Termodinámica
Presentado por:
Arrez Castillo Nimsi
Rodríguez Muñoz Daniel
Vargas Vergara Elíseo
18/04/2012
Unidad I
Introducción y conceptos básicos
Termodinámica y energía
La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. Aunque es difícil definirla, se puede considerar como la capacidad para causar cambios.
Termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo mas descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía.
Uno de los mas importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el "principio de la conservación de la energía". Es decir, la energía no se crea ni se destruye. Una roca que cae de un acantilado, adquiere velocidad como resultado de su energía potencial convertida en energía cinética.
La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía
Áreas de la aplicación de la termodinámica
En la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interacción entre la energía y la materia; por consiguiente, es difícil imaginar un área que no se relacione de alguna manera con la termodinámica.
Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería, por ejemplo; el corazón bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo, diferentes conversiones de energía ocurren en trillones de células y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el ambiente.
La termodinámica desempeña una parte importante, motores automotrices, cohetes, motores de avión, plantas de energía convencionales o nucleares, colectores solares y en el diseño de todo tipo de vehículos desde automóviles hasta aeroplanos.
Importancia de las dimensiones y unidades
Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades algunas dimensiones, como masa (m), longitud (L), tiempo (t) y temperatura (T) son dimensiones primarias o fundamentales, velocidad (v), energía (E) y volumen (V) se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.
Con el paso de los anos se han creado varios sistemas de unidades. El sistema SI métrico, también llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lógico basado en una relación decimal entre las distintas unidades, se usa para trabajo científico y de ingeniería.
Termodinámica clásica
Estudio de la termodinámica que no requiere conocer el comportamiento de cada una de las particulas
Termodinámica Estadística
Comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales.
Sistema
Se define como una cantidad de materia o región en el espacio elegido para su análisis
- Sistema cerrado: Lo único que puede entrar y salir energía, no puede entrar ni salir masa
- Sistema abierto: Puede entrar y salir masa y energía.
Cualquier característica de un sistema se llama propiedad.
- Propiedades intensivas: Son aquellos independientes de la masa de un sistema
- Propiedades Extensivas: Son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema.
Estado y equilibrio
La termodinámica trata con estados de equilibrio
Ejemplo:
Un sistema cerrado que alcanza el equilibrio térmico
El numero de propiedades requeridas para fijar el estado de un sistema se determina mediante postulado de estado.
El estado de un sistema comprensible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes.
ANTES DESPUES.
T: 20 grados celcius.................................20 grados centigrados
M: 2 kilogramos..............................................2 kilogramos
V: 1.6 metros cubicos......................................2.5 metros cúbicos.
Procesos y ciclos
Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso y la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso.
Proceso Isotérmico
Aquel que la temperatura permanece constante
Proceso Isocorico
Aquel que el volumen permanece constante
Proceso Isobárico
Aquel que la presión permanece constante
Estados de la materia
Solido
Por ejemplo la roca posee una forma determinada que no varia fácilmente.
Liquido
Toma la forma del recipiente que lo contiene.
Gas
Llena el espacio que lo encierra no posee forma ni volumen definido.
Fluido
Es un conjunto de moléculas que se ordenan aleatoria mente y se mantienen juntas a partir de fuerzas cohesivas débiles y fuerzas que ejercen las paredes de un contenedor.
Presión
Fuerza por unidad de área.
Ejemplo 1
El colchón de una cama de agua mide 2.0 m de largo por 2.0 m de ancho y 30.0 cm de profundidad.
- Encuentre el peso del agua en el colchón
- Encuentre la presión que ejerce el agua sobre el suelo cuando la cama de agua descansa en su posición normal, suponga que toda la superficie inferior de la cama tiene contacto con el suelo.
