Transcript TERMODINAMICA TECNICA MEC - 2254

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN A LA
TERMODINÁMICA
Objetivo
• Introducir conceptos fundamentales y
definiciones usadas en el estudio de la
Termodinámica.
• Revisar los sistemas de unidades que se
utilizarán en el curso.
• Explicar los conceptos básicos de la
termodinámica, como sistema, estado,
equilibrio, proceso y ciclo.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
En este mundo fascinante de la ciencia uno
de los temas que trata el estudio de la
energía y de su relación con la materia,
es la Termodinámica
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA
1. Introducción (tema de interés)
¿Qué es la Termodinámica?
La Termodinámica es una herramienta
analítica, teórica y práctica que
interpreta fenómenos naturales desde el
punto de vista de las relaciones de
materia y energía.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
2. Sistema
En Termodinámica un sistema se define
como cualquier conjunto de materia o
cualquier región en el espacio delimitado
por una superficie llamada frontera del
sistema.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
• Sistema: cantidad de materia o una
región en el espacio elegida para ser
estudiada.
Frontera
sistema
Medio
ambiente
• Medio Ambiente: masa o región fuera
del sistema.
• Frontera: superficie real o
imaginaria que separa al sistema de
los alrededores.
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2.1 Tipos de sistemas
A lo largo de la materia se distinguirán tres
tipos básicos de sistemas.
Un sistema cerrado se define como una
cantidad determinada de materia. Dado
que un sistema cerrado contiene siempre
la misma materia, esto implica que no hay
transferencia de masa a través de su
frontera.
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a) Sistema cerrado
No entra ni sale masa en
un sistema cerrado.
La energía en forma de
calor o trabajo puede
cruzar la frontera.
El volumen no tiene que
ser fijo.
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b) Sistema abierto
Un sistema se denomina abierto si durante el
fenómeno en estudio entra y sale masa del
mismo.
Los sistemas abiertos pueden subdividirse en:
Sistemas circulantes cuando la cantidad de masa
que penetra al sistema es igual a la que sale del
mismo durante el fenómeno en estudio.
Un sistema abierto está en régimen no
permanente cuando solo entra masa a él y no
sale, o solo sale y no entra o la cantidad que
sale no es igual a la que entra o viceversa.
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b) Sistema abierto
• La masa y la energía pueden cruzar la
frontera de un volumen de control.
• La frontera se denomina
control.
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superficie de
c) Sistema aislado
Sistema aislado, que es aquel que no
intercambia ni materia ni energía con su
entorno. Un ejemplo de este clase podría
ser un gas encerrado en un recipiente de
paredes rígidas lo suficientemente gruesas
(paredes adiabáticas) como para
considerar que los intercambios de
energía calorífica sean despreciables, ya
que por hipótesis no puede intercambiar
energía en forma de trabajo.
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2.2 Sistemas Termodinámicos de Ingeniería
3.Propiedad
• Es cualquier característica de un sistema.
•
No todas son independientes.
•
Ejemplos:
m = 12 kg
V = 3 m3
T = 298 K
P = 3 atm
 = 1 kg / m3
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Pueden ser:
Extensivas: dependen del tamaño del
sistema. Dependen de la masa. Ejemplo el
volumen.
Intensivas: son independientes del tamaño
del sistema. No dependen de la masa.
Ejemplos presión y temperatura.
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Las propiedades extensivas se pueden transformar en
intensivas:
• Específicas: si se refieren con respecto a la unidad de
masa.
Ej: Volumen específico:
V
v
m
•Molares: si se refieren con respecto a la unidad de
mol.
Ej: Volumen molar:
V
V 
n
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¿Qué es presión? Es la fuerza ejercida sobre la
unidad de superficie de un cuerpo.
3.1. Variación de la presión con la altura
El aire que respiramos es un gran océano de gas
que rodea la Tierra, y que se estima tiene una
profundidad entre 50 y algunos centenares de
kilómetros. Fuera de esta capa atmosférica se
halla el espacio exterior, llamado éter, donde
existe prácticamente un vacío perfecto.
La presión va aumentando a medida que nos
dirigimos hacia la Tierra debido al peso de la
capa de aire soportada desde arriba.
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Variación de la presión con la
altura
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La presión atmosférica
Para fines prácticos se considera al aire como una mezcla
compuesta de sólo dos gases, el vapor de agua y el aire
seco que comprende el conjunto de todos los demás
gases.
La presión atmosférica en función de la altura es:
T0    h 
p  p0 

T
0


Donde:
 g 


  R 
N
 m2 
 
p= presión atm. Local
p0= 1.01325x105[N/m2]
T0= 293ºK temp. Normal a nivel del mar
ϐ= coeficiente local de variación de la temp.
R= 287 [J/kg ºK] constante de gas del aire
h= altura sobre el nivel del mar
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Coeficiente local de variación de Temperatura.
T  T0  º K 

m
h
 
Donde: T= Temperatura promedio local [ºK]
Ejemplo.- Hallar la presión atmosférica en la
ciudad de Oruro.
Historial:
Latitud 17,96º
Longitud 67,06 º
Altitud 3706 m.s.n.m.
Temperatura promedio 15 ºC
Fuente: www.tutiempo.net/en/climate/oruro
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Cálculo del coeficiente local de variación
de temperatura
288,15  293

