Conceptos termodinámicos

2.1 Introduccion

2.2 El lenguaje de la termodinámica

2.3 Fases de la Materia

2.4 Estados del sistema y propiedades termodinámicas

2.5 equilibrio termodinámico

2.6 Procesos termodinámicos.

2.7 Escalas de presión y temperatura

2.8 La Ley Cero de la Termodinámica

2.9 La hipótesis del continuo

2.10 El Concepto de Balance.

2.11 El concepto de conservación.

2.12 Conservación de la

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Algunos estudiantes tienen dificultades con la termodinámica, ya que es un tema tan amplio. Asunto: Ingeniería como la estática, la dinámica y los materiales se centran en sólo unos pocos temas. Termodinámica, por otro lado, con ofertas muchos problemas que son comunes a una variedad de sistemas de ingeniería. Un análisis termodinámico puede abarcar la van desde una planta de energía enorme para el sistema más pequeño microscopio. A menudo puede ser aplicado de una manera bastante sencilla paso a sistemas extremadamente complejos (como los sistemas biológicos) para proporcionar resultados profundos.Uno de los aspectos más poderosos de la termodinámica es su "recuadro negro" para el análisis del sistema. No es necesario conocer lo que ocurre en el interior de la caja, sólo hay que ver los límites de la caja y ver qué y cuánto, les atraviesa. Esta es la esencia de la CONCT baiance, discutido más adelante en este capítulo. Sino comenzamos con la introducción de algunas definiciones termodinámicas básicas.

Modem Engineering Thermodlynamics. DOI: 10.101&B973.0-12-374996-3.00002-6

@ 2011 Elsevier inc. All rights reserved. 33

2.2 EL LENGUAJE DE LA TERMODINÁMICAEn esta sección se ocupa de una serie de definiciones y términos técnicos fundamentales para comprender el lenguaje de la termodinámica. Algunos de estos términos se encuentran ya en nuestro vocabulario cotidiano como resultado de la utilización broad'based de los conceptos de la termodinámica de la vida cotidiana. Era popular entre los científicos del siglo l9 a moneda técnico términos usando palabras griegas o latinas en lugar de Inglés. En consecuencia, muchos de los términos clave (palabras) en termodinámica-mica son realmente palabras griegas o latinas, que, en el siglo 21, probablemente son ajenas a ti. Pero cuando estos términos están traducidos al Inglés, usted encontrará que su significado Inglés es idéntico a su termodinámico utilizar. Por ejemplo, la traducción en Inglés de la palabra es la temperatura isotérmica simplemente constante, que es la física el significado de lo que el término isotérmica se pretende dar a entender. En consecuencia, cuando los términos griegos o latinos se introducen en este texto, sus traducciones en inglés equivalentes también se dan en ese punto. Apéndice B al final de este libro ofrece un análisis más exhaustivo de los orígenes griegos y latinos de los términos científicos y de ingeniería. Aunque esto puede parecer como un pequeño punto para que en esta etapa, la comprensión y la facilidad con este tema son muy mayor si se presta atención especial a los significados en inglés de estos términos técnicos de otra manera sin sentido.

La termodinámica nombre en sí es un ejemplo de un término técnico griego. Básicamente, esto significa que el proceso de conversión de calor (termo) en energía mecánica (dinámica). Termodinámica módem trata más que sólo energía térmica. Es más apropiado definido hoy como en el siguiente recuadro titulado "Termodinámica". Hay cuatro leyes básicas de la termodinámica: el Cero, primero, segundo, tercero y leyes. Como todos los de la otra básico las leyes de la física, cada una de estas leyes es una generalización de los fenómenos observados en el mundo real, y su "descubrimiento" fue el resultado de la percepción de un individuo de cómo funciona la naturaleza. Curiosamente, el orden en que la termo- leyes dinámicas se nombran no se corresponde con el orden de su descubrimiento. La ley cero se atribuye a Fowler y Guggenheim en 1939, la primera ley de Joule, Mayer y Colding en cerca de 1845, y la segunda ley de Carnot en 1824, y la tercera ley de Nerst en 1907. Las primera y segunda leyes son las más pragmático y conse-cuencia el más importante para los ingenieros. Un análisis

termodinámico implica la aplicación de las leyes de la termo-dinámica a un sistema termodinámico. Un sistema termodinámico a menudo se conoce como un sistema. Su límite se define simplemente como su superficie.

El sistema y su límite siempre son elegidos por el analista (es decir, usted), que casi nunca se especifican en un problema comunicado. Debe quedar claro que, si se usan diferentes sistemas para analizar la misma cantidad, se debe producir los mismos resultados en cada caso. Un sistema no tiene que ser fijado en el espacio. Puede moverse, deforme, y aumentar o disminuir en tamaño con el tiempo. Básicamente, hay tres tipos de sistemas: alejado, dosificado y abierto.

Figura 2,1 ilustra cada uno de estos tipos de sistemas. En la figura 2.la, una cacerola de agua está en una masa y energía impermeable aislado caja, formando así un sistema aislado. En la Figura 2.lb, tenemos un sistema cerrado, en el que el contenido de la sartén se dosifican por una tapa hermética, pero la energía de calor entra en la olla del quemador. En la Figura 2.Ic, agua (masa) entra en la sartén por el cruce de la frontera del sistema, por lo que aquí el pan es un sistema abierto.

Observe que si un sistema está abierto o dosificado depende de cómo el analista observa el sistema. 2.Ic cifra podría ser convertido en un sistema de dosificado si los límites del sistema se extiende a indude el grifo, toda la tubería de agua que se remonta

La termodinámica se ocupa de las leyes que rigen la transformación de la energía de una forma a otra.

El sistema termodinámico es un volumen de espacio que contiene el material elegido para el análisis termodinámico.

La superficie de un sistema termodinámico forma su límite.

1 Feel free to turn on your babble fish here but do not put it in your ear just yet.

FIGUH 2.1

Los tres tipos de sistemas termodinámicos.

b) Sistema Cerrado: Masano puede cruzar el sistemalímite, pero la energía puede.

c) Sistema de Apertura: Tantomasa y la energía pueden cruzar

Aislado sistema. Cualquier sistema en el que ni la masa ni la energía aosses los límites del sistema. Sistema cerrado. Cualquier sistema en el que la masa no AOSS los límites del sistema, pero la energía puede cruzar la frontera del sistema.Abra sistema. Cualquier sistema en el que la masa y la energía pueden cruzar la frontera del sistema.

Si seleccionamos tu cuerpo como un sistema termodinámico, es un sistema abierto o cerrado? ¿Qué le sucede a usted si le obligan a ser un sistema cerrado?

a la planta de tratamiento de agua, y el suministro de agua para la planta. Pero este sistema sería demasiado grande para analizar adecuadamente, ya que debe ser capaz de encontrar toda la energía que atraviesa su límite, en cualquier punto a lo largo de la frontera. Por lo tanto, es mucho más fácil de ver la Figura 2,1 c como un sistema abierto con un límite pequeño, sistema bien definido. La elección del sistema adecuado, además de la forma correcta de las leyes de la termodinámica, siempre son decisiones que usted, el analista debe hacer cada vez que empieza a resolver un problema de termodinámica. Hacer un croquis del sistema que muestra los límites del sistema es una ayuda útil para tomar estas decisiones. El esbozo del sistema en termodinámica es equivalente al boceto diagrama de cuerpo libre en la mecánica. Su valor no puede ser exagerada.

2.3 FASES DE LA MATERIALa fase física de una sustancia se define por la estructura molecular de la sustancia. Por ejemplo, el agua se puede describir químicamente como H2 O, pero puede existir en un número de configuraciones moleculares. a bajas temperaturas, el agua adquiere una rígida estructura molecular cristalino, hielo, pero a temperaturas más altas-molecu su lar estructura se convierte en amorfo, ya que se convierte en un líquido y al azar, ya que se convierte en un vapor. Podemos fácilmente identificar tres fases estructurales comunes de la materia: sólido, líquido y vapor (o gas). Pero, mientras que sólo una fase líquida o una fase de vapor puede ser posible, muchas diferentes configuraciones de sólidos moleculares de un sustancia puede existir.

El término homogéneo se puede utilizar para describir cualquiera de uniformidad física o química. Aquí se utiliza el término puro subslance para describir las sustancias que son químicamente uniforme (Figura 2.2), y reservar el término homogéneo para describen sustancias que son físicamente uniforme (es decir, tienen una fase física individual). Por lo tanto, se define un puro sustancia como cualquier cosa que contiene la misma composición química uniforme en todas sus fases físicas. Por ejemplo, una mezcla de vapor de agua y agua líquida es una sustancia pura. Por otro lado, el aire no es realmente un puro sustancia, ya que cuando se enfría lo suficiente, algunos de sus componentes se condensan en su estado líquido, así cambiando la composición de los gases restantes.

FIGUH 2.2

Las sustancias puras y mezclas.

De la discusión anterior sobre si procede o no el aire es una sustancia pura, ¿cree que una definición más práctica de una sustancia pura debería requerir sólo que la sustancia no cambiar la composición química en las condiciones de una determinada ingeniería de procesos? Por ejemplo, si el aire a presión atmosférica se calienta de 20 º C a 200 º C. decir, entonces no sería cambiar la composición química y por lo tanto, podría ser considerado como una sustancia pura. Si, por otra parte, este aire se está enfría desde 20 º C a 200 º C-, entonces no podría ser considerado como una sustancia pura, porque el gas se condensa en un oxígeno líquido a-183oC y esto podría cambiar la composición química del gas restante.

Nos definen además una sustancia homogénea como cualquier cosa que contiene una fase física única. Aire en condiciones normales condiciones atmosféricas es una sustancia homogénea, sino que es una mezcla de varios gases, no es un puro sustancia. Una mezcla de agua líquida y el hielo en el otro lado no es una sustancia homogénea, pero se trata de un puro sustancia. Una sustancia pura que es también una sustancia homogénea que se llama un simp / sustancia e. El agua líquida es un ejemplo de una sustancia simple.

Las sustancias puras debe ser químicamente uniforme, pero no es necesario que constan de una sola especie química. Por ejemplo, una mezcla homogénea de composición química uniforme a menudo puede ser tratada como si fuera una única fase de una sustancia pura. Aire en su estado gaseoso se trata generalmente como una sustancia pura, a pesar de que no satisface la definición general de una sustancia pura.

2.4 SISTEMA DE ESTADOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICASEl estado termodinámico de un sistema puede ser o bien un estado de equilibrio o un estado de no equilibrio. Un termo- estado de equilibrio dinámico se define por los valores de sus propiedades termodinámicas. Un estado de no equilibrio es mucho más difícil de definir y, generalmente, requiere la existencia de una condición llamada / oca / termodinámico equilibrio, que existe cuando el equilibrio termodinámico se produce localmente dentro de una serie de pequeños volúmenes que componen el sistema. A la inversa, un prope termodinámico es cualquier característica de un sistema cuya numérico valor depende sólo del estado termodinámico (local) de equilibrio del sistema y es independiente de cómo

SUSTANCIA PURAELEMENTOS

Los elementos contienen átomos de un solo número atómico y tienen bien definidos física propiedades.

COMPUESTOS

Los compuestos contienen átomos de dos o más elementos combinado químicamente y tienen bien definidas propiedades físicas.

MEZCLA

mezclas homogéneas

Las mezclas homogéneas tienen la misma composición en todo. los componentes en la mezcla no están distinguible de cada uno otras ezclas, y diferentes tienen muy diferentes física propiedades.

mezclas heterogéneas

Mezclas heterogéneas hacer NO tienen la misma composición en todo. los componentes en la mezcla se distinguibles y diferentes mezclas heterogéneas pueden tienen muy diferentes física propiedades.

ese estado se logró. Masa, volumen, temperatura, presión, color, viscosidad, magnetización, y así sucesivamente son todosposibles propiedades.La lista de posibles propiedades es bastante largo. Afortunadamente, no todas las propiedades son independientes uno de otro. De hecho, un sistema homogéneo contiene propiedades independientes son relativamente pocos. La fórmula que relaciona la variable dependiente y propiedades independientes de un sistema que se llama una ecuación termodinámica de estado. Una vez que los valores de la indepen-abolladura propiedades son conocidas para un estado particular, esta fórmula puede utilizarse para calcular los valores de todos los dependientes de las propiedades en ese estado. La fórmula de los gases ideales, PV = RT, es un ejemplo de una ecuación de estado para un sistema simple. En termodinámica dassical, hay dos tipos de propiedades, intensivos y extensivos. Propiedades más extensas se pueden convertir en propiedades intensivas dividiendo la extensa propiedad por la masa del sistema (o el número de moles) en el sistema. Propiedades intensivas creadas de esta manera se denominan propiedades específicas. Por ejemplo, el volumen total de un sistema dividido por la masa total del sistema es la intención sive propiedad llamado volumen específico, y el volumen total dividido por el número total de moles del sistema es la propiedad intensiva llamado mo / ar volumen específico. Para ser capaz de decir la diferencia entre una amplia y propiedades intensivas en las fórmulas de este libro, se adopta el esquema notacional se explica en las cajas.Las excepciones a esta notación extensa propiedad son T mayúscula para la temperatura (que es una propiedad intensiva), minúsculas m la masa (que es una propiedad extensiva), y n en minúscula para el número de moles (también una exten-propiedad SIVE). Los T, m, n y letras para temperatura, masa y moles son los símbolos tradicionales para estas cantidades, y la t símbolos, M y N son los símbolos tradicionales de tiempo, masa molecular, y los de Avogadro número, respectivamente.

Una propiedad intensiva es cualquier propiedad termodinámica de un sistema homogéneo que es independiente de la masa. Ejemplos son lala presión, la temperatura y la densidad.

Una propiedad extensiva es cualquier propiedad termodinámica de un sistema homogéneo que depende de la masa. Ejemplos son la masa,volumen, y la energía.

Las propiedades extensivas son simbolizados por mayúsculas (capital) letras. Por ejemplo, E y U son los símbolos de volumen, 2

energía, y la energía interna.

2 En este texto, V representa el volumen total, y V Rei) se resiente el tubo magma `de la velocidad.

Intensivos de masa basados en las propiedades están simbolizados por letras minúsculas y topo intensivos basados en las propiedades están simbolizadospor letras minúsculas con ARS overb. Por ejemplo, v = V / m, e = E / m,, u - U | m son los símbolos de masa a base específicavolumen, energía específica, y la energía interna específica. Del mismo modo, y ii son los símbolos para mo / ar volumen específico, mo / arespecífico de energía, y la energía interna específica molar.

Si elegimos el / co o de un sistema como una propiedad termodinámica, ¿sería una propiedad extensiva o intensiva?

El estado de una sustancia pura sometido a modo de trabajo sólo uno está determinado por los valores de cualquier par de independientepropiedades intensivas. Si la sustancia pura es también homogénea, entonces todas sus propiedades intensivas son independientes y cualquierdos de ellos fijar el estado.

Las excepciones a esta notación propiedad intensiva de nuevo la temperatura T (una propiedad intensiva), la masa m (un extensa propiedad), y el número de moles n (otra propiedad extensa), tal como se explica anteriormente. Presión, p, es un natma / propiedad intensiva que no se obtiene dividiendo algo por la masa del sistema.El sistema de notación en mayúsculas-minúsculas se utiliza también para otras magnitudes termodinámicas, tales como energía cinética, energía potencial, el trabajo y el calor, que no son las propiedades termodinámicas. Los valores totales (masa dependiente) de estos cantidades se dan las mayúsculas KE símbolos, PE, W, y Q, respectivamente. Si dividimos estas cantidades por el sistema masa m, obtenemos sus específicos (o masa por unidad) las formas, que se dan los símbolos en minúscula siguientes: ke = KE / m, pe = PE / m, w = W | m, y q = Q | m. Si dividimos por el número de moles n en el sistema, obtenemos el específico molar valores de estas cantidades, que se simbolizan con letras minúsculas con una barra superior: = KE / n, p = PE / n, = W / n, y = Q | n. Estos se resumen en la Tabla 2.1.Posteriormente, se discute un principio general que proporciona una manera fácil de determinar el número de independientes adecuada- lazos de cualquier sistema. Mientras tanto, es necesario saber que, para una sustancia pura (cualquier cosa con un uniforme composición química en todas sus fases físicas) sometidos a una sola obra MODE3 (tipo de trabajo), sólo dos independientes propiedades intensivas son necesarias para determinar su estado termodinámico.Una sustancia pura puede estar en cualquier estado físico: sólido, líquido, vapor o cualquier combinación de estos estados. Líquido agua con cubitos de hielo en un vaso es un sistema de sustancia pura si los límites del sistema se dibuja de modo que no hace incluyen el vidrio mismo. Si el límite del sistema está dibujado fuera del vidrio, entonces el sistema ya no contiene un sustancia pura (que contiene agua y vidrio). Esto ilustra la importancia de considerar cuidadosamente exactamente lo el sistema es para ser y dónde están los límites para ser dibujada.

2.5 equilibrio termodinámicoUna situación de equilibrio implica una condición de equilibrio entre las facciones opuestas. Hay muchos tipos diferentes de equilibrios. Un equilibrio mecánico cuando todas las fuerzas mecánicas dentro de un sistema se equilibran de modo que no hay aceleración (el estudio de equilibrio mecánico se llama estática). Un equilibrio térmico existe dentro de un sistema si existe una temperatura uniforme en todo el sistema. Un equilibrio e / ectrostatic existe dentro de un sistema cuando hay un equilibrio de carga de todo el sistema. Un equilibrio de fases existe dentro de un sistema cuando no hay transformaciones de fase (por ejemplo, vaporización o de fusión) se produzcan en el sistema. Un sistema se dice que es en química equilibrio cuando no se producen reacciones químicas en el sistema. Puesto que la materia de la termodinámica con- contiene todos estos tipos de fenómenos, agrupar todas estas definiciones juntos para definir el equilibrio termodinámico.

Termodinámica clásica de equilibrio se basa en el análisis de estados de equilibrio y por lo tanto es análogo a la estática en la mecánica. Dado que los sistemas dinámicos de energía contienen estados de no equilibrio termodinámicas, no pueden ser analizadas mediante los métodos de la termodinámica dassical. Por lo tanto, la termodinámica plazo parece ser un nombre inapropiado.

Algunos autores han propuesto que la termodinámica dassical podría ser termostáticos título más preciso para evitar que consistente con los títulos utilizados en la mecánica. Sin embargo, el origen de la termodinámica plazo es más dosely alineado con el concepto de la conversión de calor (la parte térmica) en trabajo (la parte dinámica). En consecuencia, la dinámica en ter- MoDynamics debe ser pensado como la dinámica de los distintos procesos de conversión de calor en trabajo (o energía).

3 A modo de trabajo puede ser mecánica, eléctrica, magnética, etc, pero sólo uno puede estar presente en este caso. Los sistemas más complejos convarios modos de trabajo se describen en "Estado Tfle Postulado" del capítulo 4.

Un sistema se dice que está en equilibrio termodinámico si no cambian espontáneamente su estado después de haber sido aislado.

2.6 Los procesos termodinámicos

Ingeniería termodinámica se refiere principalmente a los sistemas que se someten a procesos termodinámicos. Un sistema sometido a un proceso termodinámico normalmente experimenta un cambio en su estado termodinámico. Por lo tanto, se define como un proceso termodinámico en el cuadro siguiente. Ni la necesidad inicial, final, ni ningún estado intermedio en equilibrio termodinámico en un termo- proceso dinámico. Un proceso puede cambiar un sistema desde un estado de no equilibrio a otro estado de no equilibrio a través de un camino de estados de no equilibrio. La Figura 2.3 ilustra varios caminos proceso que cambian de un sistema a partir de una Un estado inicial a un estado final B. Si una dosis ruta de proceso sobre sí misma de modo que se repite periódicamente en el tiempo, entonces el proceso termodinámico se denomina un ciclo termodinámico. Figura 2,4 ilustra la definición de un ciclo termodinámico. Hay una diferencia entre un ciclo termodinámico y un ciclo mecánico. En un ciclo mecánico, todos los componentes mecánicos comienzan y terminan en la misma configuración geométrica. Por ejemplo, el motor de un automóvil pasa por un ciclo mecánico una vez cada dos rotaciones del cigüeñal para un motor de cuatro tiempos, pero no pasa por un ciclo termodinámico. Para un motor de automóvil para ir a través de un ciclo termodinámico de escape del motor tendría que ser convertida de nuevo en el aire y el combustible (el estado inicial). La descripción del recorrido proceso es extremadamente importante en el análisis termodinámico, ya que a menudo determina el estado final del sistema. En la mayoría de los estados termodinámicos de libros de texto de problemas, la ruta de proceso sólo vagamente aludido o más se oculta en uno o más de los términos técnicos utilizados. Por lo tanto, además de decidir sobre la tipo de sistema a utilizar en el análisis de un problema y la preparación de un bosquejo del sistema, también debe determinar el tipo de proceso que se está produciendo.

Start Finish

Process variable Process variable

FIGUH 2A

Un ciclo termodinámico.

FIGUH 2.3

Tres vías de proceso que cambian el estado de la tranvía sistema de A a B.

Un proceso termodinámico es la sucesión de la termodinámica establece que un sistema pasa a través de medida que pasa de un

estado inicial

a un estado final.

Un proceso de sistema se dice que ir a través de un ciclo termodinámico cuando el estado final del proceso es el mismo que el estado

inicial

del proceso.

2.7 ESCALAS DE PRESIÓN Y TEMPERATURADebido a la forma histórica en la que los conceptos de presión y temperatura evolucionado, nos vemos obligados a frente a dos escalas para cada uno. Tenemos un re / tivo y una escala absoluta de temperatura y presión medición. Algunas fórmulas permitir el uso de cualquiera de escala en los cálculos, pero otras fórmulas requieren el uso de sólo las escalas absolutas en los cálculos. Por lo tanto, es muy importante saber qué escalas se utilizan cuando que se dan valores para la temperatura y la presión. Como vimos en el capítulo 1, existen dos escalas comunes de temperatura absoluta, Rankine (R) y Kelvin (K). ellos se relacionan como sigue: 4

T(R)- T(K) (2.1)

Cada una de estas escalas absolutas tiene una escala relativa, el común Inglés Fahrenheit (DE) escala y la Unión EuropeaCelsius (º C) scale.5 Estas dos escalas relativas están relacionados unos con otros por

T(oF) - T (oC) + 32

y las respectivas escalas absolutas y relativas están relacionados por

T(R) - T(OF) + 459.67

y

T (K) - T (oC) + 273. 1 5

(2.2)

(2.3)

(2.4)

La presión puede ser visto como un esfuerzo de compresión. Por lo tanto, la presión cero absoluto corresponde a un nivel de tensión cero. Sin embargo, a pesar de que generalmente no se encuentran con presiones absolutas negativas en termodinámica, cualquier finito esfuerzo de tracción en un fluido o un sólido es equivalente a que está sometido a una presión absoluta negativa. No hay falta de coherencia aquí, lo que no es más que una convención de signos estándar para el estrés.

Debido a que la mayoría de los indicadores elaborados para medir la presión fueron diseñados para indicar cero en atmosférica localpresión, sus lecturas constituyen una escala de presión relativa, llamada presión manométrica. Para distinguir entre el calibrador y los valores de presión absoluta en nuestra escritura, añadimos la letra g o al Unidades inglesas del término. Por lo tanto, la presión Inglés unidades psia y psig deben leerse "libras por pulgada cuadrada pulgadas libras absolutos "y" por pulgada cuadrada ", respectivamente. presión unidades SI deben llevar a la identificación de palabras abso / ute o calibre (por ejemplo, 3,75 MPa-"absoluto o 3,75 MPa de calibre). Este es un indicador torpe, y desde tablas termodinámicas siempre se dan en unidades de presión absoluta y ecuaciones termodinámicas trabajar con unidades absolutas de presión, las presiones SI se supone en general que en unidades absolutas, incluso cuando no lo especifica.

A menos que se especifique lo contrario en un planteamiento del problema, la presión atmosférica local siempre debe ser tomado la presión atmosférica estándar, que es 14,696 psia (o 14,7 psia) o 101.325 Pa (o 101,3 kPa). Figura 2.5 ilustra los significados de temperatura relativa y absoluta y la presión.

Si se le da una fórmula con una cantidad tal que p o T en el mismo, ¿cómo saber qué escala usar? La siguiente regla de oro en caja titulada "¿Cómo sé cuando tengo que utilizar la presión absoluta o temperatura?" proporciona la respuesta.

En la ecuación de los gases ideales de Estado,

p= mRT (2.5)

tanto las cantidades P y T independiente, de modo que los valores sustituidos para ellos debe estar siempre en una absolutaescala (psia y R o Pa absoluto-y K). Por otro lado, si una fórmula contiene la diferencia en una cantidad que noelevado a una potencia, tal como p2 - pl (o Dp), o T2 - Tl (o DT), a continuación, los valores asignados a la cantidad que puede estar enya sea en unidades de escala absoluta o relativa. Por ejemplo, si tenemos un gas ideal en un sistema cerrado de volumen constante

p I = mRT I (2.6)

4 Recuperar {Torn capítulo 1 que, desde 1967 ya no usamos el prefijo grados en la escala de temperatura absoluta, sino retenerla en elescalas relativas. Por lo tanto, se escribe 100 R FOT una temperatura de 100 Tankine no, lOOoRs La escala Celsius fue también comúnmente llamado el s_ Tie :: ule. Sin embargo, las centígrados-fTom los latinos {OT 100 (Ti) divisionese) La escala fue desarrollada por el astrónomo sueco Anders Celsius en aproximadamente 1742, y en 1948, la escala centígrada fue oficialmente denominarse escala Ce / Sius.

En 1662, el químico Robert Boyle Inglés {1627-1691) había llevado a cabo experimentos que se establece que la presión de un gasvaría inversamente con el volumen cuando la temperatura se mantiene constante. A principios de 18008, los físicos franceses JacquesCharles {1746-1823) y Joseph Gay-Lussac (1778-1850) de forma independiente determinó que el volumen de un gas inaeaseslinealmente con la temperatura cuando la presión se mantiene constante. La relación de Charles / Gay-Lussac se puede escribir como

donde T está en º C y es el volumen del gas a OoC. La constante empírica a es el coeficiente de expansión térmica de losel gas y se encontró que tenía la misma valuefor todos los gases como la presión se aproximó a cero.

a - 0.003661 oC - 1 = oC - 1

273.15Puesto que a es el mismo para todos los gases a baja presión, la ecuación Charles / Gay-Lussac proporciona un único punto de calibración (en o) temperatura de escala que es independiente del tipo de gas utilizado, además de que define el "tamaño" del grado (a) en la escala.

En 1820, los resultados de Boyle y Charles / Gay-Lussac se ha combinado para producir el "ideal" ecuación de los gases de Estado:

p= mR[T (in oC) + - mR[T(in oC) + 27 3.15}

y para entonces ya era generalmente aceptado que T (en ° C) + 273,15 corresponden a algún tipo de temperatura de los gases ideales absoluta escala. Sin embargo, el problema sigue siendo que esta escala todavía parecía depender del material de medición termométrico (un gas ideal) y por lo tanto no constituía una verdadera "termodinámica" escala de temperatura absoluta. Dado que el concepto de una escala de temperatura absoluta no estaba firmemente establecido hasta 1848 por Lord Kelvin, es notable que la ecuación de estado del gas ideal, que depende de la utilización de una escala de temperatura absoluta, era en utilizar un total de 30 añosearlier. Sin embargo, históricamente, nos encontramos con que las ecuaciones empíricas a menudo preceden a las explicaciones teóricas.

Presión absoluta = presión Gauge + presión atmosférica local

Cuando una presión SI aparece en un libro de texto sin dicho identificador (por ejemplo, 3,75 MPa), se supone que es un absoluto

presión (es decir, 3,75 MPa-absoluta). Medidor de presión siempre debe ser identificado como "indicador" para evitar la confusión.

Atmosphericpressure

e2

Absolute

a) Temperature

FIGUH 2.5

b) Pressure

Relative and absolute temperatures and pressures.

Si la presión o la temperatura se encuentra por sí mismo o se eleva a una potencia en una ecuación, a continuación, los valores asignados a la misma debe seren una escala absoluta de unidades.

y cuando se cambia al estado 2, podemos escribir

p2 = mRT2

Ahora bien, si restamos la ecuación. (2,6) de (2,7), obtenemos

(p2 - pl ) = mR(T2 - Tl )

(2.7)

(2.8)

Presión absoluta y escalas de temperatura debe ser utilizado en la fabricación de cálculos con las Ecs. (2,6) y (2,7), pero ya sea escalas absolutas o relativas pueden usarse en la ecuación. (2,8). Escalas relativas pueden ser utilizados siempre que el aditivo plazo que convierte una escala relativa a una escala absoluta anula dentro de la fórmula, como lo hace cuando un sencillo diferencia se toma.

El uso de valores relativos escala en los valores absolutos de la escala deberán ser utilizados lleva claramente a un enorme calculacionalerrores. En caso de duda, utilice los valores en las unidades de escala absolutas.

2.8 La ley cero de la termodinámicaComo se mencionó anteriormente, la ley cero fue una de las leyes de la termodinámica últimos a ser developed.It era introducido por R H. Fowler y Guggenheim EA en 1939.6

Esto puede parecer trivial en primera lectura, pero tenga en cuenta: Si el hombre ama a una mujer C y el hombre ama a la mujer B C, ¿seseguir a ese hombre A ama a B el hombre?. Uno de los valores principales de la ley cero es que forma la base teórica para la tecnología de medición de temperatura. Considere la posibilidad de que el mercurio en el termómetro de vidrio se muestra en la Figura 2.6. la cero ley nos dice que si el vidrio está a la misma temperatura (es decir, está en equilibrio térmico con) el fluido circundante, y si el mercurio está a la misma temperatura como el vidrio, el mercurio está en el misma temperatura que el fluido circundante. Por lo tanto, el termómetro se puede graduar para mostrar el mercurio temperatura, y esta temperatura es automáticamente (a través de la ley cero) igual a la temperatura de su entorno.

Consideremos tres sistemas termodinámicos, A, B y C. Si el sistema A está en equilibrio térmico con (es decir, es la misma tem-tura as) del sistema C y B del sistema está en equilibrio térmico con sistema C, entonces el sistema A está en equilibrio térmicocon el sistema B.

El texto desaibes un triángulo amoroso que no necesariamente satisfacen la ley cero de la termodinámica. ¿Puedes pensar enotras características humanas (por ejemplo, el odio) que no podría satisfacer esta ley? En la ley cero, el equilibrio térmico es el mismo como el equilibrio térmico, por lo que si TA = TB y Tc - Tc, entonces la ley cero requiere que TA = TB. ¿Podemos crear aún otra ley de la termodinámica sobre la base de que requiere una propiedad física diferente de los sistemas A, B, y C para estar en otro (por ejemplo, en lugar de mecánica térmica) el tipo de equilibrio? ¿Qué valor termodinámico que esta nueva "ley" tiene?

6 Fowler R. H ., Guggenheim E. A. 19 39 . Statislical Thermodynamics. Cambridge university Press Cambridge MA.

Zeroth law;

FIGUH 2.6The zeroth law of thermodynamics applied to a mercury in a glass thermometer.

2.9 THE CONTINUUM HYPOTHESIS

While we recognize today the existence of the atomic nature of matter, we have not found an effective way toapply the basic laws of physics to large aggregates of atomic particles except by a statistical averaging techni-que. This is because the number of molecules in even a cubic centimeter of gas at standard atmospheric pres-sure and temperature is so large (about 1020) that we cannot simultaneously solve all the equations ofmotion for each molecule. The statistical averaging process taken over large numbers of molecules produces acontinuum model for matter, and the continuum hothesis simply states that large systems made up of manydiscrete molecules or atoms may be treated as though they were made up of a continuous (i.e., nonmolecular)material.

The continuum approach to thermodynamics works well so long as the dimensions of the systems beinganalyzed are much larger than the dimensions of the molecules themselves and so long as the time interval overwhich a process takes place is very much greater than the average time between molecular collisions. Thecontinuum thermodynamics breaks down when these conditions are violated, such as in the rarefied gas ofouter space. When continuum thermodynamics breaks down, another type of thermodynamics, called statisticalthermodYnamics, can be used to solve problems.

The vast majority of engineering problems can be solved with continuum concepts, and they are the main focusof this text. Two other technical terms are used to express these ideas, microscopic and macroscopic.

When we deal with differential quantities in continuum analysis, such as /dt, we do not infer that the differen-tials shrink down to molecular dimensions and thus invalidate the continuum concept. Also, when we speak ofevaluating thermodynamic properties at a point in a continuum system, we extrapolate the continuum conceptin a mathematical sense only. The resulting mathematical functions and relations developed in macroscopicsystem analysis are not valid in, and cannot be accurately applied to, microscopic systems.

Microscopic system analysis is the analysis of systems at the atomic level. This is the domain of statistical thermodynamics.

Maaoscopic system analysis is the analysis of systems at the continuum level (i.e., molecular dimensions and time scalesdo not enter into the analysis). This is the domain of dassical and nonequilibrium thermodynamics.

2.10 THE B~NCE CONCEPTThe balance concept is one of the most important and, oddly enough, most underrated concepts in physical sciencetoday. It is basically nothing more than a simple accounting procedure. Consider some quantity X possessed by anarbitrary system. Then the balance ofX over the system during a macroscopic time interval dt is

f The gain in X 1 f The amount of X 1 f The net amount of xlby the system = transported into the - leaving the system

I during time dt J I system during time dt J I during time dt J (2.9)

[The amount of X 1 f The amount of X 1+ produced by the system - destroyed by the system

I during time dt J I during time dt J

f The net gain in 1 f The net amount of X 1 f The net amount of X 1Xby the system = transported into the + produced by the system (2.10)

I during time dt J I system during time dt J I during time dt J

XGain - XTransport +XProduction Or XG - XT +XP (2.11)

where the subscripts G, T, and P refer to net gain, net transport, and net production, respectively. In equilibriumsystems, Eq. (2.11) is sufficient. But in nonequilibrium systems, XG, XT, and XP may be functions of time.In systems in which XG, XT, and Xp change continuously in time, Eq. (2.11) can be differentiated with respect totime to give a rate balance equation of X as

(2.12)

where XG = dXG|dt, XF - dXT|dt, and XP - dXP|dt. Equations (2.11) and (2.12) provide a full and generalaccount of the behavior of any property X of a system, and they are valid for any coordinate system.

E~PLE 2.1The Rosalyn Computer Chip Manufacturing Company ships 120,000 chips per day to its customers and receives 100,000chips per day from its suppliers (Figure 2.7). It manufactures 30,000 of its own chips per day, of which 3,000 are rejected asdefective and are destroyed. Determine the change in chip inventory at the end of each day.

nGUu 2.7

Example 2.1.

SolutionFor each day of operation, Eq. (2.11) gives the net gain in chips as

XG - XT + XP

where the net transport of chips into the facility is

XT - 100,000 chips from suppliers - 120,000 chips to customers = -20,000 chips/day

and the net production of chips is

Xp - 30,000 chips manufactured - 3,000 chips rejected and destroyed = 27,000 chips/day

so the net gain in computer chips at the end of each day is

XG - XT +XP - -20,000 + 27,000 = 7,000 chips/day

So the chip inventory inaeases by 7,000 chips per day.

EXAMPLE 2.2

In 1798, the famous social scientist and economist Thomas Robert Malthus (1766-1834) discovered that, if relatively smallgroups of animals are left undisturbed (Figure 2.8), their population often grows such that the sum of their net birthrateand their net immigration rate into the population is directly proportional to the instantaneous value of the population.This, since known as Malthuss law of population growth, has been successfully applied to numerous types of populations,such as humans and bacteria. Write a rate balance equation for this type of population growth rate and determine how the

SolutionEquation (2.12) gives the general rate balance: XG = XT +XP. Let N be the instantaneous population. Then, from the pro-

blem statement, we have

Xr, __ dN- dt

and according to Malthuss law, the net birth and immigration rates are

XT +X`P - aN

where a is a constant of proportionality. Then, the complete Malthus population rate balance equation becomes

dN, -_ aNdt

(Continued )

E~PLE 2.2 (Continued )

Since this is a simple first-order ordinary differential equation, we can separate the variables to obtain

dN, -_ adtN

Then defining No as the population at time t = O, this equation can be integrated asN t - t

No.J- t__ O.J adt

to give

In(N-No)- at

And inverting the logarithm gives

eln(N|No) -_ ` , N -_ e

N - Noeat.

Thus the population increases or deaeases exponentially depending on the sign of a.

Exerdses1. Develop a balance equation for the number of hamburgers in your room. Answer: Net hamburgers in the room = Net

hamburgers brought into the room + Net hamburgers made inside the room.2. The growth rate discussed in mple 2.2 is often called a geometric growth rate. Malthus argued that the food supply of

a population often grew only at a constant, or arithmetic, rate, dF/dt - b, where F is the size of the food supply at time tand b is a constant. Write a rate balance equation for the food supply F using this growth rate and solve it for F as a

function of time t. Answer:

(dF,\} -, .FG - b - 'FT +F`p

\ dt )system u r - and solving for F gives F - bt + Fo, where Fo is the size of the food supply at time t -, O.

3. In mple 2.2, the constant a is called the growth rate when it is greater than zero. Determine a general expression for

the time tD required for a population to double. Answer: tD = [In(2)]/a.

2.11 THE CONSERVATION CONCEPTIn classical physics, a quantity is said to be corlsewed if it can be neither created nor destroyed. The basic laws ofphysics would not produce unique balance equations if it were not for this concept. Whereas a balance equationcan be written for any conceivable quantity, conserved quantities can be discovered only by human research andobservation. The outstanding characteristic of conserved quantities is that their net production is always zero,and therefore their balance equations reduce to these simpler forms:

When X is conserved, Xproduction = uction = 0, and <| Gain = ranspon

IGain = ATransport

(2.13)

(2.14)

This may not seem like much of a reduction at first, but it is a very significant simplification of the generalbalance equations. It means that we need not worry about property production or destruction mechanisms andhow to calculate their effects. Equations (2.13) and (2.14) turn out to be very effective working equations forengineering design and analysis purposes.

Thus far, scientists have empirically discovered four major entities that are conserved: mass (in nonnuclearreactions), momentum (both linear and angular), energy (total), and electrical charge. These yield the four basiclaws of physics: the conservation of mass, the conservation of momentum, the conservation of energy, and theconservation of charge. The conservation of energy is also called the first law of thermodynamics.

If we let E be the total energy of a system, then its conservation is written as

EProduaion - EP - 0 (2.15)

or

EP - 0

and its resulting balance (or consemau.on law) equation is

EC - ET

or

EG - 'E T

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Equations (2.15) through (2.18) are elementary forms of the first law of thermodynamics. They are elementarybecause, to be useful for calculation purposes, the ternts ET and ET , representing the system's energy transport, mustbe expanded into a sum of terms that accounts for all the energy transport mechanisms. This is taken up in detail inChapter 4.

EXAMPLE 2.3

Develop an accurate verbal descriptive form of the energy balance equation that incorporates the conservation of energy

principle for a system consisting of a cannon firing a projectile (Figure 2.9).

FIGUH 2.9 pie 2.3.

SolutionThe complete !item! desaiptive energy balance equation is obtained from Eq. (2.10) as

Since energy is a consened quantity, the net production of energy inside the cannon must be zero. Now, the net transport ofany quantity into a system is just the difference between the input and the output of that quantity; and since there is notransport of energy into this system, then the net transport of energy is just the negative of the energy output. So the result-ing literal descriptive form of the combined conservation of energy equation and energy balance equation for this system is

Exercises4. Develop a conservation of momentum balance for a cannon firing a projectile. Answer: The conservation of momentumbalance equation is

f Net momentum of the projectile | f Momentum of the projectile | f Net change in |

and gases transported into the = - and gases transported out of = the momentum of

[ system j [ the system j [ the system j(Continued )

E~PLE 2.3 (~ u'nued )5. Develop a balance equation for the conservation of electric charge in a system. Answer: The conservation of chargebalance equation is

J Net electric charge l _ J Net change in electric l.l transported into the system f ` I charge in (or on) the system f

From the resulting conservation of energy and momentum balance equations developed in Example 2.3 andits Exercise 1, we can investigate the technology of the ballistic pendulum shown in Figure 2.10. The ballisticpendulum was developed in 1740 by the English mathematician and engineer Benjamin Robins {1707-1751)and operates on the principle that the deflection of the pendulum after impact is directly proportional tothe projectile's impact velocity. Since the projectile is imbedded in the pendulum after impact, we choose toview this as a closed system consisting of the projectile and the pendulum. Since the system is closed, therecan be no mass transport across the system's boundaries; and because momentum transport requires the massto cross the system boundary, there is also no momentum transport in this system. Then, the conservationof momentum equation for a closed system reduces to {Net change in momentum of the system } = 0. There-fore, the initial momentum of the projectile/pendulum system must equal to the final momentum of thissystem, or

[mprojectileVprojectile]initial = [(mprojectile + mpendulum)Vpendulum]final

After impact, the pendulum/projectile system swings through an angle q, raising the center of gravity by

an am ount h = R( 1 - cos q ) . Since the initial kinetic energy and the final potential energy of thependulum/projectile system must be equal, we can write

(mprojectile + mpendulurn)( )= (mprojectile + mpendulurn )()or

Vpendulum - [2gh]I/2 - [2gR(1 - cos 0)]I/2

FIGUH 2.10The operation of a ballistic pendulum.

Therefore, by knowing the masses of the pendulum and the projectile and measuring R and q, we can easily calculatethe impact velocity of the projectile. If the projectile is fired point blank into the pendulum, then the impact velocityis essentially the muzzle velocity of the projectile. These concepts are illustrated in mple 2.4.

You might wonder why we do not set the initial kinetic energy of the projectile equal to the final potential energy of thependulum/projectile system. Even though energy is conserved during the impact, this is not a perfectly elastic impact andother forms of energy are involved in addition to kinetic and potential. Some of the projectiles initial kinetic energy is con-verted into heat through the friction and deformation that occur during the impact. Figure 2.11 illustrates what happenswhen a .45 caliber bullet is fired into a 1 inch thick laminated Lexan plastic block. All the kinetic energy of the bullet hasbeen absorbed by the plastic.

FIGUM 2.11Bullet in a Lexan block.

EXAMPLE 2.4

Determine the muzzle velocity of a weapon fired point blank into a ballistic pendulum causing the pendulum to deflect 150.

The mass of the pendulum is 5.0 kg, the mass of the projectile is 0.01 kg, and the length of the pendulum support cableis 1.5 m (Figure 2.12).

5 .O kg

FIGUH 2.12Example 2.4.

m-0.01 kg

(Continued )

E~PLE 2.4 (Continued )

SolutionFrom Eq. (2.19), we compute the muzzle velocity as

=(I+ ~ e)[2gR(I - cos q)]1/2 = (1 + Ol~)[2(9.81 m/s2)( 1.5 m)(I - cos I 5o)]1/2

= 5.0 x 102 m/s

Exerdses6. To bring down large game requires at least 2500. ft ' Ibf of impact energy (the impact energy of a high-speed projectile is

its kinetic energy on impact). Determine the necessary impact velocity for the following projectiles (recall that there are7000 grains in I Ibm): (a) a 200. grain bullet, (b) 300. grain bullet, and (c) a 500. grain bullet. Answers: (a) 2370 ft/s,(b) 1940. ft/s, (c) 1500 ft/s.

7. Determine the displacement angle produced when a 0.3125 Ibm baseball traveling at 90.0 miles per hour is "caught" by

a ballistic pendulum having a 3.00 ft support cable and a mass of 180. Ibm. Answer: 1.330.

2.12 CONSERVATION OF MASS

An important application of the balance equation is to one of the basic conserved physical quantities, mass.Since mass is conserved in all nonnuclear reactions, its net production in any system is zero. Therefore,Eq. (2.10) tells us that the mass balance equation has the form

J Net gain in mass by the [ _ J Net mass transported into [

I system during time dt [ - [ the system during time dt [(2.20)

This statement can be cast in mathematical form via Eq. ( 2 . 11) as mG = mT (since mp = 0), and Eq . ( 2.1 2)

provides the rate form of this balance equation as mG = mT (since mP = 0) . In more precise mathematicallanguage, the mass balance (MB) measured over some time interval dt can be written as

Mass balance (MB) over time dt = (dm)system - Smin - Smout (2.21)

and the mass rate balance (MRB) becomes(2.22)Mass rate balance (MRB) - (d ~ - Smin - Smnut

One of the most common uses of the conservation of mass balance equation is in chemistry. Chemical reactionequations are simply mass balances. Though reaction equations are not usually written as equalities, the left-'handside is the total mass of reactants used and the right-'hand side is the total mass of products produced by the reac-tion. Since mass is conserved in chemical reactions, these two masses must be equal. For example, the reaction

indicated by the equation A + B = C + D means that the mass of A plus the mass of B is the same as the mass of Cplus the mass of D. These equations are valid either for individual molecules or groups of molecules that bear thesame reaction relation as the individual molecules. These molecular groups, called mo/es, form the macroscopicbasis for chemistry and chemical engineering. This concept is illustrated in the following example.

E~PLE 2.5The total mass of a system is conserved in a chemical reaction, but the mass of any particular chemical species is not neces-sarily conserved. Show that the following chemical reaction is just a dosed system mass balance for the chemical speciesinvolved:

naA+ nbB ncC+ ndD

where A, B, C, and D are the chemical species, and na, nb, no and nd are their molar amounts.

SolutionWhen a chemical reaction occurs in a closed sYstem, the mass transport term vanishes and then a mass balance for a chemicalspecies X becomes "the mass of X gained in the reaction must equal the mass of X produced by the reaction and this must equal the

change in the mass of X due to the reaction".. mGx - mpx - dmx. Then, for a chemical reaction in a dosed system, the massbalance for each of the chemical species present can be written as

mGA - mPA - dmA

mGB - mPB - dmB

mGG - mPG - dmG

mGD - mPD - dmDIf we add these equations together, we get

dmA + dmB + dmG + dmD - mPA + mPB + mPc + mPD

Now, since total mass must be conserved, it follows that

? rnP - mPA + mPB + mPc + mPD - 0

then the previous equation can be written as

dmA + dmB - -dmG - dmD

If we now convert this equation into a molar equation by dividing each mass term by its corresponding species molecularmass, then this equation becomes the stoichiometric chemical reaction equation naA + nbB ncC + ndD, where

dmA dmcna - MA-- . nc - - MG--

dmB . _ dmDnb - MB-- nd - - MD--

and MA, MB, MG, and MD are the molecular masses of chemical species A, B, C, and D. Consequently, all stoichiometric

chemical reaction equations are just molar mass balances that utilize the conservation of mass law.

SUMMARY7

In this chapter, we provide the definitions of many of the concepts necessary in the development of thermodynamics.First, we review the phases of matter and define thermodynamic equilibrium. Then we see that one of the fundamentalelements underlying modem technology is the thermodynamic processes that systems undergo. Next we reexamine andexpand the pressure and temperature scales information given in Chapter I . The zeroth jato of thermodynamics is foundto provide an axiomatic way to develop temperature measurement technology, and the continuum hothesis is foundto be a useful and valid analysis tool so long as the system's dimensions are very large compared to those of themolecules it contains. The balance and consertation concepts round out the chapter with an important discussion ofthe form of all the equations used to represent the basic thermodynamic laws in this book.

Some of the more important equations introduced in this chapter are as follows.

1. The equations for the conversion of temperature units, Eqs. (2.1)-(2.4):

T () - T( ) + 32 = T(R) - 459.67

T( ) - [T () - 32] = T(K) - 273.15

T (R) - T (K) - 1.ST(K) = T () + 459.67

T(K) - T (R) - T(R)-- = T( ) + 273.15` ' 9 ` ' 1.8 ` '

2. The equation for absolute to gauge pressure conversion:

Absolute pressure = Gauge pressure + Local atmospheric pressure

7 Well, what do you think of this course so far? Isn't this a fascinating subject? I know, I know, it is a little vague right now, but it gets better.

4. The ballistic equation, (2.19), is

cOsq)]1/2

5. The conservation mass, or mass balance (MB), Eq. (2.21), is

Mass balance(MB) over time dt = (dm)system - Smin - Smom

and the mass rate balance (MRB), Eq. (2.22), is

Mass rate balance(MRB) = ()sysrem = Smin - S mom

Table 2.2 Glossary of Technical Terms Introduced in Chapter 2thermodynamics The science and technology that deal with the laws that govern the transformation of energy

from one form to another

thermodynamic system A volume containing the item chosen for thermodynamic analysis

system boundary The surface of a thermodynamic system

isolated system Any system in which neither mass nor energy crosses the system boundary

closed system Any system in which mass does not cross the system bounda, but ene may cro thesyem boun

open stern Any stem in whbh both mass d en may cro the sy boun

phi phe A molelar congutbn of maHer, tegoHzed eith sol, Iuid, or vor (or gas)

pure subsce A subsce nning a unorm emfI compitbn in all its phi states

horneneous syst A stern containing only a single phi pha of a subs

simp subsce A homogeneous pure subsce

theodamic state The conditbn of a theodamb syst as spd by the values of s indendttheodamb propi

theodamic prope Any adeHstic of a thmynb stern that pds on the systs theodamicstate and indendt of how that state is achved

theodamic equation of state A foula reting the dennt and indepnt props of a syst

intsive prop Any prope of a horneous syst that is indendent of the stern mass

esive prop Any prope of a horneous syst that dends on the ms of the stern

meantI uilibHum A situation whe I the meantI fors within a sy are band so that the is noa etion of the syst

theal uilibrium A situation whe the are no viations in tempature throughout the syst

pha equilibHum A situation whe no phe tnsfoatbns our whin the stern

chi equilibrium A situation whe no emf reactions our whin the stern

theodamic equilibHum A situation whe a stern ds not have the pact to spontanus chge its state aerit h be isolat

nonuilibHum theamics The study of sys that e not in thmynic uilibrium

theodamic pr ses The path of theodamic stat that a stern pses through as it gs from inmal stateto a n state

theodamic cycle A situation whe the nal theodamic state of a pross idti with the inititheodamb state of the prmess

standd atmosphb pressure 14.696 psia, 29.92 ines of m, 101.325 kPa absolute

ablute prsure Gauge pressure plus the Im atmpheHc prsure

gauge pressure Absolute pressure minus the Im atmpheHc prsure

ablute zo tempature -273.1500 or -9.67oF

zoth law of thermami If stern A in thmal equilibHum with (i.e., is the same tpeture as) syst C, dstern B in theal equilibHum wh syst C, then stern A is in theal uilibrium whstern B

the continuum hypothes ge sterns ma up of my discrete molul or atoms may be treated as though theywere made up of a ntinuous mati

mbrospb syst anys e alis of a stern at the atomic vel.

statistiI thmynbs e study of atomb I (i.e., mi opb) sterns

macrospic syst anys e alis of a stern at the continuum I

the bance equation An uatbn that a unts for all the anges in some quanti whin a stem

the conseNatbn npt If a quti neith produced nor destroyed, th it is said to be conseN

Problems (* indicates problems in SI units)Define the following terms: (a) thermostatics, (b) open system,

c) extensive property, (d) equilibrium, and (e) zeroth law.Define the following terms: (a) thermodynamics, (b) dosedsystem, (c) intensive property, (d) maaoscopic analysis, and (e)isolated system.A mixture of 1.0 kg of oxygen and 2.0 kg of hydrogen atatmospheric temperature and pressure are placed in a dosedcontainer. Explain (a) whether or not this mixture is a puresubstance, and (b) whether or not it is a homogenous substance.Dry ice (solid CO2) and CO2 vapor are in a sealed rigidcontainer. Does the CO2 in this system constitute (a) a puresubstance, (b) a homogenous substance, (c) a simple substance?Which of the following are extensive properties?

d) Temperature, (b) volume, (c) density, (d) work, (e) mass.Are the following extensive or intensive properties? (a) Totalenergy, (b) temperature, (c) pressure, (d) mass.Identify whether the following properties are intensive orextensive: (a) Specific energy, (b) total energy, (c) temperature,

e) molar mass.Explain how color could be a thermodynamic property andindicate whether it would be an intensive or extensive property.Let us say we have 2.00 ft3 of a liquid/vapor mixture of motoroil at 70.OoF and 14.7 psia that weighs 97.28. Ibf whereg = 32.0 ft/s2. List the values of three intensive and twoextensive properties of the oil.There once was a man who had 1.00 m3 of air at 20.OoEC and

0.100 MPa with a specific volume of 0.840 m3/kg List thevalues of three intensive and two extensive properties of his air(Figure 2.13).

c. An isolated system is completely uninfluenced by the

surroundings.

d. A thermodynamic property is a quantity that depends on the

state of the system and is independent of the process path by

which the system arrived at the given state.

e. When a system in a given state goes through a number of

processes and its final temperature is the same as the initial

temperature, the system has undergone a thermodynamic

cyde.

Identify the proper type of system (isolated, dosed, or open) to

be used in the analysis of each of the following and explain the

reasons for your choice: (a) the Um.verse, (b) a kitchen

refrigerator, (c) an electrical generator, (d) a hydraulic pump,

e) ) a living human being.

Determine the proper type of system (isolated, closed, or open)

to be used in analyzing each of the following items and explain

the reasons for your choice: (a) a bicyde, (b) a personal

computer, (c) a stereo system, and (d) a lawn water sprinkler.

Establish the correct type of system (isolated, dosed, or open)

to be used in analyzing each of the following items and

explain the reasons for your choice: (a) the solar system,

f) ) a carbonated drink dispensing machine, (c) an insulated

box of fruit buried deep in the ground, and (d) a lightbulb.

Which of the basic types of systems (isolated, dosed, or open)

should be used to analyze each of the following items

and explain the reasons for your choice: (a) a flying insect,

g) ) a black hole, (c) Niagara Falls, and (d) the great soaring

Whipple bird of Mars.

As chief engineer for Thermodynamic Analysts Inc., your job is

to determine the proper type of system (isolated, dosed, or

open) to be used in analyzing each of the following items

submitted to your company and to explain the reasons for your

choice: (a) a water pistol, (b) a flashlight battery, (c) a rubber

boot, and (d) 2 kg chocolate fudge candy in a thermally

insulated box buried deep in the Andes mountains.

An alien spacecraft has abducted you from a NASA space station

and demands to know the type of system (isolated, dosed, or

open) NASA uses to analyze each of the following items, plus an

explanation of the reasons for the choice: (a) the space station

itself, (b) your pocket computer, (c) a can of tuna fish, and

h) ) an old Madonna movie.

An automobile internal combustion engine by itself is an open

system because it draws in air and exhausts combustion

products. How could one construct system boundaries around

an operating internal combustion engine to cause it to become a

dosed system?

Determine the specific volume of liquid water at 20.OoC that has

a density of 998.0 kg/m3.

Determine the mass of ammonia having a specific volume of

35.07 ft3/Ibm in a container measuring exactly 3 ft by exactly

2 ft by exactly 1 ft.

Determine the volume of liquid mercury with a density of

3.87 kg/m3 having a mass of 2.00 kg.

A system consists of a mixture of 2.00 ft3 of a liquid having a

density of 50.0 Ibm/ft3 and 4.00 Ibm of a second liquid having

a specific volume of 0.0400 ft3/Ibm. The specific volume of

the mixture in the system in ft3/Ibm is (a) 0.208, (b) 2.08,c) ) 0.022, (d) 2.048, or (e) none of these.

1.

2.

3.*

4.

5"

6.

7.

8.

9.

10.*

14.

15"

16.

17.

18.*

19.

20.

21.*

22.

Intensive properties

I. 2.

3.

Extensive properties

I.

2.

FIGUH 2.13Problem 10.

A woman once collected 2000. Ibm of seawater at 50.OoF and14.7 psia that occupied a volume of 56.0 ft3. List the values ofthree intensive and two extensive properties of her seawater.How many independent property values are required to fix thestate of a pure substance subject to only one work mode?Determine whether the following statements are true or false:

a. The mass of a closed system is constant and its boundariesare not movable.

b. An open system is defined as a system that can exchangeonly heat and work with its surroundings.

11.

12.

13. 24.

The equilibrium state of carbon at atmospheric pressure andtemperature is graphite. If diamond is the equilibrium form ofcarbon only at very high pressures and temperatures, then whydoes diamond exist at atmospheric pressure and temperature?Water in equilibrium at 70.OoF and 14.7 psia is in the liquidphase. If solid ice is in an equilibrium phase only at 32.OoF orlower at atmospheric pressure, why does solid ice still existwhen you take it from the freezer and put it on the table atroom temperature?Sketch the following process paths on pv coordinates startingfrom state (pl, vi ).

a. A constant pressure (isobaric) expansion from (pl, vl) to

(p2, V2), where 12 = 2v1.

b. A constant volume (isochoric) compression from (p2, V2) to

(p3, U3), where p3 = 2p2.

C. A process desaibed by p = pl + k(vl), where k is a constant,

from (p3, v3) back to (pl, vi) again.Sketch the following thermodynamic cyde on p - coordinatesfor a substance obeying the ideal gas equation of state, = mRT.a. An isothermal compression (i.e., decreasing volume) from

(pl, ) to (p2, ).b. An isobaric (i.e., constant pressure) expansion (i.e.,

increasing volume) from (p2 , ) to (p3, 3).

c" An isothermal expansion from (p3, ) to (p4 , 4).d. An isochoric (i.e., constant volume) depressurization from

~An lAn ~ o ~ocommprpres~ ofr mm (p~ ))toto(p~ ~ '

c. An isobaric expansion from (p3, ) to (p4 , ).d. An isothermal expansion from (p4 , 4) tO (p5 ,

).

e. An isochoric decompression from (ps, ) back to

(pl, ).Sketch this cyde on pressure-volume coordinates.Convert (a) 20.DOC into R, (b) 1.OOoC into OF, (c) 56.OoFinto oC, (d) 253oC into K and (e) 1892oF into RConvert (a) 32.OoF into oC, (b) 500. R into OF, (c) 373 Kinto oC, (d) 20.DOC into R, and (e) -155oF into KConvert (a) 12.DOC into OF, (b) 6500. K into oC, (c) 1500. Rinto OF, (d) 120.OF into K, and (e) -135oC into KConvert (a) 8900. R into K, (b) -50.DOC into OF, (c) 3.00 K intooC, (d) 220.oC into R and (e) 1.00 x 106oF into oC.

Convert the following temperatures into kelvin:(a) 70.OoF,(b) 70.DOC, (c) 70.0 R, and (d) 70.00 Reaumur. The Reaumurtemperature scale was developed in 1730 by the French scientistRene Antoine Ferchault de Reaumur (1683-1757). The freezing

which moved the body temperature from 96.0 to 98.6oF. Usingthe oina/ Fahrenheit scale (freezing point of water = 32.OoFand body temperature = 96.OoF), determinea. The temperature of the boiling point of pure water.

b. The conversion formula between the original Fahrenheit and

the modem Celsius temperature scales.Convert the following pressures into the proper SI units:a. 14.7 psia.

b. 5.00 atmospheres absolute.c. 1.00 x 105 dynes/cm2 absolute.

d. 30.0 Ibf/ft2 gauge.

e. 12.4 poundals/ft2 absolute.

Convert the following pressures into psia:f. 1000. N/m2 gauge.

g. 3.00 MPa-absolute.

h. 11.0 Pa-gauge.i. 20.3 kN/m2 absolute.

j. 556 GPa-absolute.Will the continuum hypothesis hold for the followingthermodynamic states (and why)?k. Air at 20.DOC and atmospheric pressure.

l. Liquid water at 70.OoF and 14.7 psia.m. Steam at 1.00 psia and 100.OF.n. Steam at 1.00 MPa absolute and 100.C.

o. Air at 1.00 mN/m2 absolute and 10.0 KConvert the following pressures into MPa-absolute:p. 100. psigq. 2,000. kPa-absolute.

r. 14.7 psia.s. 1.00 Pa gauge.

t. 500. N/m2 absolute.Convert the following pressures into Ibf/ft2 absolute:u. 14.7 psia.v. 100. Ibf/ft2 gauge.

w. 0.200 MPa-absolute.

x. 1200. kPa-gauge.

y. 1500. psig.Convert the following pressures into N/m2 absolute:z. 0.100 MPa-absolute.

aa. 14.7 psia.bb. 25.0 psigcc. 100. Pa-absolute.

dd. 100. Pa-gauge.In the late lSth century, it was commonly believed that heatwas some kind of colorless, odorless, weightless fluid. Today weknow that heat is not a fluid (it is primarily an energy transportdue to a temperature difference), but we still have many oldphrases and terms in our everyday and technical language thatimply that heat is a fluid (e.g., heat "pours" out of a hot stoveor heat always "flows" down a temperature gradient and so on).Discuss whether or not heat can be generated or absorbed, andusing the balance concept, discuss whether or not it is aconserved quantity.In Example 2.2, the Malthus population law was evaluated andfound to produce an exponential growth or decay in the size ofthe population. A more sophisticated population model indudesthe effects of birth and death rates that vary linearly with theinstantaneous size of the population as

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35"43.

Birthrate = al -blN