introduccion termodinamica

TERMODINAMICA

LAURA MARCELA PALACIOS Candidata a Doctorado en Ingeniera Qumica

[email protected]

Objetivos

Formular la primera y segunda leyes de la

termodinmica en las modalidades de sistemas de

masa fija y sistemas de flujo.

Adquirir habilidades en el manejo de propiedades

termodinmicas en grficos y tablas.

Adquirir habilidades en la seleccin de sistemas

termodinmicos y la aplicacin de las leyes de la

termodinmica a la solucin de problemas

Adquirir conocimientos de aplicacin sobre ciclos

termodinmicos, parmetros y diferencias entre

Ciclos de potencia con vapor y ciclos de refrigeracin

CONTENIDO

Introduccin a la termodinmica (conceptos y definiciones)

Propiedades termodinmicas de sustancias puras.

Primera Ley de la termodinmica

Segunda Ley de la termodinmica Entropia

Ciclos termodinmicos (Ciclos de potencia con vapor y Ciclos de

refrigeracin)

TERMODINAMICA

La ciencia de la energa y la entropa

La ciencia que estudia la energa y sus

transformaciones y su relacin directa entre las

propiedades de la materia y sus variaciones.

Parte de la fsica que estudia los intercambios de

calor y de trabajo que se producen entre un sistema y

su entorno y que origina variaciones en la energa

interna del mismo.

http://www.wordreference.com/definicion

Se basa en estudios empricos.

La palabra proviene de los vocablos griegos thermos

(calor) y dynamis (Fuerza)

TERMODINAMICA

Microscpico TERMODINAMICA ESTADISTICA

Macroscpico TERMODINAMICA CLASICA Enfoque

Termodinmica deequilibrio Termodinmica de no equilibrio Tiempo

Trmico - TERMODINAMICA Qumico TERMOQUIMICA Equilibrio

Sistemas termodinmicos El SISTEMA TERMODINAMICO es parte del universo que se

encuentra en estudio, que esta encerrado por una

superficie real o ficticia, que lo separa del resto del

universo. A ese resto del universo se le llama alrededores o

ambiente

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica

Sistemas termodinmicos - clasificacin

http://bobielee1416.blogspot.com

Sistemas termodinmicos

http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica

Sistemas homogneos: composicin qumica

y propiedades fsicas iguales en todo el sistema

(fase nica)

Sistemas heterogneos: se componen de dos o

ms fases. Se presentan gradientes apreciables en

la interfase (p.e., densidad)

Sistemas continuos: variacin continua de las

propiedades de las sustancias de trabajo

Sustancias puras: tienen una composicin

qumica uniforme e invariable. Si la sustancia se

presenta en ms de una fase, su composicin

qumica se conserva en cada una de ellas.

Propiedades de un sistema

Propiedad es cualquier magnitud fsica mensurable,

evaluable (medible) de un sistema.

Cada sistema puede ser referido en funcin de un pequeo

nmero de variables de estado o propiedades.

Solamente pueden ser clasificadas como propiedades

aquellas caractersticas del sistema que no dependen de la

historia del sistema ni de su entorno, sino de las

condiciones del mismo en el momento de la medida.

estas propiedades describen el sistema de forma

macroscpica

Las propiedades pueden ser extensivas o intensivas.

Dependientes o independientes


intensivas

Independientes del tamao del sistema.

Se denota con letras minsculas

Temperatura

Presin

densidad

extensivas

Dependientes del tamao del sistema

Se denota con letras maysculas

Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman

especificas

Masa

Volumen

Energa total

ESTADO Y EQUILIBRIO

Es una condicin de un sistema o de una sustancia, total o perfectamente definida a travs de sus propiedades.

POSTULADO DE ESTADO

El estado termodinmico de un sistema* o de una sustancia, se establece completamente a partir de dos propiedades intensivas

independientes.

Propiedades intensivas independientes:

temperatura y el volumen especifico

Temperatura y presin para sistemas homogneos

* Sistema compresible simple es el cual donde efectos elctricos, magnticos, gravitacionales, de movimiento y de tensin superficial son despreciables.

