Termodinámica

Conceptos Básicos de termodinámica

• La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía.

• La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios.

• El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) ydynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primerosesfuerzos por convertir el calor en energía.

• Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía.

• La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principiode conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedadtermodinámica.

• La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así comocantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de laenergía.

• Por ejemplo, una taza de café caliente sobre una mesa en algún momento seenfría, pero una taza de café frío en el mismo espacio nunca se calienta por símisma.

• Se sabe que una sustancia está constituida por un gran número de partículasllamadas moléculas, y que las propiedades de dicha sustancia dependen, porsupuesto, del comportamiento de estas partículas. Por ejemplo, la presión de ungas en un recipiente es el resultado de la transferencia de cantidad demovimiento entre las moléculas y las paredes del recipiente.

• Este enfoque macroscópico al estudio de la termodinámica que no requiereconocer el comportamiento de cada una de las partículas se llamatermodinámica clásica, y proporciona un modo directo y fácil para la solución deproblemas de ingeniería.

• Un enfoque más elaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos grande de partículas individuales, es el de la termodinámica estadística.

Áreas de aplicación de la termodinámica.

• En el área textil y de confort. (Desarrollando Ropa adecuada al lugar donde se vive).

• En el hogar, con el control de temperatura, diseño de aplicaciones como laestufa eléctrica o de gas, los sistemas de calefacción y aire acondicionado,el refrigerador, el humidificador, la olla de presión, el calentador de agua, laregadera, la plancha e incluso la computadora y el televisor.

• En una escala mayor, la termodinámica desempeña una parte importanteen el diseño y análisis de motores automotrices, cohetes, motores deavión, plantas de energía convencionales o nucleares, colectores solares, yen el diseño de todo tipo de vehículos desde automóviles hastaaeroplanos.

• Los hogares que usan eficazmente laenergía se diseñan con base en lareducción de pérdida de calor eninvierno y ganancia de calor enverano.

• El tamaño, la ubicación y entrada depotencia del ventilador de sucomputadora también se seleccionatras un estudio en el que interviene latermodinámica.

Importancia de las dimensiones y unidades.

• Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones.

• Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades.

• Algunas dimensiones básicas, como masa m, longitud L, tiempo t ytemperatura T se seleccionan como dimensiones primarias ofundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energía E yvolumen V se expresan en términos de las dimensiones primarias y sellaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.

• El sistema inglés, que se conoce comoUnited States Customary System

(USCS) y el SI métrico (de Le Système

International d’ Unités), tambiénllamado sistema internacional.

Algunas unidades SI e inglesas

• El término peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresar masa. Adiferencia de la masa, el peso W es una fuerza: la fuerza gravitacional aplicada aun cuerpo, y su magnitud se determina a partir de la segunda ley de Newton,donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleración gravitacional local (g es 9.807m/s2 o 32.174 pie/s2 al nivel del mar y latitud 45°).

• El peso del volumen unitario de una sustancia se llama peso específico ϒ y se determina a partir de ϒ =ρg, donde ρ es la densidad.

• La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicación en el universo; sin embargo, su peso se modifica con un cambio en la aceleración gravitacional.

• El trabajo, que es una forma de energía, se puede definir simplemente como lafuerza multiplicada por la distancia; por lo tanto, tiene la unidad “newton-metro(N · m)”, llamado joule (J). Es decir:

• La unidad para la razón de tiempo de energía es el joule por segundo (J/s) que se conoce como watt (W). En el caso de trabajo la razón de tiempo de energía se llama potencia.

• Una unidad de potencia comúnmente usada es el caballo de fuerza (hp), que es equivalente a 746 W.

SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS

• Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio

elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce comoalrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de susalrededores se llama frontera. La frontera de un sistema puede ser fija o móvil.

Note que la frontera es la superficie de contacto que comparten sistema yalrededores. En términos matemáticos, la frontera tiene espesor cero y, por lotanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio.

