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TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO
TERMODINÁMICA GENERAL Y LABORATORIO
Rodrigo Balderrama
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PLANIFICACIÓNPLANIFICACIÓN
Objetivos Generales:
Al aprobar la asignatura, el alumno será capaz de:
• Comprender y aplicar los principios y conceptos básicosde la Termodinámica
• Realizar balances simples de masa y energía enmáquinas térmicas.
• Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales querigen el comportamiento térmico de la materia, en laresolución de los problemas de Ingeniería
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OBSERVACIONES GENERALESOBSERVACIONES GENERALES
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1.1.- Conceptos básicos de la termodinámica
1.1.1.- Termodinámica y energía
1.1.2.- Sistemas cerrados y abiertos
1.1.3.- Formas de energía
1.1.4.- Propiedades de un sistema
1.1.5.- Estado y equilibrio
1.1.6.- Procesos y ciclos
1.1.7.- El postulado de estado
1.1.8.- Presión
1.1.9.- Temperatura y ley cero de la termodinámica
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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¿ De donde proviene ? Griego:
Thermè � Calor
Dynamis� Fuerza o potencia
Describe los esfuerzos por convertir el Calor en potencia
1.1.- Termodinámica Y Energía
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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¿ Qué es ? Es la ciencia del calor o de la energía(capacidad de producir cambios).
Involucra conceptos de:
•Calor
•Trabajo
•Temperatura
El Calor comienza a ser objeto de estudio (S XVIII-XIX) a raíz del invento de la MAQUINA DE VAPOR
posibilidad de obtener
Trabajo a partir del Calor
Nacimiento de la Termodinámica
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Primer ppo de la Termodinámica
Equivalencia entre Calor y trabajo
Concepto de Entropía
Para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a T°más alta siempre es necesario realizar trabajo
Segundo ppo de la Termodinámica
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Principio de la Conservación de la energía
Ley Fundamental de la Naturaleza:
Durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de
energía permanece constante
La 1°LT: Expresión sencilla del ppo conservación de la energía � Energía es una Propiedad Termodinámica
La 2°LT: Establece que la energía tiene tanto Cantidad como Calidad. Procesos reales �Degradación de energía
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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•Introducción a la Primera Ley de la Termodinámica
Ladrillo que cae.
15%
Energía
cinética
3%
Calor y
Sonido
82%
Energía
Potencial
82% 8% 10%
3% 97% 0%
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Termodinámica clásica y EstadísticaClásica Estadística
Análisis macroscópico ..Microscópico
en base a efectos globales ..de cada átomoEjemplo:
En un recipiente basta conocer:
Masa mVolumen VPresión p
para determinar el ESTADO INTERIOR.
No requiere un conocimiento del comportamiento indiv. de las paticulas
Enfoque más elaborado en base al comportamiento promedio de grandes grupos de partículas individuales
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Aislación perfecta
Sistema Adiabático
Q = 0
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1.2.- Sistemas Cerrados Y Abiertos
Clasificación:
• Sist. Abierto
• Sist. Cerrado
m fija ó V fijo en el espacio
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
Frontera: Superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores. Sin e, m o V
Esta puede ser: Fija o móvil
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Sistemas Cerrado
Mechero
• Materia fija (constante)
• No hay intercambio de masa a través del límite.
• Sí hay intercambio de energía
• Límite puede variar
Ejemplo
Ampolleta
El agua en plantade fuerza
Sistemas Termodinámicos
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Sistemas TermodinámicosVolumen de control o Sistema abierto
límite
Flujo A
Flujo B
• Intercambio de masas y energías a través del límite.
Ejemplo
Turbinas (vapor o gas)
Motor de combustión.
Bomba
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Tipos de límites de los sistemas
· Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor.
· Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor.
· Rígidos, si no permiten el cambio de volumen.
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Motores y bombas térmicasSe definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios.