ESTADO Y EQUILIBRIO Cuando el estado de un sistema no cambia con el tiempo se dice

que est en equilibrio.

En este caso los valores del conjunto de parmetros termodinmicos

permanecen constantes e invariantes en el tiempo.

Equilibrio termodinmico

Equilibrio trmico

Equilibrio mecnico

Equilibrio qumico

Equilibrio de fase

ESTADO Y EQUILIBRIO

Procesos y ciclos

se le llama proceso al cambio que sufre un sistema

al pasar de un estado de equilibrio a otro.


Cualquier caracterstica de un sistema se denomina propiedad.

Tambin conocidas como atributos, parmetros o variables

termodinmicas

Presin P, Temperatura T, Volumen V, masa m, viscosidad, conductividad

trmica, modulo de elasticidad, el coeficiente de expansin trmica, la

resistencia elctrica entre otras.

Densidad: masa por unidad de volumen.

Peso especfico: peso por unidad de volumen.

g

3m

Kg

V

m


volumen especfico: reciproco de la densidad.

Gravedad especfica: densidad (o peso especifico) con respecto a la

del agua.

C 4 C 4 aguaagua

s S

1

m

V

1. VISCOSIDAD

La viscosidad de un fluido es una

medida de su resistencia a fluir,

como resultado de la interaccin

y cohesin de sus moleculas.

Un fluido es una sustancia que se

deforma continuamente cuando

se somete a un esfuerzo cortante

La viscosidad es la facilidad o

dificultad para deformar un

fluido. d

A

F L

Lo

La ley de viscosidad de newton establece que para

fluidos newtonianos el esfuerzo cortante sobre una

interfaz tangente a la direccin del flujo es

proporcional a la tasa de cambio de la velocidad con

respecto a la distancia

se conoce como coeficiente de viscosidad. Es la

constante de proporcionalidad de la transferencia de

cantidad de movimiento.

LEY DE VISCOSIDAD DE NEWTON

VISCOSIDAD DINMICA: ()

= /(u/y )

Unidades:

(Pa*s = kg/m *s)

(lb *s /ft2 = slug/ft *s)

Poise = g/(cm*s); cP= Poise/100

1 Pa*s = 1000 cP

Viscosidad cinemtica ()

Es la relacin entre la viscosidad dinmica y la densidad del

fluido.

Unidades:

Kg/m*s / (kg/m3) = m2/s

ft2/s

Stoke St = cm2/s = 10-4 m2/s

La viscosidad de un liquido disminuye con la temperatura. (por la

cohesin)

La viscosidad de un gas se incrementa con la temperatura (por la

transferencia de momento molecular)

La viscosidad es independiente de la presin.

Agua

(Pa*s) *

10 3

0

5

10

15

20

25

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 20 40 60 80 100

Temperatura (C)

Viscosidad dinmica

Aire

(Pa*s) *

10 6

TIPOS DE FLUIDOS SEGN SU

VISCOSIDAD

Tipos de fluidos

Fluidos viscosos

Newtonianos

No Newtonianos

Dilatante

Pseudoplastico Fluidos no viscosos

REOLOGA: Ciencia que estudia el comportamiento de los

materiales sometidos a esfuerzos cortantes.

Fluido Newtoniano: fluido viscoso que cumple la ley de

viscosidad de Newton, es decir, existe una relacin lineal

entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la

tasa de deformacin resultante. (la viscosidad dinmica

es constante).

Fluido No Newtoniano: fluido viscoso que cumple la ley

de potencias, es decir, existe una relacin no lineal entre

la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la tasa de

deformacin resultante. (la viscosidad dinmica no es

constante).

Tipos de comportamiento reologico de un fluido

Fluido no

viscoso

Dilatante

Fluido

Newtoniano

Pseudoplastico

Plastico ideal

(Bimgham) Slido

elstico Esfuerzo

cortante

()

dv/dy

Plastico

real

Ley de potencias:

n=1 : fluido Newtoniano. La viscosidad no

cambia con la velocidad de corte. Ej: agua,

aire, aceite, la mayora de lquidos y gases

comunes.