Un sistema cerrado

• Los sistemas se pueden considerar cerrados oabiertos, dependiendo de si se elige paraestudio una masa fija o un volumen fijo en elespacio. Un sistema cerrado (conocidotambién como una masa de control) constade una cantidad fija de masa y ninguna otrapuede cruzar su frontera.

• Es decir, ninguna masa puede entrar o salir deun sistema cerrado, como se ilustra en lafigura.

• Pero la energía, en forma de calor o trabajopuede cruzar la frontera; y el volumen de unsistema cerrado no tiene que ser fijo. Si, comocaso especial, incluso se impide que laenergía cruce la frontera, entonces se trata deun sistema aislado.

• Considérese el dispositivo de cilindro-émbolo mostrado en la figura.

• Suponga que se desea saber qué pasa con el gas encerrado cuando se calienta.

• Puesto que el interés se centra en el gas, éste es el sistema.

• Las superficies internas del émbolo y el cilindro forman la frontera, y como ninguna masa la cruza, se trata de un sistema cerrado.

Un sistema abierto

• Un sistema abierto, o un volumen decontrol, como suele llamarse, es unaregión elegida apropiadamente en elespacio.

• Generalmente encierra un dispositivoque tiene que ver con flujo másico,como un compresor, turbina o tobera.

• El flujo por estos dispositivos seestudia mejor si se selecciona laregión dentro del dispositivo como elvolumen de control.

• Tanto la masa como la energía puedencruzar la frontera de un volumen decontrol.

• Un calentador de agua, un radiador deautomóvil, una turbina y uncompresor se relacionan con el flujode masa y se deben analizar comovolúmenes de control (sistemasabiertos) en lugar de como masas decontrol (sistemas cerrados).

• En general, cualquier región arbitrariaen el espacio se puede seleccionarcomo volumen de control; no hayreglas concretas para esta selección,pero una que sea apropiada hace másfácil el análisis.

• Por ejemplo, si se necesitara analizarel flujo de aire por una tobera, unabuena elección para el volumen decontrol sería la región dentro de latobera.

Una frontera

• Las fronteras de un volumen de control seconocen como superficie de control, y puedenser reales o imaginarias. En el caso de unatobera, la superficie interna de éstaconstituye la parte real de la frontera,mientras que las áreas de entrada y salidaforman la parte imaginaria, puesto que allí nohay superficies físicas.

Propiedades de un sistema

• Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Algunas propiedadesmuy familiares son presión P, temperatura T, volumen V y masa m.

• La lista se puede ampliar para incluir propiedades menos familiares comoviscosidad, conductividad térmica, módulo de elasticidad, coeficiente deexpansión térmica, resistividad eléctrica e incluso velocidad y elevación.

• Se considera que las propiedades son intensivas o extensivas.

Propiedades Intensivas

• Las propiedades intensivas son aquellasindependientes de la masa de un sistema,como temperatura, presión y densidad.

Propiedades Extensivas

• Las propiedades extensivas son aquellascuyos valores dependen del tamaño oextensión del sistema. La masa total, volumentotal y cantidad de movimiento total sonalgunos ejemplos de propiedades extensivas.

• Las propiedades intensivas son aquellasindependientes de la masa de un sistema, comotemperatura, presión y densidad.

• Las propiedades extensivas son aquellas cuyosvalores dependen del tamaño o extensión delsistema. La masa total, volumen total y cantidadde movimiento total son algunos ejemplos depropiedades extensivas.

• Una forma fácil de determinar si una propiedades intensiva o extensiva es dividir el sistema endos partes iguales mediante una particiónimaginaria, como se ilustra en la figura 1-24;cada parte tendrá el mismo valor depropiedades intensivas que el sistema original,pero la mitad del valor de las propiedadesextensivas.

Comúnmente, las letras mayúsculas se usan para denotar propiedades extensivas (con la importante

excepción de la masa m) y las minúsculas para las intensivas (con las excepciones obvias de la presión P y la temperatura T). Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedadesespecíficas. Algunos ejemplos de éstas son el volumen específico (v =V/m) y la energía total específica (e =E/m).