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APLICACIONES
•Planta de vapor o de fuerza Energía eléctrica
Caldera
Turbina
Condensador
Bomba
G Generador
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APLICACIONES
• Refrigeración
Válvula de
Expansión
Condensador
Compresor
Evaporador
W
QL
QH
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS APLICABLES A
SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SON DIFERENTES !!!!!!!
RECONOCER TIPO ANALIZAR
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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1.3.- Formas De Energía
La energía puede existir de distintas formas y su suma constituye la energía total de un sistema (Euación 1)
La Termodinámica trata con variaciones de energía
En Termodinámica es útil condiderar la energía en 2 grupos que forman la Etotal:
MACROSCOPICA: Son las que posee un sist. como un todo (dep. de ref. (veloc, altura)
MICROSCOPICA: Relacionados con estructura molecular del sistema, independiente de marcos de Ref. externos
Σ E_Micro = E_interna (U)
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Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación permanecen ctes durante un proceso se conocen como
Sistemas permanentes (SP)
La mayoría de los sistemas cerrados son permanentes
���� no presentan variación de E_cinetica ó E_potencial
El cambio en la Etotal de un SP es identico al cambio en la E_interna
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Energía interna
Asociada :
(1) Grado de Actividad Molecular: Suma de la Ec
Ec_rot + Ec_trasl +Ec_vibración = Ec_molecula
• Porción de Einterna asociada a la Ecinetica de las moleculas se llama ENERGÍA SENSIBLE
(2) Fuerzas Moleculares: Fzas que unen a las moléculas entre sí. Mayores en sólidos�liquido�gas
(cambios de Fase cuando las moléculas se van separando)
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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• La Einterna asociada a la fase de un sistema se llama ENERGÍA LATENTE
• La Einterna asociada a la fuerza que unen los átomos-moleculas se llama ENERGÍA QUÍMICA (o de
enlace)(Generalmente los procesos termododinámicos ocurren sin modificar la
composición química de un sistema)
• La Einterna asociada a los enlaces dentro del núcleo se llama
ENERGÍA NUCLEAR
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
ENERGÍA MACRO= EC+EP
ENERGÍA MICRO= ESENSIBLE+ELATENTE+EEQUÍMICA+ENUCLEAR
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Propiedades (o magnitudes de estado) y
Estado de una sustancia
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende
de las condiciones de éste
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• Propiedades Extensivas: propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema
• Propiedades Intensivas: Independientes del tamaño, masa o magnitud del sistemaLas propiedades intensivas se representan con letras minúsculas, (excepción de la temperatura y presión)
Las propiedades extensivas se convierten en intensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad).
EXTENSIVAS INTENSIVAS
V, U, H,
ESPECÍFICAS(m) MOLARESv, u, h, s v, u, h
(Mol)
T, P, ρρρρ
1.1.4.- Propiedades De Un Sistema
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Densidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustancias
SUSTANCIA DENSIDAD (kg/m3)Aire 1,28
Petróleo 800
Benceno 880
Agua 1.000
Aluminio 2.700
Hierro 7.860
Cobre 8.900
Plomo 11.340
Mercurio 13.500
Oro 19.300
Osmio 22.610
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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1.1.5.- Estado y Equilibrio
Estado es un punto donde el sistema no tiene ningún cambio
De esta forma se pueden calcular sus propiedades.
Un conjunto de propiedades describen el estado
Obs:
En un estado todas las propiedades tienen valores fijos. Si el valor de una propiedad cambia ����
existe otro estado
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Estado de Equilibrio:
un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades.
Equilibrio Termodinámico:
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. (Ej: eq. Térmico, mecánico, químico, etc)
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso
termodinámico.
1.1.6.- Procesos y Ciclos
¿ Cómo definir un PROCESO, si la TERMODINÁMICA sólo conoce estados en
EQUILIBRIO (no hay cambios)?