Ley de potencias:

n>1: fluido dilatante ( Shear-thickening): la

viscosidad aumenta con la velocidad de

deformacin (con un incremento de la tasa de

corte el liquido se engruesa) ej: harina con

agua, suspensiones concentradas de almidn.

Ley de potencias:

n

Plastico real:

Son sustancias que no fluyen hasta la tensin

de fluencia , y luego presentan una zona de

viscosidad variable que disminuye con el

incremento de la velocidad de deformacin, hasta

alcanzar un valor asinttico constante

Material lineal de Bingham: Se presenta

desplazamiento con relacin lineal entre esfuerzo y

velocidad de corte, despus de vencer el punto de

fluencia.

Otros tipos de fluidos no

newtonianos (n cambia):

Los fluidos tixotrpicos como tintas de impresor , tiene una viscosidad que depende de la deformacin angular inmediatamente anterior de la sustancia y tiende a solidificarse cuando se encuentra en reposo, estos fluidos muestran una reduccin de la viscosidad con el tiempo ante la aplicacin de un esfuerzo de corte constante.

Los fluidos reopcticos muestran un aumento de la viscosidad con el tiempo. Despus de la deformacin, algunos regresan parcialmente a su forma original cuando se libera el esfuerzo aplicado. A tales fluidos se les llama viscoelsticos

MODULO DE ELASTICIDAD

VOLUMTRICA

Aunque los lquidos se consideran fluidos

incompresibles, realmente se comprimen en un

muy pequeo porcentaje que a veces es

importante para altas presiones.

K agua= 2068 MPa

a T,P amb.

= 1/K = coeficiente de compresibilidad

PRESIN DE VAPOR

La presin de vapor o presin de saturacin es la presin,

para una temperatura dada, en la que la fase lquida y el

vapor se encuentran en equilibrio dinmico. Es la presin

parcial ejercida por las molculas del liquido en la

superficie.

Se incrementa con la temperatura

Cuando en un fluido se producen presiones bajas, menores

que la presin de vapor, el fluido cambia de fase

producindose cavitacin.

TENSIN SUPERFICIAL

Es una fuerza de tensin distribuida a lo largo de la superficie que se debe primordialmente a la atraccin molecular entre molculas parecidas (cohesin) y a la atraccin molecular entre molculas diferentes (adhesin).

Se da en la superficie.

Tensin superficial

Adhesin > cohesin adhesin < cohesin

Efectos de capilaridad.

DIMENSIONES Y UNIDADES

MAGNITUD

FUNDAMENTALES

SI S. INGLES CONVERSIN

LONGITUD Metro (m) Pie (ft) 1ft = 0.3048 m

1 in = 2.54 cm

MASA Kilogramo

(kg)

Libra (lb) 1 lb = 0.453 kg

TIEMPO Segundo (s) Segundo (s)

TEMPERATURA Celsius (C),

kelvin (K)

Fahrenheit (F),

Rankine (R)

F = 1.8C + 32

K = C +273

R = F + 460

DIMENSIONES Y UNIDADES SI

BASE


MAGNITUDES

DERIVADAS

SI S. INGLES CONVERSIN

VOLUMEN metro cbico

(m3)

Litro (L)

Pe cbico (ft3)

Galn (gal)

1 m3 = 1000L

1 gal = 3,78 L

FUERZA Newton (N) lbf 1 N = 1kgm/s2

1 kg f = 9,8 N

1 lbf = 0,453 kgf


MAGNITUD SI S. INGLES CONVERSIN

PRESIN Pascal (Pa)

(N/m2)

Psi (lbf/in2) 1 atm = 101314 Pa

= 14,7 psi

= 760 mm

Hg

ENERGA Joule (J) BTU 1BTU = 1055.5 J

= 252 cal

= 778 lbf

*ft

= 2.93 E-4

KWh

POTENCIA Vatio (W) BTU/h

HP

1 BTU/h = 0.293 W

1 HP = 745.7 KW

UNIDADES DE FUERZA

(N, kgf, lbf, lbm ft/s2)