1-
Datos
Volumen del colchón = 2 x 2 x 0.30 = 1.2 m3
Volumen del agua = 1.2 m3
densidad = masa/ volumen
W = mg = 1200 kg (9.81 m/s2) = 11772 N
W = 11772 N
2-
P = F / A
A = 4 metro cuadrado
F = 11772 N
P = 11772 N / 4 = 2.943 KPa
P = 2.943 KPa
Presión Absoluta
Presion real en una determinada posicion y se mide respecto al vacio absoluto
Pmanometrica = Pabsoluta - Patmosferica
Pvacio = Patmosferica - Pabsoluta
Ley Pascal
La presión aplicada a un fluido confinado incrementa en la misma cantidad la presión en todas partes.
Quien también sabia que la fuerza ejercida por un fluido es proporcional al área superficial.
Variación de la presión con la profundidad
 |
| 1 - Peso 2- Fuerza 3 Fuerza externa |
Una sumatoria de fuerzas
F2-F3-mg = 0
P = F/A entonces F = PA
Sustituimos en F
PA2 - PA3 - mg = 0
densidad = masa/volumen
m = densidad(volumen)
Sustituimos en la masa
PA2 - PA3 - PVg = 0
(P2 - P3)A = PVg
V = hA
P = P3 + Phg
Ejemplo
La presión Absoluta en agua a una profundidad de 5 metros es de 145 KPa determine:
- La presión atmosférica local
- La presión absoluta a una profundidad de 5 metros en un liquido cuya densidad relativa es de 0.85 en el mismo lugar.
1-
Patm = P - Phg
Datos:
P = 145 KPa
Densidad = 1000 kg/m^3
g = 9.81 m/s^2
h = 5 m
Patm = 145 000 -( 1000)(9.81)(5)
Patm = 95.95 KPa
2-
Densidad relativa = 0.85
densidad = 0.85 (1000)
Densidad = 850 kg / m^3
Pabs = 95.95 +850
2-
Densidad relativa = 0.85
densidad = 0.85 (1000)
Densidad = 850 kg / m^3
Pabs = 95.95 +850
Ley Pascal
Un cambio en la presión aplicada a un fluido se transmite sin disminución a todos los puntos del fluido y a las paredes del contenedor.
Ejemplo
En un elevador de automóviles en una estación de servicios el aire comprimido ejerce una fuerza sobre un pequeno pistón que tiene una sección transversal circular y un radio de 5 cm. Esta presión se transmite mediante un liquido a un pistón que tiene un radio de 15 cm. Que fuerza debe ejercer el aire comprimido para elevar un automóvil que pesa 13 300 N? Que presión de aire produce esta fuerza?
Un cambio en la presión aplicada a un fluido se transmite sin disminución a todos los puntos del fluido y a las paredes del contenedor.
Ejemplo
En un elevador de automóviles en una estación de servicios el aire comprimido ejerce una fuerza sobre un pequeno pistón que tiene una sección transversal circular y un radio de 5 cm. Esta presión se transmite mediante un liquido a un pistón que tiene un radio de 15 cm. Que fuerza debe ejercer el aire comprimido para elevar un automóvil que pesa 13 300 N? Que presión de aire produce esta fuerza?
Medición de presión
Manómetro
Pgas = P1 = P2 = Patm +Pgh
P1 = Patm + P 1gh1
P2 = Patm + P 2gh2
P3 = Patm + P 3gh3
Nota: P = Densidad
Ejemplo
El agua en un recipiente se presuriza con aire y la presión se mide por medio de un manómetro de varios fluidos. El recipiente se localiza en una montana a una altitud de 1400 m donde la presión atmosférica es 85.6 KPa. Determine la presión del aire en el recipiente si h1 = 0.1 m, h2 =0.2 m y h3 =0.35 m. Tome las densidades del agua, aceite y mercurio iguales a 1000 kg/m^3, 850 kg/m^3 y 13600 kg/m^3 respectivamente.
Ejemplo
Fluye en tuberías horizontales paralelas conectados entre si en un manómetro de tubo, determine la diferencia de presión entre las 2 tuberías considerando la densidad del agua de mar a este punto de 1035 kg/m^3. Se puede ignorar la columna de agua entre el análisis?
Respuesta a la pregunta : Si se puede ignorar por que la presión del aire es insignificante para los otros.
Diferencia entre temperatura y calor
Calor y temperatura relacionados entre si pero son conceptos diferentes.
Calor: Energía total del movimiento molecular en una sustancia
Temperatura: Medida de la energía molecular media.
El calor depende de la velocidad de las partículas, su numero su tamaño y tipo. La temperatura no depende del numero o del tipo.
Barómetro
Temperatura y la ley cero de la termodinamica
Escalas de temperatura
Escalas de dos puntos
- Punto fijo inferior (punto de hielo)
- Punto fijo superior (punto de vapor)
Escala termodinamica
- Kelvin (k)
- Rankine (R)
Si nos interesa una diferencia de temperatura
Ejemplo
Una campana de 250 mm de diámetro se coloca sobre una superficie plana y el aire se ebacua hasta un vació de 700 mm hg (mercurio). El barómetro local da una lectura de 760 mm. Encuentre la presion absoluta dentro de la campana.
Datos
Ejercicio
Calcule la presión del cilindro de 200 mm de altura, el resorte se comprime 40 cm
Sumatoria de fuerzas
UNIDAD II
PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS
SUSTANCIA PURA: Es aquella cuya composición química permanece fija en
cualquiera de sus partes. También pueden ser mezclas homogéneas y que en ellas
la composición química no varía.
TEMPERATURA DE SATURACIÓN (Tsat.): A una presión dada,
la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase
PRESIÓN DE SATURACIÓN (Psat): La presión a la cual una sustancia pura cambia de
fase se le llama.
FASES DE UNA SUSTANCIA PURA:
Procesos de cambios de fase en una sustancia:
DE
|
A
|
SE LLAMA
|
SOLIDO
|
LIQUIDO
|
FUSION
|
GAS
|
LIQUIDO
|
CONDENSACION
|
LIQUIDO
|
GAS
|
EVAPORACION
|
LIQUIDO
|
SOLIDO
|
SOLIDIFICACION
|
EJEMPLO:
En agua adentro
de un cilindro-pistón a 20ºC y 1 atm.
1.- LIQUIDO COMPRIMIDO (LIQUIDO SUB-ENFRIADO)
Liquido que no está a punto de evaporación
2.- LÍQUIDO SATURADO: Se le aumenta la temperatura y está a punto de
evaporación.
3.- MEZCLA SATURADA LÍQUIDO -VAPOR: Esta en un a fase liquida pero también
vapor; sigue a una misma temperatura (100 ºC) cien llamado vapor húmedo.
4.- VAPOR SATURADO: Cuando se evapora completamente la última gota
del líquido (100 ºC); también
llamado punto de condensación
5.- VAPOR SOBRECALENTADO: Cuando su temperatura aumenta a más de 100c este vapor es el que no está a punto de condensación.
Se denomina calor latente a la cantidad de energía
absorbida o generada durante un proceso de cambio de fase.
A la
cantidad de energía absorbida durante el proceso de fusión se llama calor latente de fusión y equivale a
la energía liberada durante la congelación.
ESTADOS DE LÍQUIDO SATURADO Y VAPOR SATURADO.
Ufg = Ug-
Uf diferencia de energía interna.
hfg = hg-
hf Entalpia de vaporización.
Ejemplo 1
Un recipiente contiene 50kg de agua saturada a 90 ºC. determine la presión en el recipiente y el volumen del
mismo.
Se denomina calor latente a la cantidad de energía
absorbida o generada durante un proceso de cambio de fase.
A la
cantidad de energía absorbida durante el proceso de fusión se llama calor latente de fusión y equivale a
la energía liberada durante la congelación.
ESTADOS DE LÍQUIDO SATURADO Y VAPOR SATURADO.
Ufg = Ug-
Uf diferencia de energía interna.
hfg = hg-
hf Entalpia de vaporización.
Ejemplo 1
Un recipiente contiene 50kg de agua saturada a 90 ºC. determine la presión en el recipiente y el volumen del
mismo.
Solución:
Se sabe la masa
y la temperatura del agua y se sabe también en que fase esta. Por lo tanto se
procede a buscar en la tabla A-4 la presión a la temperatura indicada.
P= Psat@90ºC = 70.183 Kpa.
Ahora bien para encontrar el volumen del recipiente utilizamos la formula que nos involucra el
volumen especifico, volumen y masa.
Vf = V/ m
Despejando para el volumen. Y utilizando el volumen especifico a una
temperatura de 90ºC
V = (Vf@90ºC )(m)= (0.001036
m3/kg)(50kg)= 0.0518 m3
Ejemplo 2
Una masa de 200gr de agua Liquida saturada se evapora por completo a una
presión constante de 100 Kpa. Determine a) el cambio de volumen. b) la cantidad
de energía.
MEZCLA SATURADA LÍQUIDO – VAPOR:
Este análisis también aplica para energía interna y
entalpia
EJEMPLO:
Un recipiente de 80 lt contiene 4kg de refrigerante 134ª
a una presión de 160 Kpa. Determine
a)
La temperatura
b)
La calidad
c)
La entalpia del refrigerante
d)
El volumen que ocupa la fase de vapor.
Datos:
m= 4kg V = V/ m
P= 160Kpa V = .08 m3 / 4kg = 0.02m3/kg.
V= 80 L= .08LT
Vg@160Kpa= 0.0007437m3/kg P= 160Kpa.
Vf@160Kpa= 0.12348 m3/kg
Vf < V < Vg
Vapor húmedo de la tabla A-12
a)
La temperatura.
T = Tsat
T=-15.60ºC
b)
La calidad.
a) La entalpia del refrigerante
h = hf@160kpa + X hfg@160kp
h = 31.21
+ (0.157)(209.90)
+ (0.157)(209.90)
h = 64.16
D) El volumen que ocupa la fase de vapor
Un recipiente de .5 m3 contiene 10kg de
refrigerante 134a a -20ºC.
a)
|
b)
Energía interna total.
c)
Volumen que ocupa la fase liquida.
VAPOR SOBRECALENTADO
Presiones
menores (P < Psat a T
dada)
Temperaturas
superiores (T > Tsat a P dada)
Volúmenes
específicos superiores (v > vf a T o P dada)
Energías
internas > (u > uf a T o P dada)
Entalpías superiores (h > hf
a T o P dada)
LIQUIDO COMPRIMIDO:
Un
líquido comprimido puede ser caracterizado por:
Presiones
superiores (P > Psat
a T dada)
Temperaturas
menores (T < Tsat a P dada)
Volúmenes
específicos menores (v < vf a P o T dada)
Energías
internas menores (u < uf a P o T dada)
Entalpías
menores (h < hf a P o T dada)
APROXIMACIÓN A LIQUIDO SATURADO:
y=
yf@T
SE UTILIZAN LAS TABLAS
A-4, A-4E, A-11; A-11E
Un dispositivo de cilindro embolo contiene .85kg de
refrigerante 134a a -10ºC. El embolo, que posee libertad de movimiento, tiene una
masa de 12kg y un diámetro de 25cm. La presión atmosférica local es de 88Kpa.
Si se transfiere calor al refrigerante hasta que la temperatura es de 15ºC,
Determine
a)
La presión final.
b)
El cambio de volumen del cilindro.
c)
El cambio en la entalpia del refrigerante 134a.
m = 12kg.
T= -10ºC 15 ºC
Ø= 25Cm P1= P 2
= ya que la masa no cambia
Patm = 88Kpa
INTERPOLAMOS TAMBIEN
PARA SABER EL VOLUMEN ESPECIFICO DEL LIQUIDO EN LA TEMPERATURA DE 15ºC.(UTILIZANDO
LA MISMA FORMULA .
DIAGRAMA DE PROPIEDADES DE CAMBIO DE FASE
A
una presión de 1atm el agua tiene un volumen especifico más pequeño ya que se
le añaden pesas al embolo. A medida que
se le transfiere calor al agua bajo esta nueva presión el proceso seguirá una
trayectoria muy similar a la del proceso a una presión a una presión de 1atm,
pero con algunas diferencias ya que a esta presión el agua empezara a hervir a
una temperatura más alta (179.9 ºC)
el volumen especifico vf es más grande vg mas pequeño que los valores que le
corresponderían a esa presión.
Conforme
aumente la presión la linea de saturación continua acercándose y se convertirá
en un punto llamado PUNTO CRITICO y se define como EL PUNTO EN EL QUE LOS DOS
ESTADOS LIQUIDO SATURADO Y DE VAPOR SATURADO SON IDENTICOS.
EN
ESTE MOMENTO HAY UN LLAMADO PUNTO TRIPLE QUE SON:
Tc = H2
O, Pc = H2 O, Vc
= H2 O
P-T diagrama de fase de una sustancia pura ya que
las tres fases se separan entre sí. La sustancia que se expande y se contrae al
congelarse difieren solo en la linea de difusión del diagrama P-T
MODELO DEL GAS
IDEAL:
Este modelo tubo sus
principios con tres modelos que a continuación se mencionan.
Para finalmente
terminar con un solo modelo llamado
Ecuación de estado también llamada la ecuación del gas ideal
AHORA BIEN
1 MOL de gas ideal a T P ɭ (P=1 atm, T= 273.15
K)
Este ocupa un volumen exactamente de 44.414 L.
ECUACION GENERAL
UNIDAD III
LA PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA
Diagrama
T-V
Ejercicio:
Al inicio de un dispositivo de
cilindro-embolo contiene 0.4m3 de aire a 100Kpa y 80 ̊C. se comprime el aire a 0.1m3
de tal manera que la temperatura dentro del cilindro permanece constante.
Determine el trabajo hecho durante este proceso.
Ejercicio:
En cierta estufa de gasolina para
acampar, el 30% de la energía liberada al quemar el combustible calienta el agua de la olla en la estufa. Si
calentamos 1Lt de agua a 20 a 100grados celcius y
evaporamos 0.25Kg de ella. Cuanta gasolina habremos quemado. 1Kg de gasolina
libera 4600J.
Datos:
1lt de gasolina a 20 a 100grados celcius
1gr de gasolina libera 46KJ
Datos:
FLUJO ESTACIONARIO
Balance de
masa
Balance de masa
Ejercicio:
Un recipiente rígido contiene 20lbm de aire a 50psia y 80F. El aire se calienta hasta duplicar su presión.
Determinar:
a) El volumen del
recipiente.
b) La cantidad de
transferencia de calor.
Datos:
·
m=20lbm
·
P1=50psia
·
T1=80F
·
V1=V2
El
volumen del recipiente.
PѴ=RT
donde R viene en la Tabla A-1
La
cantidad de transferencia de calor.
Se
toma la presión en el 2do. Estado que es 100psia ya que se duplico.
Ejercicio:
Un dispositivo que consta de cilindro
embolo contiene inicialmente 0.5m3 de gas Nitrógeno a 400Kpa y 27C. Dentro del dispositivo se enciende un
calentador electrico con el cual pasa una corriente de 2A durante 5min desde
una fuente de 120V, el nitrogeno se expande a presion constante y ocurre una
perdida de calor de 2800J durante el proceso. Determine la temperatura final
del nitrógeno.
Datos:
Sust. Nitrógeno gas
ESTADO 1
·
P=400Kpa
·
T1=27C
·
V1=0.5m3
ESTADO 2
·
P=400Kpa
o Entrada=We
o Salida=Wb.Q
Balance
de energía
