Termodinámica

Unidad 1. Conceptos Básicos de

Termodinámica

Termodinámica y la Energía

- La palabra termodinámica se origina del griego y significa literalmente elestudio de las fuerzas (dynamis) que originan el calor (thermo).

• La definición original ya no es válida pues la termodinámica no sólo estudia elcalor, sino todo tipo de formas de energía (mecánica, eléctrica, química,nuclear, etc.).

• Se podría decir que la termodinámica es la ciencia que estudia lastransformaciones energéticas.

Termodinámica y la Energía

¿ Y qué es la energía?

Termodinámica y la Energía

¿ Y qué es la energía?

En termodinámica se define como la capacidad de producir cambiosa un sistema.

Conceptos Básicos

Sistema. Un sistema se define como unacantidad de materia o una región en elespacio elegida para su análisis.

Alrededores. Es la masa o región fueradel sistema.

Frontera. Es la superficie real oimaginaria que separa al sistema de susalrededores.

Sistema Cerrado (Masa de Control)

Consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar sufrontera. Pero, la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar lafrontera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Sistema Abierto (Volumen de Control)

Es aquel que intercambia materia a través de sus fronteras.Observemos que los sistemas abiertos pueden (y en general lohacen) intercambiar energía (calor, trabajo, etc.) a través de susfronteras.

Propiedades de un Sistema

Cualquier característica de un sistemase llama propiedad.

Las propiedades intensivas sonaquellas independientes a la masa deun sistema.

Las propiedades extensivas sonaquellas cuyos valores dependen deltamaño o extensión del sistema.

Estado y Equilibrio

Estado es la condición del sistemadefinida por sus propiedadestermodinámicas. Si un sistema en dosmomentos distintos presenta losmismos valores de sus propiedades, sedice que estuvo en el mismo estado enambos instantes.

Estado y Equilibrio

La palabra equilibrio define un estado de balance.

• Equilibrio térmico: si tiene la misma temperatura en todo élsistema.

• Equilibrio mecánico: se relaciona con la presión, y un sistema loposee si con el tiempo no hay cambio de presión en alguno desus puntos.

• Equilibrio químico: si su composición química no cambia con eltiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas.

Proceso

Se denomina proceso a la transformación de un estado a otro,

siendo el camino del proceso la serie de estados a través de los

cuales pasa.

Proceso

Algunos procesos se caracterizan por mantener alguna variable

termodinámica constante y por lo tanto se le asignan nombres

especiales. Entre otros, se pueden mencionar los de la siguiente

tabla:

Proceso

Cuando un proceso se desarrolla

de tal manera que todo el

tiempo el sistema permanece

infinitesimalmente cerca de un

estado de equilibrio, estamos

ante un proceso cuasiestático, o

de cuasiequilibrio.

Ciclo

Un ciclo es un proceso que comienza y termina en un mismoestado. Las propiedades varían durante el transcurso del ciclo, peroal volver al estado inicial todas las propiedades vuelven a tomar susvalores originales.

Ley cero de la termodinámica

La ley cero de la termodinámica establece que dos cuerpos están

en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de

temperatura incluso si no están en contacto.

Conversión de Temperatura

Tipos de Energía

En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar dos

grupos para las diversas formas de energía que conforman la

energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas.

Energía Macroscópicas

Son las que posee un sistema como un todo en relación con cierto

marco de referencia exterior. La energía macroscópica de un

sistema se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos

factores externos como la gravedad, el magnetismo, la electricidad

y la tensión superficial.

Energía Macroscópicas

Energía cinética (EC).

La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento

en relación con cierto marco de referencia.

Por unidad de masa

La energía cinética

de un cuerpo sólido

que gira se

determina mediante:

Energía Potencial (EP)

Es la energía que posee un sistema como resultado de su

incremento de altura en un campo gravitacional.

Los efectos magnético, eléctrico y de tensión superficial son

significativos sólo en casos especiales y en general se ignoran.

Energía Macroscópicas

Por unidad de masa

Calcule la energía cinética total, en kJ, de un objeto cuya masa es

de 100 kg, y cuya velocidad es de 20 m/s.

Calcule la energía potencial total, en kJ, de un objeto cuya masa

es de 20 kg, cuando está ubicado a 20 m debajo de un nivel dado,

en una ubicación donde g = 9.5 m/s2.

Sistemas estacionarios. En los sistemas cerrados cuya velocidad y

altura del centro de gravedad permanecen constantes durante un

proceso. No experimentan cambios en sus energías cinética y

potencial.

La mayor parte de los sistemas cerrados permanecen estacionarios durante un proceso y, por lo tanto, no experimentan cambios en sus energías cinética y potencial. Los sistemas cerrados cuya velocidad y altura del centro de gravedad permanecen constantes durante un proceso generalmente se denominan sistemas estacionarios.

Los volúmenes de control en general están relacionados con el flujo de un fluido durante largos periodos.

flujo másico (ṁ) , es la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo.

flujo volumétrico definido como el volumen de un fluido que fluye por una seccióntransversal por unidad de tiempo

Eficiencia en la conversión de energía

Eficiencia es uno de los términos más usados en termodinámica, e

indica qué tan bien se realiza un proceso de conversión o

transferencia de energía.

El desempeño o eficiencia se expresa en términos de la salida

deseada y la entrada requerida, de la siguiente manera:

Ecuación de estado de gas ideal

El gas ideal es un gas hipotético formado por un grupo de

partículas las cuales se mueven de forma aleatoria pero que estas

no presentan una interacción entre ellas.

Cuando existen condiciones normales (en presión y temperatura) la

mayoría de los gases (oxigeno, hidrogeno, nitrógeno, dióxido de

carbono, etc.) se comportan como un gas ideal.

El modelo que se conoce de gas ideal falla cuando se maneja a

temperaturas bajas o cuando hay presión elevada.

Sustancia Pura

- Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquierparte se llama sustancia pura.

- Una sustancia pura es el sistema más sencillo que podríamos idear yestaría constituido por un solo componente químico que puede estaren una o varias fases a la vez.

- Ejemplos: El agua, el nitrógeno, el aire, etc

Proceso de cambio de fase en sustancias puras

Hay muchas situaciones prácticas donde dos fases de una sustancia pura

coexisten en equilibrio. Algunos ejemplos son: el agua existe como una

mezcla de líquido y vapor en la caldera, y el refrigerante pasa de líquido a

vapor en el congelador de un refrigerador.

Proceso de cambio de fase en sustancias puras

Liquido comprimido

Liquido Saturado

Vapor Saturado

Vapor Sobrecalentado

Proceso de Cambio de fase en sustancias Puras

EJEMPLO. Un recipiente rígido contiene 50 kg de agua líquida saturada a 90 °C. Determinela presión en el recipiente y el volumen del mismo.

EJEMPLO. Un dispositivo que consta de cilindro-émbolo contiene 2 pies3 de vaporde agua saturado a 50 psi a de presión. Determine la temperatura y la masa delvapor dentro del cilindro.

Diagrama Temperatura-volumen

T-v

Diagramas de Propiedades para Procesos de Cambio de Fase

Diagramas de Propiedades para Procesos de Cambio de Fase

Diagrama Presión-volumen P-v

Diagrama Presión-Temperatura

P-T

Diagramas de Propiedades para Procesos de Cambio de Fase

Entalpia

La entalpía es la cantidad de energía contenida en una sustancia, la

variación de esta medida muestra la cantidad de energía atraída o

cedida por un sistema termodinámico, es decir, la proporción de energía

que un sistema transfiere a su entorno.

Mezcla saturada de líquido-vapor

EJEMPLO

Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a 90 °C. Si 8 kg del agua

están en forma líquida y el resto como vapor, determine:

a) la presión en el recipiente.

b) el volumen del recipiente.

EJEMPLO

Un recipiente de 80 L contiene 4 kg de refrigerante 134a a una presión de

160 kPa. Determine:

a) la temperatura,

b) la calidad.

c) la entalpía del refrigerante

d) el volumen que ocupa la fase de vapor.

EJEMPLO

Determine la energía interna del agua a 20 psia y 400 °F.

EJEMPLO

Determine la temperatura del agua en un estado donde P =0.5 MPa y h

=2.890 kJ/kg.

Complete esta tabla para el H2O:

Complete esta tabla para el refrigerante 134a:

EJEMPLO. Una masa de 200 gramos de agua líquida saturada se evapora porcompleto a una presión constante de 100 kPa. Determine a) el cambio de volumen yb) la cantidad de energía transferida al agua.

Entalpia: Calor involucrado durante una reacción química o durante un proceso apresión constante

Ecuación de estado de gas ideal

-P es la presión absoluta,

- T es la temperatura absoluta

- v es el volumen específico.

- R es la contante del gas, es

diferente para cada gas.

- Ru es la constante universal de los gases

- M es la masa molar

Ecuación de estado de gas ideal

m= masa de un sistema

M= masa molar

N= número de moles