Se recurre a una simplificación en que se define los procesos en CUASIEQUILIBRIO con desviaciones infinitesimales sucesivas
del equilibrio termodinámico.
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El cuasiequlibrio es un caso idealizado
y NO la representación de un caso real
�Buena aproximación (error min)
�Más fáciles de analizar
�Constituyen ‘modelos’ para comparar procesos reales
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
• Procesos Cíclico: Un sistema se somete a un CICLO si al terminar el proceso regresa a su estado inicial (eini=efin)
• Procesos Cuasiestáticos: Sucesivos estados de equilibrio
• Proceso Reversible: S/efectos disipativos (S/roce, S/TdeC, S/degrad. Energía)
• Proceso Irreversible: Proceso Real
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Trayectoria : es la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso
Descripción Completa de un proceso ⇒ especificar:
• Estado inicial
• Estado Final
• Trayectoria
• Interacción con su alrededor
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Diagramas de procesos más comunes: P-V, T-V
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Prefijo ISO: denota cuando una propiedad permanece fija o cte durante un proceso
Politrópicaspolitrópicas constituyen una gran familia de evoluciones que permiten estudiar gran cantidad de fenómenos reales
• isóbaras (presión constante). Del tipo P= Cte.
•isócoras (volumen constante). Del tipo V = Cte.
•isotermas (temperatura constante). Del tipo P·V = Cte.
•adiabáticas sin roce (DQ = 0, que después llamaremos isentrópicas) Del tipo p·Vg = Cte.
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Las politrópicas tienen la forma genérica del tipo:
PVn = Cte.
En que n es el coeficiente politrópico. El valor de n puede variar de 0 a infinito.
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
1.1.7.- El postulado de estado
El estado de un sistema se describe por sus propiedades pero no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado
Al especificar un n°suficiente de prop.
Resto de propiedades asume automáticamente ciertos valores
Postulado de estado:
“El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos prop.
INTENSIVAS independientes”
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Ejemplo:
Existen propiedades que son independientes para sistemas de una sola fase, pero son dependientes en sistemas multifase:
T=f(P) en cambio de fase del agua
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1.1.8.- Presión
La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área
Presión ���� GASES y LIQUIDOS (P. Hidrostática)
���� Sólidos (Esfuerzo)
Recordar...
• Presión en un fluido aumenta con la profundidad (mayor peso)
• Si existe gravedad la presión varía en sentido vertical
•Unidades: 1Pa=1N/m2 1bar=105Pa= 0.1MPa=100kPa
(SI) 1atm=101325Pa=101.325kPa=1.01325bar
(Sist. Inglés) lb/pulg2 =psi 1atm=14.696 psi
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En relaciones y tablas termodinámicas la mayoría de las veces se emplea la presión absoluta
En gral ���� P=Pabs
Si se le agrega ‘a’ � absoluta Psia
‘g’ � manométrica Psig
Definir la densidad relativa....
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MANOMETRO
Para pequeñas diferencias de presiónse emplea un manómetro que consisteen un tubo en forma de U con unextremo conectado al recipiente quecontiene el fluido y el otro extremoabierto a la atmósfera.
El tubo contiene un líquido, comoagua, aceite o mercurio, y la diferenciaentre los niveles del líquido en ambasramas indica la diferencia entre lapresión del recipiente y la presiónatmosférica local.
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•Presión absoluta: Presión real de un sistema
•Presión manométrica: Presión medida abierta a la atmósfera
•Presión de vacío: Presiones bajo la Presión atmosférica
Pabs=Pmanométrica+ Patm Pvacío =Patm - Pabs
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Ejemplo:
1) Se usa un manómetro para medir la presión en un tanque el fluido utilizado tiene una densidad relativa de 0.85 y la altura de la columna del manómetro es de
55cm.