F=m*a N=kg m/s2; lbf = slug*ft/s2

1 slug = 32,17 lbm

F= m*a /gc 1 kgf = 9,8 N;

gc = 9,8 N/kgf = 32,17 lbm ft/s2 / lbf

1 lbf = 1 slug* ft/s2

Peso = m*g/gc

Ej: calcular su peso en N, kgf, lbf, lbm ft/s2

Presin

Es el resultado de una fuerza de compresin

normal que acta sobre un rea.

PaA

FP n

A

0lim

PRESIN

Para un gas ideal:

PV=nRT = mRT/M; PM/RT=

R= 0,082 atm*L/mol K = 8,31 J/mol K

R= 1545 lbf*ft/ lbm R

Para lquidos se usan tablas o modelos.

P atm: 1 atm = 101314Pa = 760 mmHg = 760

Torr = 14,7psi = 760 mmHg

MEDIDA DE PRESIN

manatmabs PPP

Barmetro

Se utiliza para medir la presin

atmosfrica.

P = g h

P abs = P bar + P man

Ej: un barmetro de mercurio registra una altura de 76 cm. Cual es la presin atmosfrica en ese lugar en (psi, Pa, atm, pulg de agua)

Densidad Hg = 13,6 g/mL

Manmetro

Son aparatos que emplean

columnas de liquido para

determinar la presin.

La presin esta dada por la

diferencias de alturas que

alcanza el liquido dentro del

tubo.

P = g h

hHpp

Hphp

pp

Hg

Hg

101

011

32

1

Hg

Si la densidad del medio 1 es pequea (1 0) llegamos a la expresin ya conocida:

manabs ppp 0

Donde p0 es la presin atmosfrica, pabs se denomina

presin absoluta, y pman se denomina presin

manomtrica

gHpman

Ejemplo manmetro simple

Calcular la presin en a.

Empezar en un extremo, aadir el cambio de presin desde un

menisco hasta el siguiente (+ por debajo y por encima)

Continuar hasta el otro extremo e igualar a la presin

desconocida.

Pa = P atm + Hg*g* d2 A*g*d1

Ej manmetro diferencial

Determina la diferencia de presin entre dos puntos.

A: agua a 20C densidad

1000 kg/m3

B: aire densidad: 1.2 kg/m3

Densidad mercurio: 13.6 g/mL

d1 10mm

d2 80mm

d3 60mm

EJERCICIOS

Encontrar la diferencia de presin entre los tanque A

y B si d1= 30 cm, d2 = 15 cm d3 45 cm, d4, 20 cm.

Cual es la diferencia de presiones entre los puntos A y B de

los tanques?

Principio de Pascal

Una variacin en la presin

aplicada a un lquido

encerrado, se transmite por

igual a cada punto del liquido y

a las paredes del recipiente que

lo contiene.

PRENSA HIDRAULICA

Las presiones en los 2 mbolos son iguales:

54

La ventaja que presentan los lquidos es que al transmitir

Presiones, pueden multiplicar las Fuerzas aumentando el

rea sobre la cul se ejerce.

1

212

1

1

2

2

12

A

AFF

A

F

A

F

PP

PRENSA HIDRAULICA

Lo que se gana en fuerza, se

pierde en recorrido.

Ej: si A1= 10 cm2, A2= 1000 cm

2 y

el recorrido por el pistn chico es

de 5 cm:

V=A1.d1=10 cm2.50 cm=500 cm3

d2=V/A2=500 cm3/1000 cm= 0.05

cm

55

Temperatura

La temperatura es una propiedad de un objeto que est relacionada con el hecho de que el objeto est o no en equilibrio trmico con otro objeto con el cul est en contacto.

Escala absoluta: K, R

K= C +273

R= F+460

F= 9/5*C+32

15.273 KC TT

Escalas de temperatura

introduccion termodinamica

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