Densidad y densidad relativa.

• La densidad se define como la masa por unidad de volumen:

• El recíproco de la densidad es el volumen específico v, que se define como el volumen por unidad de masa. Es decir:

• En general, la densidad de una sustancia depende de la temperatura y la presión. La densidad de la mayor parte de los gases es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura.

• Por otro lado, los líquidos y sólidos son en esencia son sustancias no compresibles y la variación de su densidad con la presión es por lo regular insignificante.

• Algunas veces la densidad de una sustancia se da como relativa a la densidad deuna sustancia bien conocida. Entonces, se llama gravedad específica, o densidadrelativa, y se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la

densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura especificada

(normalmente agua a 4 °C, para la que rH2O 1 000 kg/m3). Es decir:

• La densidad relativa de una sustancia es una cantidad adimensional.

• Sin embargo, en unidades SI, el valor numérico de la densidad relativa de unasustancia es exactamente igual a su densidad en g/cm3 o kg/L (o bien, 0.001veces la densidad en kg/m3) puesto que la densidad del agua a 4 °C es 1 g/cm3 1kg/L 1 000 kg/m3.

• El peso de un volumen unitario de una sustancia se llama peso específico ydonde g es la aceleración gravitacional, se expresa como:

Estado y equilibrio

• Hay que considerar un sistema que no experimenta ningún cambio: en estascircunstancias, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, locual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición, o el

estado, del sistema.

• En un estado específico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, y si se cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente.

• La termodinámica trata con estados de equilibrio. La palabra equilibrio define un estado de balance. En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (o fuerzas impulsoras) dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores.

• Por ejemplo, un sistema está en equilibriotérmico si tiene la misma temperatura entodo él, como se muestra en la figura. Esdecir, el sistema no implica diferencias detemperatura, que es la fuerza impulsora parael flujo de calor.

• El equilibrio mecánico se relaciona con lapresión, y un sistema lo posee si con eltiempo no hay cambio de presión en algunode sus puntos. Sin embargo, en el interior delsistema la presión puede variar con laelevación como resultado de efectosgravitacionales.

• Si en un sistema hay dos fases, se encuentraen la fase de equilibrio cuando la masa decada fase alcanza un nivel de equilibrio ypermanece allí.

• Un sistema está en equilibrio químico si sucomposición química no cambia con eltiempo, es decir, si no ocurren reaccionesquímicas.

Postulado de estado

• El estado de un sistema se describe mediante sus propiedades, pero se sabe porexperiencia que no es necesario especificarlas todas con la finalidad de fijarlo.

• El número de propiedades requeridas para fijar el estado de un sistema se determina mediante el postulado de estado:

• Se trata de un sistema compresible simple cuando carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y tensión superficial.

• El postulado de estado requiere que las dos propiedades especificadas seanindependientes para fijar el estado; y son independientes si una de ellaspuedevariar mientras la otra se mantiene constante.

• Por ejemplo, la temperatura y elvolumen específico son siemprepropiedades independientes, y juntasfijan el estado de un sistemacompresible simple.

Procesos y ciclos

• Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por unsistema es un proceso, y la serie de estados por los que pasa un sistema duranteeste proceso es una trayectoria del proceso.

• Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistemapermanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, estamos ante unproceso cuasiestático, o de cuasiequilibrio. Un proceso de este tipo puedeconsiderarse lo suficientemente lento como para permitirle al sistema ajustarseinternamente de modo que las propiedades de una de sus partes no cambienmás rápido que las de otras.

• Los diagramas de proceso trazados mediante elempleo de propiedades termodinámicas en formade coordenadas son muy útiles para tener unarepresentación visual del proceso. Algunaspropiedades comunes usadas como coordenadasson temperatura T, presión P y volumen V (ovolumen específico v). En la figura se muestra eldiagrama P-V de un proceso de compresión de ungas.

• El prefijo iso- se usa con frecuencia para designarun proceso en el que una propiedad particularpermanece constante. Por ejemplo, un procesoisotérmico es aquel durante el cual la temperaturaT permanece constante; un proceso isobárico esen el que la presión P se mantiene constante, y unproceso isocórico (o isométrico) es aquel donde elvolumen específico v permanece constante.

• Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su estado inicial al final del proceso, es decir, para un ciclo los estados inicial y final son idénticos.

Temperatura y ley cero de la termodinámica

• Con base en nuestras sensaciones fisiológicas, se expresa el nivel de temperatura de modocualitativo con palabras como frío helador, frío, tibio, caliente y al rojo vivo; sin embargo, no esposible asignar valores numéricos a temperaturas basándose únicamente en las sensaciones.

• Por fortuna, varias propiedades de los materiales cambian con la temperatura de una manerarepetible y predecible, y esto establece una base para la medición precisa de la temperatura.

• Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que está a una temperatura diferente, el calor se transfiere del que está caliente al frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

• En ese punto se detiene la transferencia de calor y se dice que los dos cuerpos han alcanzado elequilibrio térmico. Para el cual el único requerimiento es la igualdad de temperatura.

• La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

• Si el tercer cuerpo se sustituye por un termómetro, la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.

• R. H. Fowler fue el primero que formuló y nombró la ley cero en 1931. Como indica el nombre, suvalor como principio físico fundamental se reconoció más de medio siglo después de laformulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica y se llamó ley cero puesto quedebía preceder a éstas.

Escalas de temperatura• Estas escalas permiten usar una base común para las mediciones de temperatura.

• Las escalas de temperatura usadas actualmente en el SI y en el sistema inglés son la escalaCelsius (antes llamada escala centígrada; en 1948 se le cambió el nombre en honor de quien ladiseñó, el astrónomo sueco A. Celsius, 1702-1744) y la escala Fahrenheit (en honor al fabricantede instrumentos alemán G. Fahrenheit, 1686-1736), respectivamente.

• En termodinámica es muy conveniente tener una escala de temperatura independiente de laspropiedades de cualquier sustancia o sustancias. Tal escala es la escala de temperaturatermodinámica, desarrollada posteriormente junto con la segunda ley de la termodinámica

• La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin, llamada así en honor a lordKelvin (1824-1907), cuya unidad de temperatura es el kelvin, designado por K (no °K; el símbolode grado se eliminó de forma oficial del kelvin en 1967).

• La escala de temperatura termodinámica en el sistema inglés es la escalaRankine, nombrada en honor a William Rankine (1820-1872), cuya unidad detemperatura es el rankine, el cual se designa mediante R.

• Elevar la temperatura de una sustancia en 10 °C es lo mismo que elevarla en 10 K.Es decir:

Presión

• La presión se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de

área.

• Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que lacontraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal. Puesto que lapresión se define como la fuerza por unidad de área, tiene como unidad losnewton por metro cuadrado (N/m2), también conocida como pascal (Pa).

• Otras tres unidades de presión de uso extendido, principalmente en Europa, sonbar, atmósfera estándar y kilogramo fuerza por centímetro cuadrado:

• En el sistema inglés, la unidad de presión es la libra fuerza por pulgada cuadrada

(lbf/pulg2, o psi), y 1 atm 14.696 psi.

• La presión real en una determinada posición se llama presiónabsoluta, y se mide respecto al vacío absoluto (es decir, presión ceroabsoluta).

• Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presiónse calibran a cero en la atmósfera, por lo que indican la diferenciaentre la presión absoluta y la atmosférica local; esta diferencia es lapresión manométrica.

• Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen comopresiones de vacío y se miden mediante medidores de vacío queindican la diferencia entre las presiones atmosférica y absoluta.

• Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas positivas y se relacionan entre sí mediante:

Tarea 1

• Preguntas 1.22C, 1.23C

• Problemas 1.8, 1.10, 1.40E, 1.41E. 1.48E