apuntes de termodinámica

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23 de mayo de 2011 Instituto Politécnico Nacional ESIME – Azcapotzalco Termodinámica “Apuntes de Termodinámica” Alumno: Daniel Cruz Bueno Apuntes de Termodinámica 1

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Page 1: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Instituto Politécnico Nacional

ESIME – Azcapotzalco

Termodinámica

“Apuntes de Termodinámica”

Alumno: Daniel Cruz Bueno

“4MM4”1

Page 2: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Termodinámica

La rama de la física que estudia las transformaciones de la energía calorífica (calor) en otras formas de energía o viceversa de otro tipo de energía a calor. Principalmente estudiaremos la conversión de calor en trabajo mecánico.

El estudio de la termodinámica se basa principalmente en 2 principios conocidos de la PRIMERA y SEGUNDA ley de la termodinámica.

Termodinámica: es el estudio de las propiedades de la materia que se relaciona con la temperatura

Estas propiedades termodinámicas son: presión, volumen y temperatura.

Presión: es la fuerza que actúa por unidad de área (podemos distinguir varias formas de manifestación)

Presión absoluta (suma de la PM + PA ) Presión atmosférica Presión manométrica (dentro de un recipiente) Presión de vacio

Todos los cuerpos colocados en la atmosfera están sometidos a una presión que se llama presión atmosférica cuyo origen lo podemos atribuir al peso del aire que lo forma.

Presión atmosférica: bajo ciertas condiciones la presión atmosférica tiene los siguientes valores

Patm=1.03332278kg

cm2=14.7 lb

pulg2=760mmHg(0co)

Pm=0.795kg

cm2=11.3 lb

pulg2=0.0779 ¿̄

Barómetro: aparato para medir la presión del aire atmosférico.Manómetro: aparato que se utiliza para medir la presión y os hay de diferentes clases.

Debido a que la presión interna de un recipiente se mide con un manómetro, la presión medida con este aparato se llama presión manométrica:

2

Page 3: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

P|¿|=Patm+Pman¿

Patm=P|¿|−Pman¿

Pman=P|¿|−Patm ¿

Presión de vacío: cuando la presión manométrica es negativa se ve que hay un vacio. La presión de vacio se mide con un barómetro. La presión siempre será positiva cuando esta sea mayor que la atmosférica.

Volumen: es el espacio ocupado por un cuerpo ocupado en el ámbito terrestre

SM m3 cm3

SI pie3 pulgada3

Volumen específico: es la relación de volumen entre la unión de masa

V= Jm

=m3

kg= pie3

lb

(Cuanto volumen ocupada cada quilo de masa)

Densidad: es la relación de la masa con respecto a su volumen (propiedad de la materia que no se obtiene directamente)

ρ=mv

= kg

m3= lb

pie3

Densidad relativa: es la relación que existe entre la densidad de una sustancia y la densidad de otra sustancia tomada como base de comparación, lo cual debe de estar a las mismas condiciones de presión y temperatura

Peso específico: es la relación de peso de una sustancia en relación al volumen de la misma

3

Page 4: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

γ= kg−Fo

m3 = kg−Fo

cm3 = lb−Fo

pie3

Temperatura: Forma de medir el esto térmico de un cuerpo. Se mide con un aparato que sirve par medir la temperatura8termometro) existen de diferentes clases.

Escalas termométricas: existen dos clases de temperaturas, la temperatura normal que se mide en grados Celsius (oc) y la temperatura absoluta que se mide en grados Kelvin (K)

t=T k – 273

Sistema ingles Existen dos tipos de temperatura la temperatura (t) que se mide en grados Fahrenheit (of) y la temperatura (T) que se mide en grados Rankin (R)

t c=T k−273 tF=T R−450

T k=t c+273 T R=tF+450

Conversión de temperatura en el SI y SM

tF o=1.8 t co+32

t co=tFo−321.8

TRo=(1.8 ) (T ko )

T ko=T Ro

1.8

Fluidos

4

Page 5: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Los fluidos se pueden dividir en dos partes:

Líquidos: Superficie libre, ocupa solo un espacio.

Gases: Ocupa todo el espacio y son compresibles.

Las principales características de estos dos son:

Los líquidos tienen superficie libre y una masa de líquido ocupara solamente un cierto volumen del recipiente que lo contiene.

Los gases no tienen superficie libre y además una masa de gas ocupara todo el volumen de cualquier recipiente que lo contenga sin importar el tamaño.

Los líquidos son prácticamente incompresibles, los podemos considerar como tales.

Energía

Es la capacidad que posee un cuerpo o sistema de cuerpos para poder desarrollar actividad en la materia, o sea, para desarrollar un trabajo. A parte de la energía interna se le debe añadir otra más para poder desarrollar un trabajo.

Energía existente + Energía potencial + Energía molecular = TRABAJO

Sistema

En termodinámica se entiende por sistema a la porción de materia que se separa del medio exterior que lo rodea.

Medio Exterior

Es todo lo que está fuera de los límites del sistema pero que afecta el comportamiento del mismo.

Cambio de Energía

En el estudio de la termodinámica aplicada, la ingeniería en ningún caso es necesario determina la cantidad total de energía de un sistema, sino que únicamente se requiere conocer los cambios de energía.

Energía SÍMBOLO SISTEMA METRICO

SISTEMA INGLES

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Page 6: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Mecánica Potencial

Ep Kg-m lb-ft

Mecánica Cinética

Ec Kg-m lb-ft

Interna U Kcal BTUTrabajo L Kg-m lb-ft

Térmica (calor) Q Kcal BTUDe flujo PV Kg-m lb-ft

Energía Interna

Es una forma de la energía que poseen las sustancias en virtud de su actividad molecular

U=U2-U1

Variación de Energía Interna ΔU.

Es la variación de energía interna final menos la inicial de un punto a otro.

ΔU= U2-U1

Por unidad de masa sería específica Δμ.

ΔU= Δμ2- Δμ1

Kcal/ Kg

BTU/ lb

Trabajo Termodinámica

Es el producto de la presión por la diferencia de volúmenes.

L=P(V2-V1)

Kg-m

Lb-ft

Joule (sistema internacional)

Trabajo positivo: cuando no proporciona el sistema un trabajo aprovechable

Trabajo negativo: cuando al sistema se le da trabajo

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Page 7: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

El trabajo se considera positivo cuando lo efectúa el sistema contra el medio y negativo cuando el trabajo lo recibe el sistema del medio exterior

Calor

Energía que se transmite de un cuerpo de alta temperatura a uno de baja temperatura hasta igualar la temperatura. El calor no puede almacenarse

Q= L+ ΔU

Kcal

BTU

Kjoule, joule

Calor Específico

Calor que se le da a cada unidad de masa

q= L + ΔU

Kcal/Kg

BTU/lb

Joule/Kg

Ejercicio de conversión de temperaturas.

tC= -30° C

TK= °C+273

TK=-30+273= 243°K

TR=1.8(°K)+32

TR=1.8(243)+32= 437°R

tF= 1.8(°C)+32

tF= 1.8(-30) +32 =-22°F

tF= 31°F

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Page 8: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

tC= °F-32 / 1.8

tC= 31-32 / 1.8 = -0.55°C

TK=°C+273

TK= -0.55 +273= 272.4°K

TR=1.8(°K)+32

TR=1.8(272.4)+32= 490.68°R

Calor Específico de una Sustancia

cantidad de calor requerida para elevar 1° grado de la unidad de masa, cada sustancia o gas tienen un calor especifico determinado que se lleva a cabo a volumen constante (Cv) o a presión (Cp) y lo medimos.

SM= kcalkg°C

òkcal

kg° K S .∫ ¿ J

kg° Cò

Jkg° K

SM= BTUlb−° F

òBTU

lb−° R

Unidades de Calor

Calor (cal): cantidad de calor que hay que suministrarle a 1 gr. de agua para elevar su temperatura a 1°C.

Kilocaloría (Kcal): cantidad de calor que hay que suministrarle a 1 kg de agua para elevar.

Ejemplo:La temperatura de una masa de aire permanece constante mientras la presión es aumentada desde 15 kg/cm2 hasta 120 kg/cm2. Determínese el volumen final sabiendo que el volumen inicial es de 2.8 m3. Represéntese gráficamente en ejes P-V y P-T los estados inicial y final.

Datos: Ecuación característica:

T1=T2 P1V 1=P2V 2

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Page 9: Apuntes de Termodinámica

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P1=15 kg/cm2

P2=120 kg/cm2

V1=2.8 m3

V2= ?

De la ecuación característica despejamos V 2 y sustituimos valores:

V 2=P1V 1

P2

V 2=(15 ) (2.8 )120

=0.35

∴V 2=0.35m3resp .

Presión

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

20

40

60

80

100

120

140 Chart Title

Temperatura

Presión

9

Page 10: Apuntes de Termodinámica

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0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

20

40

60

80

100

120

140

Volumen

Constante especifica de un gas RLa constante R depende de la naturaleza del gas y del sistema de unidades que se emplee, para cada gas hay una constante específica R.

El valor de R para cada gas puede ser determinado mediante observaciones experimentales de los valores de presión, volumen específico y temperatura absoluta de cada uno de ellos.

R del aireSM 29.27 kg-m/kg-oKSI 53.3 lb-ft/lb-oR

S Int. 287 J/kg-oK

Ecuación de estado o ley de los gases perfectos

P1V 1

T 1

=P2V 2

T 2

PVT

=mR

T=Temperatura absolutaP=Presión absolutaV=Volumen total

P1 γ1T 1

=P2 γ 2T2

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Page 11: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

ϒ=Volumen especifico

UnidadesSímbolo SM SI S Int.

Presión Absoluta

P kg/m2, kg/cm2 lb/ft2, lb/in2 bar

Volumen Total

V m3 ft3 m3

Temperatura Absoluta

T K R K

Masa m kg lb kgConstante Específica

R kg-m/kg- K lb-ft/lb- R J/kg- K

Despejando “P” Despejando “T”

Despejando “R” P=m R Tv

T= Pvm R

R= P vT m

Despejando “v” Despejando “m”

v=m R TP

m= P vT R

Otra forma de representar la ecuación de estado

P= ρ R T

Ejemplo:

3Kg de aire se encuentran a las siguientes condiciones iniciales:

P1= 4Kg/cm2 P2=? V1=? V2=? m= 3Kg R= 29.27Kg m/Kg K t1= 100°c;

T1= 100+273= 373K T2= 40+273= 313K

Este aire sufre una expansión hasta alcanzar 2 veces su volumen inicial y tener una t=40°c. Determine las condiciones iniciales y finales faltantes.