Si la presión atmosférica local es de 96kPa, determine la presión absoluta dentro del tanque
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Ejemplo:
2) Un gas es contenido en 2 cilindros A y B conectados por un pistón de 2
diámetros diferentes como muestra la figura. La masa del pistón es de 10kg y la presión del gas dentro del cilindro A
es 200kPa. Calcular la presión en el cilindro B.
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
DB=25mm
DA=100mm
Aire
Po=100kPa
Pistón
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Ejemplo:
2) Un gas es contenido en 2 cilindros A y B conectados por un pistón de 2
diámetros diferentes como muestra la figura. La masa del pistón es de 10kg y la presión del gas dentro del cilindro A
es 200kPa. Calcular la presión en el cilindro B.
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
DB=25mm
DA=100mm
Aire
Po=100kPa
Pistón
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Barómetro de mercurioBarómetro de mercurioBarómetro de mercurioBarómetro de mercurioUn barómetro de mercurio es un sistema preciso y relativamente sencillo para medir los cambios de la presión atmosférica.
Al nivel del mar, y en condiciones atmosféricas normales, el peso de la atmósfera hace subir al mercurio 760 mm por un tubo de vidrio calibrado.
A mayor altitud, el mercurio sube menos porque la columna de aire situada sobre el barómetro es menor.
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1.1.8.- Presión
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Variación de la altura con la Presión
A nivel del mar, la presión tiene un valor promedio de aproximadamente 1.012 mb, por lo que se consideran presiones altas y bajas las respectivamente superiores e inferiores a este valor.
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
1.1.8.- Presión
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1.1.9.- Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica
Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos
diferentes:
la Temperatura es una propiedad de un cuerpo y el Calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a
diferentes temperaturas.
Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico y determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad es el Kelvin (K)
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CALOR ESPECIFICO ( c ) :
El calor específico de una sustancia, es el calor necesario
( medido en calorías )
para subir en 1 [ ºC ] la temperatura de 1 [ g ] de esa sustancia.
Se mide en [ cal / g ºC ].
La cantidad de calor que una sustancia absorbe o cede, está dada por:
Q = m c ∆∆∆∆ t
Donde: Q [ cal ] es el calor absorbido o cedido por la sustancia
m [ g ] es la masa de la sustancia
c [ cal / g ºC ] es el calor específico de la sustancia
∆∆∆∆ t [ ºC ] es la variación de temperatura de la sustancia
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Definición de Calor:
El concepto de calor está muy ligado al concepto de temperatura, sinembargo no es lo mismo. El calor también es una cantidad que tieneque ver con la masa del sistema como también con sus propiedadesfísicas.
Dos sustancias diferentes no contienen la misma energía caloríficaaunque sus T° sean iguales.
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
1.1.9.- Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica
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Ley cero de la Termodinámica
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma Temperatura, incluso si no se
encuentran en contacto
∆∆∆∆ t [ ºC ] = ∆∆∆∆ t [ K ]
∆∆∆∆ t [ ºF ] = ∆∆∆∆ t [ R]1K 1°C 1.8R 1.8°F
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Las escalas de temperatura se basan en los puntos de congelamiento y ebullición del agua.
SI: Escala Celcius (°C)
Sistema Inglés: Escala Fahrenheit (°F)
Existe también la escala de T° termodinámica. Esta escala en :
(indep. De prop de 1 o varias sustancias)
SI: Escala Kelvin (K)
Sistema Inglés: Escala Rankine (R)
Relación Kelvin- Celsius:
Relación Rankine- Fahrenheit:
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Comparación de escalas de temperatura
ºK ºC ºR ºF
0,00 -273,15 0,00 -459,67
273,16
273,15
32,02
32,00
491,69
491,670,00
0,01
373,15 100,00 671,67 212,00
Ceroabsoluto
Punto deebullicióndel agua
.Punto tripledel agua,punto decongelación
.
Punto de ebullición a presión atmosférica
Punto de congelamiento
Cero absoluto
ºFºC ºRºK
212672373
0
100
32273 492
0 -273 0 -460Wark
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica