Termodinámica I Generalidades del Curso.

Generalidades del curso o Catedrático: Ing. Leonel E. Hernández Chávez.

(lhernandez@uca.edu.sv) o Ayudante de Cátedra: Juan Antonio Rodríguez

Campos (jarc_20032003@hotmail.com) o Sección 01: Lunes y Miércoles, 3.30 p.m. o Material de clase y tablas de propiedades se

podrán descargar del sistema Moodle, al cual se puede acceder desde la página web del Departamento de Ciencias Energéticas y Fluídicas.

Plan de Evaluación o 3 exámenes parciales (20%, 20% y 25%) o Prácticas de Laboratorio, 15%. o Exámenes cortos, 5%. o Proyecto de Clase, 15%.

Termodinámica I Termodinámica y energía

A modo de prueba de entrada. 1. ¿Qué es la energía? 2. ¿Quién tiene más energía: 5 kg de agua o 25

kg de agua ambos a 25°C? 3. ¿Cuántas son las leyes de la termodinámica? 4. ¿Qué es entropía? 5. De un ejemplo de aplicación de la

termodinámica.

¿Qué es la energía? o Vivimos en un universo

lleno de movimiento, luz, sonidos, y materia… manifestadas en formas muy variadas, y sobre todo, observamos que esas manifestaciones tampoco son estáticas sino cambiantes… eso que las hace cambiar es la energía.

¿Cómo definimos entonces a la energía? o La etimología de la palabra significa “fuerza

trabajando”. Es una propiedad escalar de la materia, está contenida en ella, puede transformarse y transferirse, y depende del estado físico del sistema.

o El valor numérico de la energía depende del estado de referencia, y una vez se fija éste, se conserva.

o Puede entonces definirse para nuestros propósitos como la capacidad de realizar cambios, ya sea en las propiedades de los cuerpos o en su entorno.

¿Qué es la termodinámica? o La palabra termodinámica viene de las raíces griegas

therme (calor) y dynamis (potencia, movimiento), lo cual está más acorde a los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia.

o Actualmente se le interpreta como la ciencia de la energía y sus transformaciones, y cuyas aplicaciones van desde la generación de energía eléctrica, la refrigeración y las relaciones entre la energía y la materia.

o Es una ciencia universal, pues se aplica tanto a los sistemas inanimados como a los seres vivos.

¿Qué enfoque usaremos? o Ya que la mayor parte de los conceptos utilizados en

termodinámica aparecieron en uso antes que se supiera de la existencia de los átomos y las moléculas, la termodinámica clásica utiliza un enfoque macroscópico. Y por tanto, usaremos propiedades macroscópicas de los sistemas para poder racionalizar los conceptos de esta ciencia.

o Ahora que se conoce la existencia de los átomos y las moléculas, también se puede usar un enfoque microscópico para definir las mismas propiedades que con el enfoque macroscópico; quizá no mejore los conceptos, pero sí proporciona una mayor intuición de los aspectos cubiertos por la termodinámica.

¿A qué se aplica la termodinámica?

o La termodinámica se aplica en toda situación relacionada con el diseño de dispositivos o conjuntos de dispositivos que convierten la energía de una forma en otra, transformaciones que nos proporcionan algo para hacer más fácil o más cómoda nuestra existencia. También, las transformaciones que nos mantienen vivos.

o Algunos de los dispositivos diseñados y construidos para convertir energía se enumeran a continuación:

o Motores de autos, Turbinas, Compresores, bombas, Generadoras de electricidad fósiles o nucleares, Sistemas de propulsión de aviones y cohetes, Sistemas de combustión, Sistemas criogénicos, Sistemas de calentamiento, ventilación y aire acondicionado, ya sea por compresión de vapor o por absorción, Celdas de combustible, dispositivos termoeléctricos o termoiónicos, convertidores magnetohidrodinámicos, Generación de electricidad, calentamiento y refrigeración solares, Sistemas geotérmicos, Generación de electricidad mareomotriz, térmico o de olas, Generación eólica, Sistemas de soporte de vida, Órganos artificiales, etc.