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Page 12: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

P1V 1T 1

=m R P1= 4Kg/cm2 (10000 cm2/1m2)= 4x104m2

V1= m R T1 / P1 = (3Kg)(29.27)(373)/( 4x104)= 0.818m3

V2=2V1

V2= 2(0.818) = 1.637 m3

P2V 2T 2

=m R P2= m R T2 / V2

P2= (3Kg)(29.27)(313)/(1.637)= 16789.57Kg/cm2

En un recipiente cerrado de 10ft3 se introduce cierta cantidad de aire a una temperatura de 200°f y al medir la presión con un manómetro este nos da una lectura de 135.3 lb/in2. Si el recipiente se encuentra en un lugar situado al nivel del mar, determine:

1.- la presión en lb/in2

2.- la cantidad de aire en lb que hay en el recipiente para las condiciones iniciales.

3.- la densidad del aire en lb/ft3 para las condiciones iniciales.

Después es abatida la temperatura a 70°f, calcúlese:

4.- la presión por lb/in2

5.- la densidad del aire en lb/ft3 al abatir, la temperatura

Datos

V1= 10ft3 = V2 R= 53.3 lb ft/ lb R

t1= 200°f

P1man= 135.3 lb/in2

P1atm= 14.7 lb/in2

1.- PT1= P1man+ P1atm PT1= 135.3 lb/in2 + 14.7 lb/in2 = 150lb/in2

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T1= 200+460= 660R

T2= 70+460= 530R

Page 13: Apuntes de Termodinámica

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2.- m= P V/T R m=(21600)(10)/(660)(53.3)= 6.14lb

3- ρ1=P

R T ρ1=

(21600 )(53.3 ) (660 )

=0.614 lb / ft3

4.- P2= (149.8)(530)/(660)= 120.45lb/in2

5.- ρ2=P

R T ρ2=

(17322.32 )(53.3 )(530)

=0.6139 lb / ft 3

Constante Universal de los Gases Perfectos (Rµ)

Rµ = PVT

Rµ = MR

Rµ = 1.9853 ≈ 2 kcal

kmol° K

Valor de Rµ en los 3 sistemas

S.M.: Rµ = 847.826 ≈ 848 kg−m

kmol° K

S.I.: Rµ = 1545 lb− ft

lbmol° R

S. Internacional = 8374 J

kmol° K = 8.314

KJkmol° K

Problema

8kg de un gas cuyo peso molecular es 10, se encuentran en un recipiente

ocupando un determinado volumen inicial a una presión de 6.1kg

cm2 manométrica y

una temperatura de 37°C. Este gas es expansionado hasta alcanzar 2 veces su volumen inicial y además es calentado hasta una temperatura de 170.6°F. Si la

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Page 14: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

presión atm. Del lugar es de 0.9kg

cm2. Determínese la R del gas, la presión final en

kgcm2

manométrica, así como el volumen inicial y final en m3.

Datos:

m = 8kg P. atm. = 0.9kg

cm2

M = 10kg

kmol

P.man. = 6.1kg

cm2

t1 = 37°C

V2 = 2V1

T1 = 37°C + 273 = 310°K T2 = 176.6 + 460 = 630.6 ° R1.8

= 350.33°K

P1 = P. man. + P.atm. = 6.1 + 0.9 = 7kg

cm2 = 70000

kdm2

Rµ = MR

R = R µM

= 848.8 kg−mkg° K

P1V 1T 1

=mR

V1 = mRT 1

P1 =

(8 ) (84.8 )(310)70000

= 3m3

V2 = 2V1 = 2(3) = 6m3

P2V 2T 2

=mR

P2 = mRT 2

V 2 =

(8 ) (84.8 )(350)6

= 38573.33kgm2

= 3.957kg

cm2

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Page 15: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

P.man. = 3.957 – 0.9 = 3.057kg

cm2

Ley de Joule

La energía interna de un gas perfecto depende exclusivamente de la temperatura.

Entalpia

Es una función termodinámica definida por la expresión

H = U + PVJ

h = M + PVJ

Variación de Energía Interna (contenido de calor de un gas)

∆H = H2 – H1 o I1 – I2

∆h = h2 – h1 o i2 – i1

Calor especifico a Presión Constante

C.p.: Es la cantidad de calor que es necesario suministrar a la unidad de masa del gas para elevar un grado su temperatura a presión constante.

S.M.: kcal

kg−C o

kcalkg−K

S.I.: BTUlb−F

o BTUlb−R

S.int.: J

kg−K o

Jkg−C

C.v.: Es la cantidad de calor que es necesario suministrar a la unidad de masa del gas para elevar un grado su temperatura a volumen constante. Se utilizan las mismas unidades de C.p.

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Page 16: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Ecuaciones fundamentales de Calorimetría

Q = mCp (T2 – T1)

Q = Cp (T2 – T1)

Q = mCv (T1 – T2)

Q = Cv (T2 – T1)

Q = kcal

Variación de energía interna en función de su Cp y Cv

∆U = mCp (T2 – T1)

∆U = mCv (T2 – T1)

Ecuación de Mayer

Cp – Cv = RJ

Cp = Cv + RJ

Cv = Cp - RJ

Relación que Existe Entre Cv y Cp

Cp/Cv= K exponente adiabático = 1.41

Primera Ley de la Termodinámica

La energía es indestructible, siempre que desaparece una clase de energía aparece otra: ‘la energía no se pierde si no que se transforma’.

Ley Cero de la Termodinámica

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Page 17: Apuntes de Termodinámica

QT1

A = Q O B

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Si un sistema “A” esta en equilibrio térmico con un segundo sistema “B” y este también está en equilibrio térmico con un tercer sistema “C” entonces B y C estarán en equilibrio térmico el uno con el otro a este planteamiento se le conoce como “LEY DE LA TERMODINAMICA”.

Se observo que dos sistemas tienen la misma temperatura cuando están en equilibrio térmico, si no hay equilibrio térmico entre ellos la temperatura será diferente y entonces habrá intercambio de energía al ponerse en contacto a través de una pared diatérmica.

Si T1 y T2 son las temperaturas de los sistemas A y B entonces T1 = T2 o bien T1 ≈ T2 si tengo T1 = T2 los sistemas están en equilibrio el uno con el otro.

Para tres sistemas “A, B y C” con temperatura T1, T2, T3 respectivamente y si T1 = T2 entonces T1 = T3 esto constituye “LEY CERO DE LA TERMODINAMICA”.

T1 = T2 hasta igualar la temperatura

Pared Diatérmica

Es aquella que permite el intercambio de energía en forma de calor entre un sistema y su entorno.

Pared Adiabática

Es aquella que no permite el intercambio de energía en forma de calor entre un sistema y su entorno.

Ley Cero de la Termodinámica

Se dice que dos sistemas están en equilibrio térmico cuando al estar separados por una pared diatérmica NO existe intercambio de energía en forma de calor entre los dos sistemas.

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Page 18: Apuntes de Termodinámica

A = Q O B

B C A

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TA = TB

Q= 0 Q= 0

Primera Ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica expresa simplemente el principio general de la energía basado en el principio de Lavoisier que establece “que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma y transmite”.

El principio de Lavoisier es aplicable a todas las formas de energía.

Por lo que puede establecerse la primera ley de la termodinámica de la siguiente forma.

El calor puede ser transformado en trabajo mecánico y el trabajo mecánico en calor existiendo una relación constante entre la cantidad de calor desaparecido y el trabajo producido.

Transformación o Proceso

Al cambiar un sistema de estado a otro se dice que se ha experimentado una transformación, o que se ha llevado a cabo un proceso.

Transformación Estática o sin Flujo

Cuando durante una transformación la cantidad de flujo no varía o sea que ninguna cantidad es añadida o removida ni tampoco se encuentra en movimiento al iniciar o terminar la transformación se dice que se está efectuando una transformación estática sin flujo.

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Page 19: Apuntes de Termodinámica

L+

23 de mayo de 2011

Relación de Energías en una Transformación Estática o sin Flujo

Si suponemos un sistema cerrado que recibe una cantidad de calor Q, del medio exterior de acuerdo con la 1ra ley de la termodinámica el sistema podrá efectuar un trabajo y la energía térmica será equivalente a la cantidad de trabajo.

Expansión P Q(+)

Compresión

V

Por lo tanto la 1ra ley de la termodinámica aplicada a una transformación cerrada sin flujo será la siguiente:

Q = L/ J q = L / j

Trabajo en calor = Kcal Kcal = kg / m kg m / Kcal

Si ahora consideramos una transformación abierta de 1 a 2 como se muestra en ejes P-V que recibe una cantidad de calor Q del medio exterior, el sistema podrá suministrar un trabajo y además tendrá una variación de energía interna entre los estados 1 y 2.

19

Page 20: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

La expresión de la primera ley de la termodinámica aplicada a una transformación abierta sin flujo será.

Q=L + (U2-U1)

Q=L + (µ2 - µ1)

Transformación con flujo uniforme o continuo

Es la transformación durante la cual uno o más fluidos circulan a través de un sistema llenándose las siguientes condiciones.

1) El estado y velocidad de cada fluido son uniformes y permanecen constantes en cada sección donde el fluido entra o sale del sistema.

2) El estado y velocidad de los fluidos permanece constante en cada punto dentro del sistema.

3) Las cantidades de calor o trabajo que entran y salen al sistema así como las demás formas de energía permanecen constantes.

Relación de energía en una transformación con flujo uniforme o continuo.

Si tenemos un dispositivo por el cual va a circular un fluido vemos que transformación sufre la energía.

Z1= Carga De altura a la entrada del dispositivo

20

Page 21: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

ω1= Velocidad del fluido a la entrada

Ep1= Energía potencial a la entrada

Ec1= Energía cinética a la entrada

P1V1=Energía de circulación a la entrada (Flujo)

U1=Energía interna a la entrada

Q1=Calor a la entrada

L1=Trabajo a la entrada

m =Cantidad de fluido que circula por el dispositivo.

Las mismas energías a la salida….

Para conocer Z1 y Z2 se toma un nivel de referencia.

El fluido que circula por el dispositivo para la transformación de energía recibe el nombre de medio termodinámico o agente de transformación.

Los conceptos de energía almacenada en el fluido que circula son:

Energía A la entrada A la salidaPotencial Ep1 = mgz1 Ep2 = mgz2

Cinética Ec1 = mw12/2 Ec2 = mw2

2/2De circulación P1 V1 = m P1 V1 P2 V2 = m P2 V2

Interna U1 = m μ1 U2 = m μ2

Si además de las energías anteriores le entra y sale al dispositivo Q y L efectuando un balance térmico tenemos:

Ep1 + Ec1 + P1 V1 + U1 + Q1 +L1 = Ep2 + Ec2 + P2 V2 + U2 + Q2 +L2

mgz1 + mw12/2 + m P1 V1 + m μ1 + Q1 +L1 = mgz2 + mw2

2/2 + m P2 V2 + m μ2 + Q2 +L2

Para 1kg:

gz1 + w12/2 + P1 V1 + μ1 + Q1 +L1 = gz2 + w2

2/2 + P2 V2 + μ2 + Q2 +L2

Esta ecuación es la expresión básica de la primera ley de la termodinámica en una transformación con flujo uniforme o continuo.

Entalpia especifica:

21

Page 22: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Siendo h = P V + μ

gz1 + w12/2 + h1 + Q1 +L1 = gz2 + w2

2/2 + h2 + Q2 +L2

Transformaciones Reversibles e Irreversibles

Después de haber efectuado una transformación en un fluido, tanto el medio que la rodea como el propio fluido pueden volver a las condiciones iniciales en que se encontraban transformándose nuevamente todas las cantidades de energía en la forma original, se trata de una transformación reversible, si no puede volverse a las condiciones iniciales se trata de una transformación irreversible.

En toda transformación donde hay una pérdida o ganancia de calor y que no puede restituirse efectuando una transformación en sentido inverso se trata de una transformación irreversible.

Todas las transformaciones reales son irreversibles.

Classius llego a la siguiente ecuación y la definió como entropía:

ds = dq/T

Entropía: Magnitud que poseen los cuerpos la cual no puede percibirse por medio de los sentidos ni puede ser medida por algún instrumento por lo que solo se puede determinar por comparación.

Por lo anterior la entropía es un concepto matemático que expresa el índice de calor contenido en los cuerpos con respecto a su temperatura absoluta (T).

Variación de entropía

Es una función de estado que depende de los estados inicial y final de una transformación.

∆S = S2 – S1

Variación de entropía en los gases perfectos en transformaciones reversibles sin flujo.

∆ s=mRJln

v2v1

+mCv lnp2p1

∆ s=mCp lnv2v1

+m Cv lnp2p1

22

Page 23: Apuntes de Termodinámica

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∆ s=mCp lnT 2

T 1

+ mRJln

p2p1

Transferencia para gases

Diagrama dinámico Presión – Volumen (P-V)

En este diagrama se representan las transformaciones teniendo como ordenada la presión y como la abscisa el volumen. “Aquí representamos el trabajo que se efectúa en cualquier transformación”

Diagrama dinámico Temperatura – Entropía (T-S)

En este diagrama se representan las transformaciones teniendo como ordenada la T absoluta y como la abscisa a la S absoluta. “Aquí representamos el trabajo que se efectúa en cualquier transformación”

23

Pdv=LP

12

F (P,V)

P

V dv

Page 24: Apuntes de Termodinámica

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Estudiaremos las siguientes transformaciones:

1. Transformación isotérmica: la temperatura permanece constante durante toda la transformación T 1=T2

2. Transformación isobárica: la presión se mantiene constante durante toda la transformación P1=P2

3. Transformación isocora (isométrica): el volumen se mantiene constante durante toda la transformación V 1=V 2

4. Transformación adiabática o isoentropica: S1=S2 la entropía se mantiene constante durante la transformación

5. Transformación poli trópica: esta transformación comprende todas las transformaciones anteriores y proviene de una variación de transformaciones isotérmica y adiabática.

P1V 1n=P2V 2

nn=exponente politropico

Transformación Isotérmica

Esta transformación cumple con lo que la temperatura se mantiene constante durante toda la transformación

T 1=T2

Por lo que su ecuación característica será:

P1V 1=P2V 2

Representación grafica de esta transformación en ejes PV y TS

24

Tds=QT

12

F (T,S)

T

S ds

Page 25: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Trabajo desarrollado

Por el gas contra el medio exterior

L=∫1

2

PdV

L=P1V 1 lnV 2

V 1

L=P2V 2 lnV 2

V 1

L=P1V 1 lnP1P2

L=P1V 1 lnP1P2

Variación de energía interna

∆ u=U 2−U 1=0 Para que la T=cte.

No hay variación de energía si no hay variación de temperatura

Calor suministrado al gas

25

P2

P1

V2 V1

P

V L

T 1= T 2

Q

S1

S2

T

S

Page 26: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Q= LJ

Q=P1V 1

Jln

V 2

V 1

Q=P2V 2

Jln

V 2

V 1

Q=P1V 1

Jln

P1P2

Q=P1V 1

Jln

P1P2

Variación de entropía

∆ s=QT

Si T=K; ∆ U=0 por lo que ∆ H=0

Si la T=cte. la variación de energía es cero porque no hay calor que reciba por lo tanto la variación de energía del contenido calorífico (entalpia) será 0.

Transformación isobárica

En esta transformación cumple con que la presión se mantenga constante toda la transformación. P1=P2

Por lo que su ecuación característica es V 1

T 1

=V 2

T2 =

V 1T2=V 2T 1

Representación grafica en ejes PV y TS

26

Page 27: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Trabajo desarrollo por el gas

L= P(V2 – V 1)

L= Jm (T2 – T1)(Cp – Cr)

L=( mR /J) (T2 – T1)

Variación de energía interna

U= m Cr (T2 – T1)

U= m Cr (T2 – T1) (Cp (R/J))

Calor suministrado al gas

Q= m Cp (T2 – T1)

Q= (L/J) + U

Q= I2 I1 ----------------- Variación de Entalpia H2 – H1= Q

Variación de entropía

S = m Cp In (T2 T1)

S = m Cp In (V2 V1)

Transformación Isocora

Cumple con que el volumen se mantiene constante durante toda la transformación.