 1,309*103
3706
º K 
 m 
Cálculo de la presión local:
 293  (1,309 *10 )  3706 
 1,01325 *10 

293


3
pORURO
5
N
pORURO  65995,21  2 
m 
pORURO  0,65 [bar]
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


9 ,81


 ( 1, 309*10 3 )287 


N
 m 2 
4. Estado
En termodinámica se denomina estado a una
situación particular de un sistema y está
descrita por el valor de sus propiedades.
m1 = 2 kg
T1 = 20ºC
V1 = 1m3
Estado 1
m2 = 2 kg
T2 = 30ºC
V2 = 3m3
Estado 2
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5. Proceso:
es una transformación que
produce un cambio de estado del sistema.
Trayectoria
Estado inicial
Estado final
• TRAYECTORIA: serie de estados por los cuales pasa un sistema
durante un proceso.
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ISOTERMICOS:
PROCESOS
ISOBARICOS:
T = CTE
P = CTE
ISOCORICOS o ISOMETRICOS:
V = CTE
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5.1 Proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio: es un
proceso ideal, suficientemente lento, en el cual las
desviaciones a partir del equilibrio son
infinitesimales.
V2
V1
sistema
compresión lenta
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5.2 Proceso fuera del equilibrio: ocurre si el sistema
se desvía por más de una cantidad infinitesimal a partir del
equilibrio.
La mayoría de los procesos reales son fuera del
equilibrio.
V1
EXPANSION
V2
V1
COMPRESION
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V2
6. Ciclo:
Es un proceso al término del cual el
sistema regresa a su estado inicial.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
7. Equilibrio
• El sistema no experimenta cambios cuando se encuentra
aislado de los alrededores.
• Es una condición en la que no existe tendencia al cambio
en ninguna propiedad del sistema.
• Todas las propiedades termodinámicas tienen valores
uniformes en cada parte del sistema.
• La única manera de producir cambios en las propiedades
es a través de alguna interacción a través de la frontera
del sistema.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
8. Equilibrio termodinámico
• Equilibrio Mecánico, interno y con el medio ambiente,
por que a pesar de que la presión interna es algo
mayor que la externa no hay resultante en ningún
sentido ni se produce trabajo mecánico.
• Equilibrio térmico, por que no hay intercambio de calor
con el medio externo.
• Equilibrio Químico, por que no hay cambio de
composición
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9.-Ecuación de estado
Un estado de equilibrio puede definirse
mediante un cierto número de propiedades.
f ( p, T , v)  0
10.Energía
En termodinámica denominaremos energía a la capacidad de
producir cambios en los sistemas.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
AHORA
¿Puede un Ingeniero desconocer
totalmente o parcialmente la
Termodinámica?
Sí puede, no le conviene, pero puede. Será
un mal Ingeniero o un Ingeniero a
medias, con conocimientos y comprensión
incompletos de cómo funciona la
naturaleza de las cosas.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
PREGUNTA
¿Qué es la ingeniería?
• La ingeniería es una profesión creativa,
mediante la cual se aplican racionalmente
los conocimientos de las matemáticas y las
ciencias naturales, adquiridos por estudio,
la experiencia y la práctica, al desarrollo
económico de utilización de materiales y
las fuerzas de la naturaleza para beneficio
de la humanidad.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
La sencillez consiste en viajar por la vida
solo con el equipaje necesario.
Charles D. Warner
END
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
Evaluación
1- Escriba el significado de los siguientes términos:
• ¿Qué es sistema?
• ¿Qué es medio ambiente?
• ¿Qué es propiedad intensiva?
2- Normalmente no consideramos variaciones de presión
con la altura para un gas dentro de un depósito ¿Por
qué?
3- Considera una actividad tal como cocinar, calentar o
enfriar una casa, conducir un automóvil o utilizar un
ordenador, y realice un esquema de lo que se imagina.
Defina los límites del sistema para analizar algunos
aspectos de los sucesos que ocurren. Identifique entre
sistema y entorno.
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
Evaluación
Responda a las siguientes preguntas.
1.- Que institución del Gobierno boliviano se
preocupa del cuidado de la capa de ozono.
2.- A que se llama proceso de flujo estable.
3.- Cómo varía la presión de un fluido
líquido con respecto a su profundidad.
4.- Qué es propiedad específica
5.- ¿Qué es un proceso de cuasiequilibrio?
¿Cual es su importancia en Ingeniería?
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• 1.- TERMODINÁMICA
Autor:
Kenneth Wark - Doald E. Richards
6ta.
Edición Editorial Mc Graw Hill
• 2.- TERMODINÁMICA
Autor : Virgil
Moring Faires Editorial Hispano
Americano
• 3.- INGENIERÍA TERM0DINÁMICA
FUNDAMENTOS Y APLICACIÓN
•
Autor: Francis F. Huang
ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.