Formas de la energía

Fuentes de energía primaria

Fuentes de energía secundaria o Son las que resultan de uno o más procesos de transformación de las

fuentes primarias.

Definiciones básicas en termodinámica.

Sistema o Un sistema es una porción de materia o un volumen en

el espacio escogido para ser estudiado. En palabras más simples, sería lo que queremos estudiar. Puede ser algo tan simple como un cuerpo libre o tan complejo como una planta química.

o La selección del sistema es el primer paso en cualquier análisis termodinámico, pues se define la masa, el volumen, las propiedades a evaluar, y de acuerdo a eso se delimita el alcance del análisis.

o La selección del sistema también define las fronteras a través de las cuales suele ocurrir la transferencia de energía y masa.

Sistema

Fronteras

Ejemplo de un sistema con paredes adiabáticas. o Un caso práctico de un sistema aislado

lo constituye el termo casero. o Su nombre técnico es vaso Dewar, en

honor al físico James Dewar quien lo inventó.

o Su finalidad es minimizar la transferencia de calor por conducción, convección y radiación.

o Está constituido de un recipiente de vidrio de dobla pared, y con sus superficies interiores plateadas; el espacio entre paredes ha sido evacuado casi completamente.

o Para uso industrial se fabrican en acero inoxidable.

¿Cómo definir las fronteras? o En termodinámica la frontera de un sistema se escoge por

conveniencia de acuerdo a: o 1- lo que se sabe de un posible sistema, particularmente en

sus fronteras; y o 2- el objetivo del análisis

Sistema cerrado o Cuando no hay flujo de material

a través de las fronteras del sistema, se habla de un sistema cerrado.

o Muchos análisis en termodinámica se pueden realizar usando este modelo.

o Un caso especial es cuando no hay ningún tipo de interacción con los alrededores. Se habla entonces de un sistema aislado.

o Así, un sistema aislado no intercambia ni energía ni masa con el entorno.

Volumen de control o En muchas situaciones de

ingeniería, a veces es más conveniente estudiar el material contenido en una región del espacio, y que está fluyendo por ella. En este caso se habla de un volumen de control.

o El volumen de control amplía la definición de sistema, incluyendo los casos donde la masa fluye continuamente, transportando su energía y cambiando su estado a medida que fluye por la región seleccionada.

o De nuevo, a medida que el material fluye por el volumen de control, a través de sus fronteras, que pueden ser fijas o móviles, se pueden estar dando las transferencias de energía.

o Muchos dispositivos de flujo estable en ingeniería se estudian mejor utilizando el enfoque del volumen de control.

o Entre estos se pueden enumerar calentadores, bombas, compresores, turbinas, válvulas, sistemas de tuberías, etc.

Volumen de control

Propiedad, estado y proceso. o Para describir a un sistema y predecir su

comportamiento, se requiere el conocimiento de sus propiedades y de cómo están éstas relacionadas.

o Una propiedad es una característica macroscópica de un sistema tal como su masa, volumen, energía, presión y temperatura a la cual se le puede asignar un valor numérico en un momento dado sin conocimiento del comportamiento previo (su historia) del sistema.

o Los valores numéricos de las propiedades se expresan en un sistema de unidades especificado. En el curso usaremos dos sistemas de unidades, el SI y el Sistema Británico de Ingeniería.

Propiedades o Las propiedades de un sistema pueden ser extensivas e

intensivas. o Las propiedades extensivas varían en valor numérico

de acuerdo al tamaño del sistema, que puede estar dado por su volumen o su masa. Entre algunas de ellas están la masa misma, el volumen, la energía, la entropía, el número de moles, etc.

o Las propiedades intensivas no dependen en su valor numérico de la masa o el volumen del sistemas, sino de otras variables intensivas. Entre ellas podemos enumerar a la densidad, el volumen específico y molar, la energía específica y molar, la temperatura, la presión, etc.

Estado y equilibrio o La palabra estado se refiere a la condición de un sistema

tal como queda descrita por sus propiedades. o Ya que normalmente hay relaciones entre las propiedades

de un sistema, a menudo el estado se especifica a partir de un sub-juego de valores de sus propiedades; así, todas las propiedades se pueden determinar a partir de los valores de unas cuantas.

o La termodinámica, tal como la estudiaremos, trata con estados de equilibrio, lo que implica un estado de balance.

o Cuando un sistema está en equilibrio no existen potenciales desbalanceados dentro del sistema.

o Un sistema en equilibrio no experimenta cambios cuando se le aísla de los alrededores.

Tipos de equilibrios de interés o Equilibrio térmico (la T es la misma entre el

sistema y el entorno) o Equilibrio mecánico (la P no cambia en el

tiempo, aunque pueden haber variaciones espaciales, principalmente respecto a la altura)

o Equilibrio material. n Si hay más de una fase, la masa de ellas no varía. n Si es un sistema con reacción química, la

composición de la mezcla final no cambia.

Postulado sobre el estado de un sistema o Como se dijo antes, el estado de un sistema

está definido por sus propiedades. o El número de propiedades necesarias para

definir el estado de un sistema está dado por el así llamado “postulado de estado”: El estado de un sistema compresible sencillo está completamente especificado por dos propiedades intensivas independientes.

Procesos y ciclos o Cualquier cambio que un

sistema experimenta desde un estado de equilibrio a otro se conoce como proceso.

o La serie de estados por los que pasa el sistema durante el proceso se conoce como trayectoria.

o Un proceso o serie de procesos cuyo estado inicial y final son idénticos se conoce como un ciclo.

Proceso cuasi-estático o Cuando un proceso ocurre en tal

forma que el sistema permanece siempre infinitesimalmente cercano al equilibrio, se dice que es un proceso cuasi-estático o de cuasi-equilibrio.

o El proceso cuasi-estático es una idealización, no representa a un proceso que se de en la realidad. Solamente es una manera de simular un proceso de tal forma que siempre podamos conocer de manera certera el valor de las propiedades del sistema a medida que progresa desde un estado inicial a uno final.

Diagramas de procesos o Para visualizar los procesos

se suelen usar diagramas de propiedades.

o Las propiedades que se utilizan son generalmente la presión, la temperatura y el volumen.

o Un proceso que no es de cuasi-equilibrio no se puede representar en este tipo de diagramas, pues no sabemos cómo están relacionadas las propiedades representadas por los ejes del diagrama.

Proceso de flujo estable o Esta es una forma de

modelar los procesos donde hay flujo de material.

o En un proceso de flujo estable, las propiedades en cualquier sitio del sistema permanecen constantes en el tiempo, aunque no necesariamente sean las mismas en todas partes del sistema.

Leyes o principios de la Termodinámica o Ley ceroà Tà “Ley del sentido común” o Primera ley àUà Ley de “Ud. podría

empatar” o Segunda Ley àS à Ley de “Ud. sólo puede

empatar a 0 K” o Tercera Ley à valor absoluto de S à Ley de

“Ud. no puede llegar a 0 K”

La ley cero de la termodinámica o La llamada Ley Cero de la Termodinámica,

establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, éstos estarán en equilibrio térmico entre ellos.

o Esta ley no se puede inferir de las otras tres leyes, y sirve como base de los termómetros.

o Esta ley fue formulada por R.H. Fowler en 1931.

Temperatura o Todos estamos familiarizados con las

sensaciones de frío y caliente, pero esta clasificación cualitativa no nos ayuda a asignarle valores numéricos a esta propiedad.

o La temperatura es una medida de la energía cinética de la moléculas de un sistema.

o Para la medición de la temperatura necesitamos de alguna propiedad del sistema que cambie de manera repetible y predecible con la temperatura. Afortunadamente existen varias propiedades que cambian así con la temperatura.

Temperatura o También sabemos que cuando se

deja una taza de café caliente sobre una mesa, esta tiende a enfriarse con el tiempo.

o En otras palabras, sabemos que cuando ponemos en contacto dos cuerpos, uno de los cuales está más caliente que el otro, después de un determinado tiempo ambos estarán a la misma temperatura. Esto se conoce como equilibrio térmico.

Los termómetros y las escalas termométricas. o La ley cero, la que define el equilibrio térmico, nos

permite la construcción de termómetros. o Para construir un termómetro requerimos en primer

lugar de una sustancia. o Y en segundo, alguna propiedad de esa sustancia que

cambie con la temperatura: su volumen, su color, su conductividad eléctrica, la presión que ejerce.

o Además, estas propiedades deben variar de manera consistente con la temperatura, sin importar la ubicación de la sustancia, es decir, debe ser reproducible.

…¿qué más? o Necesitamos también puntos de referencia;

estados de la sustancia a los que podemos asociarle un valor de temperatura.

o Además de los puntos de referencia, requerimos de una función que nos diga cómo cambia la temperatura de un estado de referencia al otro, es decir, algún método de interpolar el valor: lineal, logarítmica, exponencial, etc.

Escalas de temperatura. o Las escalas termométricas nos permiten usar

una base común para la medición de la temperatura.

o Se han introducido varias a lo largo de la historia. n La escala Celsius n La escala Fahrenheit n La escala Kelvin

La escala Rømer (

Rø) o Creada por el danés Ole Christensen

Rømer en 1701. o En esta escala el punto de

congelación del agua era igual 7.5 Rø y 22.5 Rø era la temperatura de la “tibieza de la sangre”.

o El cero de la escala era la temperatura de congelación de la salmuera, y el punto de ebullición del agua era de 60

o Escogió ese valor para la congelación del agua porque suponía que en Dinamarca la temperatura no bajaría mucho debajo de ese valor.

o En esta escala, cada grado Rømer equivale a 40/21 kelvin

La escala Réaumur o Creada en 1731 por el

francés René Antoine Ferchault de Réaumur, y que tomaba como referencia el punto de congelación (0° Ré) y el de ebullición del agua, pero dividía la escala en 80 partes.

o La escala fue ampliamente usada en Europa, particularmente en Francia, Alemania y Rusia.

Escala Fahrenheit o Propuesta por Gabriel Fahrenheit, un

fabricante de instrumentos alemán, en 1724.

o Fahrenheit tomó prestados los puntos de referencia de otra escala anterior, la escala Rømer, y los multiplicó por un factor de 4.

o Utiliza como puntos de referencia el punto de fusión de una mezcla de hielo y una solución salina y la temperatura corporal, asignándoles valores de 0 y 96 en su escala. El punto de fusión del agua pura quedó con un valor de 32, y el de ebullición del agua uno de 212.

La escala Celsius o Fue creada por Anders Celsius,

un físico y astrónomo sueco. o Propuso, en 1742, el utilizar el

punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como estados de referencia para una escala de temperaturas.

o Asignó un valor de 0 al punto de fusión del hielo, y 100 para el punto de ebullición del agua, creando así, la escala centígrada.

o En 1948, la escala fue renombrada en honor a él, y desde entonces se conoce como escala Celsius.

Escala absoluta. o La escala

termodinámica de temperatura no depende de la sustancia termométrica usada.

o Se le nombró en honor de William Thomson, Lord Kelvin.

Escala termodinámica de temperatura. o La unidad de temperatura en la escala

termodinámica es el kelvin (K), y el punto 0 representa el estado donde la materia tiene la mínima energía.

o La temperatura más baja alcanzada hasta ahora ha sido de 2 x 10-9 K, por lo que el cero absoluto sigue estando fuera del alcance.

Comportamiento de los gases ideales respecto a T o Una escala parecida a la Kelvin

es la llamada escala del gas ideal basada en el comportamiento de la presión de un gas ideal respecto a la temperatura.

o La funcionalidad más simple entre T y P es una línea recta: T = a + bP

o Las constantes a y b se determinan experimentalmente para un gas determinado.

o Se puede desarrollar una escala basada en el gas ideal, midiendo la presión del gas en dos puntos de referencia fácilmente reproducibles

Termómetro de gas ideal o Un termómetro a volumen

constante de gas ideal marcaría -273.15 (0 K) a una presión absoluta de 0.

o Este tipo de termómetro no se puede construir debido a que el gas se condensa a temperaturas muy bajas, y podría disociarse a temperaturas muy altas.

o A pesar de lo anterior, el termómetro de gas es útil en el rango de temperaturas donde el gas conserva su identidad, y coincide con la escala termodinámica de temperaturas.

Comparación de las escalas termométricas o La temperatura de referencia

elegida en la escala Kelvin original fue 273.15 K (0°C), la temperatura de congelación del agua, pero en 1954 se adoptó en su lugar el punto triple del agua, estado donde coexisten en equilibrio las tres fases del agua, y se le asignó un valor de 273.16 K

La ITS-90 o La Escala Internacional de Temperatura de

1990 fue adoptada en 1989 por la 18ª Conferencia Internacional de Pesos y Medidas.

o La unidad de temperatura termodinámica es el kelvin, definido como 1/273.16 de la temperatura del punto triple del agua, que es el único punto fijo de su definición.

Presión o La definimos como la

fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área.

o En el sistema SI, la unidad básica de presión es el pascal (Pa = N/m2)

o En el sistema inglés de ingeniería es la libra-fuerza por pulgada cuadrada (psi)

Unidades de presión. o Como el pascal es una unidad muy pequeña,

se suelen usar múltiplos de él, como el kilopascal (kPa = 103 Pa) y el megapascal (MPa = 106 Pa)

o Las otras unidades bastante utilizadas son el bar, la atmósfera estándar y el kilogramo fuerza por centímetro cuadrado

Algunas unidades de presión

Presión absoluta y manométrica o La presión real en un punto se

llama presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto.

o Como la mayoría de los dispositivos para medir la presión se calibran bajo una presión atmosférica, normalmente indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local (presión manométrica).

o Las presiones por debajo de la presión atmosférica se conocen como presiones de vacío.

Relaciones entre presión absoluta, manométrica y de vacío.

atmabsabsatmvacío

atmabsamanométric

PPPPPPPP

<-=

-=

si ,

Variación de la presión con la profundidad. o En un capo gravitacional,

la presión no cambia en la dirección perpendicular a la aceleración de la gravedad, pero sí en su sentido.

o El aumento se debe a que sobre una superficie dada, a medida que está más sumergida en el fluido, debe soportar un mayor peso del mismo, lo que se equilibra con una mayor presión.

Relación de variación de la presión con la profundidad.

0zΔxΔgρxΔpxΔp0maF

12

zz

=--

==å

Como W = mg=ρgΔxΔz es el peso del elemento de fluido, al dividir entre Δx y reordenar:

zΔgρpppΔ 12 =-=

Si el fluido es un líquido, y su densidad es considerada como constante, y si además la presión sobre la superficie libre es la atmosférica:

ghρpp atm +=

¿Y si el fluido es un gas? o En el caso de los gases, las variaciones de la presión son más

pequeñas, pero no son cero. Si consideramos una columna isotérmica de un gas…

MRR;dz

TRg

pdp

dzRT

pMgdpRTpMρ

gdzρdp

gg

=-=

÷øö

çèæ-=Þ=

-=

con

con

Integrando lo anterior entre dos niveles de presión y dos niveles de altura:

( )÷÷ø

öççè

æ--= 0

g0 zz

TRgexppp

¿Y si además, la temperatura no es constante?

( )

( )÷÷ø

öççè

æ-=÷÷

ø

öççè

æ -+-=÷÷

ø

öççè

æ

+-=

+=

÷÷ø

öççè

æ-=÷

øö

çèæ-=Þ=

-=

0g0

00

g

0g

0

g

TTln

bRg

TzzbTln

bRgln

bzTRgdz

PdP

:bzTT

gdzTR

PgdzRTPMdP

RTPMρ

gdzρdP

0PP

:altura de niveles dos y presiónde niveles dos entreanterior lo Integrando

si,

con