(a 4ºC)

98.1 2.05 1.42x10-2 9.68x10-4 9.81x10-4 0.736 1

Presión: Fuerza por unidad de superficie Pascal=Pa=N/m2

Ojo: la presión no sólo existe en los fluidos ...

psi=pound-square-inch

kPa=kN/m2 lb/pulg2= psi bar

1 atm 101 14.7 1.01

7-12 12-18 kPa

0.07-0.012 0.012-0.018 bar

Presión arterial

kPa=kN/m2 lb/pulg2= psi bar milibar

1 atm 101 14.7 1.01 1010

1 bar (=1000 milibares)

100 kPa

Presión atmosférica

A

B

kPa=kN/m2 lb/pulg2= psi bar

1 atm 101 14.7 1.01

2-3 bares

200-300 kPa

(“kilos”)

Presión Neumáticos

100 atm=10MPa

1000 atm

10 atm=1MPa

2x10.000.000.000 MPa

4x100.000 MPa

=100 MPa

1000 atm

Presión absoluta: respecto al vacío, p( vacío )=0

Presión manométrica: presión absoluta – presión atmosférica

Presión de vacío: presión atmosférica - presión absoluta

atmabsm ppp −=

absatmvacíode ppp −=_

atmp

0=p

absp

mp

abspvacíodep _

?

Por definición todas estas las presiones son POSITIVAS

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

T1 T3T2

T1 = T2 T2 = T3

T1 = T3

ESCALAS DE TEMPERATURA

Kelvin: como la escala Celsius pero desplazada 273.15ºC para que el cero sea el cero absoluto (año 1908).

Fahrenheit: el 0ºF está fijado por la mezcla de cantidades iguales de nieve y ClNa; el 100ºF está fijado por la temperatura del cuerpo de un humano sano (año 1753).Rankine: usa la escala Fahrenheit pero desplazada 459.67ºF para que el cero sea el cero absoluto (año 1926).Reaumur: el 0 Reamur está fijado por el punto de congelación del agua y el 80ºR por el punto de ebullición del agua (año 1814).Celsius: 0ºC está fijado por el punto de congelación del agua y el 100ºC por el punto de ebullición del agua (año 1801).

Centígrada: mejora la determinación de la escala de Celsius usando el punto triple del agua (0.01ºC) en vez del de congelación. (año 1954).

K = ºC + 273.15 ∆ºC=∆K

ƼC=1.8ƼF

∆ºF=∆R

Reaumur = 4/5 ºC

Ranking = ºF + 459.67

ºF = 9/5 ºC + 32

K = ºC + 273.15

Reaumur = 4/5 ºC

Ranking = ºF + 459.67

ºF = 9/5 ºC + 32

∆ºC=∆K

ƼC=1.8ƼF

∆ºF=∆R