V1 = V2

27

T2

T1

S2 S1

T

S

T 1= T 2

L

V1

V2

T

VQ

Page 28: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

La ecuación característica es:

[(P1 V1) / T1] = [(P2V2) / T2] ; P1/ T1= P2 /T2 ; P1T2= P2T1

Representación gráfica de esta transformación en ejes P V y T S

Trabajo desarrollado por el gas

L=0 ( No hay variación de volumen )

Variación de Energía

U= m Cv (T2 – T1)

Q= L + U ( L=O) U =Q

Calor suministrado al gas

Q= m Cv (T2 – T1)

Variación de Entropía

S = m Cv In (T2 / T1)

S = m Cv In (P2 / P1)

TRANSFORMACION ADIABATICA O ISOENTROPICA

28

T2

T1

T

S1 S2 S

Page 29: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Esta transformación cumple la siguiente condición

S1=S2

Ecuación Característica

P1V1*K=P2V2*K

ECUACION DE LA LEY DE POISSON

DONDE K=1.41(AIRE)

ESTA ECUACION RECIBE EL NOMBRE DE “LEY DE POISSON” COMBINANDO ESTA ECUACION CON

LA LEY DE ESTADO LLEGAMOS A LAS SIGUIENTES ECUACIONES CARACTERISTICAS

P1V1/T1=P2V2/T2 (ECUACION DE ESTADO)

P2/P1= (V1/V2)*K= (T2/T1)*K/K-1 ECUACION 1

V2/V1= (P1/P2)*1/K= (T2/T1)*1/K-1 ECUACION 2

T2/T1= (V1/V2)*K-1= (P2/P1)*K-1/K

REPRESENTACION GRAFICA EN EJES P-V Y T-S

T

2

1

S1=S2 S

P

P2 2 COMPRESION

29

Page 30: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

P1 1

V2 V1 V

P EXPANSION

P2 2

P1 1

V1 V2 V

TRABAJO DESARROLLADO POR EL GAS CONTRA EL MEDIO EXTERIOR (EXPANSION)

L= P1V1-P2V2/K-1

L= JmCv(T1-T2)

L= P1V1/K-1(1- (P2/P1)*K-1/K) PARA EL CALCULO DE COMPRESORES

L= mR/K-1 (T1-T2)

TRABAJO DE COMPRESION

L= P2V2-P1V1/1-K

L= JmCv(T2-T1)

L= P2V2/K-1((P1/P2)*K-1/K -1) PARA EL CALCULO DE COMPRESORES

L= mR/1-K (T2-T1) SE UTILIZA REALMENTE

SE DA (-) ES TRABAJO A COMPRESION

SE DA (+) ES TRABAJO A EXPANSION

VARIACION DE ENERGIA INTERNA

∆U= mCv(T2-T1)

30

Page 31: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

∆U= P2V2-P1V1/J(k-1)

CALOR

Q=0

VARIACION DE ENTROPIA

∆S=0

Transformación politrópica

Esta ecuación tiene la siguiente ecuación general característica:

P1V 1n=P2V 2

n

n=logP2−log P1logV 1−logV 2

=exponente politrópico

Ecuaciones características:

P2

P1

=(V 1

V 2)

n

=(T 2

T 1)

nn−1

V 2

V 1

=( P1P2 )

1n=(T 2

T 1)1

n−1

T2T1

=(V 1

V 2)

n−1

=( P2P1 )

n−1n

Trabajo desarrollado:

L=∫1

2

PdV pero P1V 1n=P2V 2

n → P1=P2V 2

n

V 1n por lo que:

L1−2=P2V 2−P1V 1

1−n y como:

PV=mR(T 2−T 1)

P2V 2−P1V 1=mR (T2−T1)

31

Page 32: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

L1−2=mR1−n

( T2−T 1 )= mR1−n

(T 1−T 2)

Si es a compresión si es a expansión

Variación de la energía interna:

ΔU=mCu(T 2−T 1)

ΔU=P2V 2−P1V 1

J (n−1)

Calor:

Q= LJ+ ΔU

Q=mCn(T 2−T 1)

Cn= Qm(T 2−T1)

=calor espec í fico politr ó pico

Cuando Cn es negativo (-)

1. Que el calor Q es suministrado por el medio exterior al gas Q(+) y sin

embargo la temperatura disminuye (T 2−T 1 )2. Que el calor es cedido al gas por el medio exterior Q(-) y sin embargo la

temperatura del gas aumenta

Variación de entropía:

∆ s=mCn lnT2T1

∆ s=mCn lnP2P1

+mCp lnV 2

V 1

∆ s=mRJln

V 2

V 1

+mCv lnT2T1

32

Page 33: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

∆ s=mCp lnT 2

T 1

−mRJln

P2P1

Ejercicio

Una cantidad de H 2 se encuentra a las siguientes condiciones iniciales:

P1=100atm

V 1=3m2

T 1=47℃=320K

Este gas es comprimido de acuerdo a una transformación adiabática hasta alcanzar una P2=400atm. Calcular:

1. La T 2en

2. El V 2 enm3

3. El trabajo de compresión en kgm4. La ∆ U en Kcal

5. La ∆ s en kcal

K6. El Q en Kcal7. Representar en ejes PV y Ts

1.T2T1

=( P2P1 )

k −1k

2. V 2

V 1

=( P1P2 )

1K

T 2=T1( P2P1 )

k−1k

V 2=V 1( P1P2 )

1k

T 2=320( 400100 )1.41−11.41 V 2=3 ( 100400 )

11.41

T 2=320 (4 )0.29078 V 2=3 (0.25 )0.7092198582

T 2=320(1.496466812) V 2=3 (0.374116703)

T 2=478.87K−273=205.87℃ V 2=1.12235m3

33

Page 34: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

3. L=P1V 1−P2V 2

k−1=100 (3 )−400 (1.12235)

1.41−1 4.

∆ U=P2V 2−P1V 1

J (k−1)=400 (1.12235 )−100(3)

427(1.41−1)

L=300−448.940.41

=−148.940.41

∆ U=448.94−300427 (0.41)

=148.94175.07

L=−363.2683 kgm ∆ U=0.850745kcal

5. ∆ s=0 kcalK

6. Q=0kcal

7.

TRANSFORMACIÓN POLITROPICA

2 kg de aire se encuentra a una presión de 1 kg/ cm2, t= 70 °C, después de sufrir una expansión de acuerdo a una transformación politrópica de n= 1.8, su volumen final es aumentado en 30 %. Calcular.

1.- el volumen inicial y final en m3. DATOS

2.- la presión final en kg/cm2 m= 2kg

34

Page 35: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

3.- la temperatura final en °C t1= 70 °C = 343 °K

4.- el trabajo en kg m P= 1 kg/ cm2

5.- la dU en Kcal V2= 130 % V1

6.- el Q en Kcal n= 1.8

7.- la dS en Kcal/ °K Raire= 29.27 kgm/ kg k

8.- represéntese en ejes PV y TS

1.P1V 1

T 1=mR V 1=mRT 1

P1=2kg (29.27 kgm

kgk )(343 ° K )

10000kg

m2

V1= 2.007 m3

V2= 130 % V1 (0.30)(2.007)= 0.6021 m3

V2 = 2.609 m3

2.- P2P1

=(V 1V 2

)n P2=(V 1V 2

)n P1

P2=(2.0072.609

)1.8 (1kg

cm2 )

P2 = 0.623 (1kg

cm2 )

P2 = 0.623 kg/ cm2 = 6230 kg / m2

3.- T 2T 1

=( V 1V 2

)n-1 T2 = (V 1V 2

)n-1 (T1) T2 = (2.0072.600

)1.8-1 (343 °K)

T2= 0.810 (343 °k)= 278 °k = 5.08 °C

4.- L = mR1−n

(T 2−T 1) = 2 (29.27 )1−1.8

(298.06−343)

L= -73.175(-64.94)= 4751.98 kg m.

35

Page 36: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

5.- dU= P2V 2−P1V 1

J (n−1)=6230 (2.023 )−10000(2.007)

427(1.8−1)=16341.29−20070

427 (0.8)=

−3728.71427(0.8)

dU= -10.91 kcal

6.- Q= L/J + dU

Q= 4751.98 kgm427kgm /kgk

+(−10.91 )=0.218kcal

7.- dS= m Cn ln T 2T 1

=2 (−1.67 x10−3 ) ln( 278.06343 )=2 (−1.67 x10−3 ) ln0.8106

dS= -3.34x10-3 ln 0.8106= 7.01x10-4 kcal/ °K

Cn= Q

m(T 2−T 1)= 0.2182(278.06−343)

=−1.67x 10−3

8.- P T

P1 = 1kg/cm2 1 T1= 343°k 1

P2= 0.023 kg/cm2 2 T2= 278°k 2

V1 V2 V S1 S2 S

dS= 7.01x10-4 kcal/ °k

Mezclas no Reactivas

Para establecer las propiedades termodinámicas de una mezcla de gases no reactivos analizaremos las propiedades de las diferentes componentes que forman la mezcla es decir una mezcla de gases se maneja como si fueran gases perfectos a condición de que todos los gases sean perfectos.

Consideremos una mezcla de gases 2,3 o bien de A, B, C.

Ley de Dalton

La presión total de la mezcla es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes.

36

Page 37: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Pm = P1 + P2 + Pn

Ley de Amagat

El volumen total de una mezcla es igual a la suma de los volúmenes parciales de sus componentes:

Vm = V1 + V2 + V3 + Vn

LA Temperatura de una Mezcla

Siempre la misma para todos los componentes de la mezcla.

Tm = T1 = T2 = T3 = Tn

Peso de una Mezcla

El peso total es igual a la suma de los pesos parciales.

mm = m1 + m2 + m3… + mn

Constante especifica de una mezcla (R)

Rm=R1(m1/mm) + R2(m2/mm) + R3(m3/mm)

Ecuación de estado de una mezcla(PmVm)/Tm=mmRm

Densidad de una mezcla⌠m = ⌠1 (V1/Vm) + ⌠2 (V2/Vm) + ⌠3 (V3/Vm)

NOTA: Las ⌠1, ⌠2, ⌠3,... ⌠n deberán estar a los mismas condiciones de presión y temperatura por lo que la ⌠m estará a esas mismas condiciones.

Número de mols de una mezclanm = mm/Mm

Presion parcial de una mezcla en función del número de mols Pi = Pm (ni/nm)

37

Page 38: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Pi = P1, P2, P3

ni= n1, n2, n3

Ecuación de estado en función del número de mols

(PmVm)/Tm = nmRm

(PiVi)Tm = niRi

Peso molecular de una mezcla

Mm = Peso molecular (gas 1)

Vi/Vm + M2 (Vi/Vm) + M3 (Vi/Vm)

Mm = RM/Rm

Rm = RM/ Mm

Calor especifico a presión constante de una mezcla

Cpm = Cp1 (m1/mm) + Cp2 (m2/mm) + Cp3 (m3/mm)

Calor especifico a volumen constante de una mezcla Cvm = Cv1 (m1/mm) + Cv2 (m2/mm) Cv3 (m3/mm)

Análisis volumétrico de una mezcla Bi: Es la cantidad parcial de los componentes de una mezcla en función de su volumen

Bi = Vi/Vm

Vi-Vm se deben de medir en las mismas condiciones de presión y temperatura de acuerdo con el análisis volumétrico la densidad de la mezcla va a ser igual

⌠m = ⌠1 Bi + ⌠2 Bi + ⌠3 Bi

y la presión parcial de la mezcla va a ser igual

Pi = PmBi

38

Page 39: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Y el peso molecular de la mezcla va a ser igual

Mm = M1Bi + M2Bi + M3Bi

Análisis gravimétrico de una mezcla (G)Es la cantidad parcial de los componentes de una mezcla en función de su peso

Gi = mi/mm

Por lo que la constante especifica de la mezcla será igual a

Rm = R1Gi + R2Gi + R3Gi

Se tienen una mezcla de gases conociendo el análisis gravimétrico:

CO=25% CO2=38% N2O=17% Ar=19%

CALCULAR:

A) PESO MOLECULAR

B) ANALISIS VOLUMETRICO EN PORCIENTON

C) CPM J/KGC

D) CVM J/KGC

E) CONSTANTE ESPESIFICA RM J/KGK

PESO MOLECULAR

GAS PESO MOLECULAR

CP CV K

Ar 39.95 523.40 315.20 208.20CO 28.01 1040.80 743.20 297.60SO2 64.0628 608.30 478.50 129.80N2O 41.016 892.20 703.40 188.80

CO=7.0025

SO2=24.343

N2O=7.48272

39

Page 40: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

Ar=7.5905

Mm=1

g1mi

+g2m 2

+g3m3

=1

.2628.01

+.3864.062

+.1744.016

+.19539.95

=

Mm=41.95 kg/mol

Bi=GiMi

Mm

BiCO=.2628.01

(41.95 )=.3899=38.99%

BiSO2=.38

64.0628(41.95 )=.2488=24.88%

CPM=CpiGi+Cp2Gi…….

CPCO2=819(.54)+998.10(0.23)+914.40(.12)+1040(.11)

CPM=896.1672 J/KG K

CV=630.10(.54)+721(.23)+654.80(.12)+742.7(.11)

CVM=66.357 J/KG K

RM=R1Gi+R2Gi+…..

Rm=189.30(.54+277.10(.23)+259.60(.12)+297.9(.10)

Rm=226.897 j/kg k

Bin2o=(.17/44.016)(41.95)=.1620=16.20%

BiAr=(.19/39.95)(41.95)=.1995=19.95%

CPM=Gp1Gi+….

CPM=(.26)(1040.8)+(.38)(608.30)+(.17)(892.2)+(.19)(523.4)

CPM=752.88 J/KG K

CVM=CV1Gi+…….

40

Page 41: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

CVM=(.26)(743.20)+(.38)(478.50)+(.17)(703.4)+(.19)(315.20)

CVM=554.52 J/KG K

RM=R1Gi+….

Rm=(297.6)(.26)+(129.8)(.38)+(188.80)(.17)+(208.20)(.19)

Rm=198.35 j/kg k

Rm=RM/Mm=8314/44.95=198.18 j/kg k

Rm=Cpm-Cvm=752.88/554.52=198.36 j/kg k

PODER CALORIFICO

Es la cantidad de calor generado por la unidad de masa de ese combustible y hay dos clases de poder calorífico.

Poder Calorífico Superior (PCS)

Es todo el calor generado por la unidad de masa del combustible y se obtiene cuando los productos de la combustión son llevados nuevamente a la temperatura inicial de los reactantes.

Poder Calorífico Inferior (PCI)

Es el calor realmente aprovechable de un combustible y lo podemos definir como el PCS – calor necesario para elaborar el agua, ya sea contenida en el combustible o formada por la combustión.

PCI= PCS – (h”- h’)

h”- Entalpía del vapor.

h’ – Entalpía del liquido (Saturado).

Normalmente para cálculos de los procesos de combustión se usa el PCI.

Cantidad de Aire Necesaria para la Combustión

41

Page 42: Apuntes de Termodinámica

23 de mayo de 2011

El aire estrictamente necesario se determina a partir de las reacciones de oxidación que tiene lugar en la combustión para calcular la cantidad de aire teóricamente necesario para quemar 1kg de carbono se hace el siguiente el siguiente análisis:

C + O2 = CO2

12.01 + 32 = 44 kg por cada un kg de combustible quemado.

Reacciones del Combustible

C + O2 + N2 = CO2 + N2

2 H + 160 = 18 H2O

Esto es en el caso ideal pero como la combustión se lleva a cabo con poco aire se forman compuestos muy diversos, por lo que todas las combustiones deben de hacerse con exceso de aire, ya que las combustiones en atmosferas con poco aire son productoras del CO gas altamente toxico.

2C + O2 = CO + Calor

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