UNIDAD1

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UNIDAD 1CONCEPTOS BSICOS1. Qu es la termodinmica y energa

La palabra termodinmica proviene del vocablo griego termos (calor) dynamics (potencia).

Es la ciencia que estudia los cambios de energa y transformaciones incluida la produccin de potencia y la refrigeracin.

Aspectos importantes

A. ley de conservacin de energa, establece que la energa en un proceso puede cambiar de forma, pero la cantidad de energa total permanece constante, la energa ni se crea ni se destruye, si no que se transforma.

B. Aspectos historicos: Desde la creacin del universo han existido los procesos termodinmicos, esta aparece como ciencia hasta la construccin de la maquina de vapor en Inglaterra, por Thomas Savery en 1697.

La primera y segunda ley de la termodinmica fueron postulados simultneos en la decada de 1850, por los trabajos de William Ranking, Rudolph Clausius, Lord Kelvin.

El trmino de termodinmica es utilizado por primera vez en 1849 por Lord Kelvin, en su obra maestra. El primer libro de termodinmica lo escribi William Ranking. La termodinmica es aplicada en cualquier actividad de ingeniera y en nuestra vida se aplica en la cocina, en el carro, en el refrigerador, en el aire acondicionado.

2. DIMENSIONES Y UNIDADES

Las cantidades fsicas se caracterizan mediante dimensiones y las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades

a) Dimensiones Elementales o fundamentales

Masa (m)

Longitud(L)

Tiempo(t)

Temperatura(T)

b) Dimensiones secundarias o derivadas

Velocidad (v) l/t

Volumen (V)L3

Energa (E) w/t

c) Homogeneidad adimensional

Se debe hacer un anlisis dimensional, el cual debe ser consistente.3. PROPIEDADES DE UN SISTEMA

a) Sistema termodinmico: es una cantidad de materia o una regin de espacio seleccionada para ser estudiada.b) Alrededor o Entorno: es la masa o la regin que rodea a un elemento, volumen o sistema.

c) Frontera: es la superficie real o imaginaria que separa a nuestro sistema con los alrededores, la frontera puede ser fija o mvil.4. CLASES DE SISTEMA

Cerrado: no existe cambio de masa pero si puede existir de trabajo y energa

Abierto: si hay intercambio de masa y energa.

Aislado: no existe transferencia de energa ni de masa.

Proceso Adiabtico: En termodinmica se designa como proceso adiabtico a aqul en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabtico que es adems reversible se conoce como proceso isoentrpico.Eje: calormetro:

Nota: las relaciones y fundamentos termodinmicos aplicables a sistemas cerrados son diferentes a sistemas abiertos, por lo que es importante identificar el tipo de sistema antes de iniciar su estudio y anlisis.

ANLISIS Qu es un sistema diatrmico?

4. Formas de energaLa energa en la naturaleza puede existir como:

Trmica,

por potenciales trmicos Mecnica,

por diferencia de fuerzas Cintica,

originada por el movimiento ec = mv2/2 Potencial,

originada por diferencia de posicin de nivel con respecto al centro de gravedad

Elctrica,

por potenciales elctricos

Magntica, por campos magnticos y potenciales magnticos

Qumica,

por fuerzas de cohesin moleculares y de reacciones

Nuclear, por accin de electrones y protones en el tomo de partculas.

Energa total: ec+ep+eel+eq+enOtras Formas de estudiar la energa

Energa Macroscpica: son los que tiene un sistema como un todo

Energa Microscpica: se relaciona con la estructura de un sistema y el grado de su actividad molecular U= energa interna.

ANLISIS Por qu tendr mayor energa interna un gas que un lquido y que un slido?5. ESTADO DE EQUILLIBRIO

Estado: son todas las condiciones y propiedades que describen o definen un sistemaEn un sistema cerrado se fijan sus condiciones es decir que el sistema est definido y si se cambia uno de esas condiciones su estado cambia por ejemplo

Equilibrio: un sistema esta en equilibrio cuando las condiciones que lo definen no sufren cambio con el tiempo ni el espacio

5.1 CLASES DE EQUILIBRIOEn referencia a las condiciones de equilibrio existen infinidad de relaciones de condiciones de equilibrios segn las conveniencias para estudiar un proceso entre los ms usuales son:

Equilibrios trmicos, qumicos, mecnicos, y de fase entre otros.5.2 Procesos

Cualquier cambio que experimenta un sistema de un estado a otro se denomina proceso por ejemplo..Proceso de calentamiento, fermentacin, compresin, entre otros.

5.2.1 clasificacin de los procesos

Proceso isotrmico se realiza a temperatura constante

Proceso isobrico se realiza a presin constante

Proceso isocorico o isotrmico se efecta a volumen constante

Proceso isoentalpico se realiza a entalpa constante

Proceso isentrpico se realiza a entropa constante

Procesos reversibles o cclicos, cuando las condiciones iniciales y finales de un proceso son iguales y no se observan cambio. El caso contrario es el irreversible.

5. LEYES DE LA TERMODINMICALey cero: el calor se transfiere de un sistema de mayor temperatura a uno menor

Ley primera: principio de la conservacin de la energa

Ley segunda: la cual afirma que los procesos suceden en cierta direccin, que la energa tiene calidad y eficiencia.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS

Objetivo conocer y estudiar el concepto de sustancia, mezclas, fases, cambio de fases y propiedades de una sustancia.

1. Sustancia pura: es aquella que tiene ms condiciones qumicas fijas por ejemplo agua, helio, nitrgeno, dixido de carbono.

Una mezcla de varias sustancias puras se puede catalogar como tal, pero si estn en estado homogneo.

2. Una fase: es un arreglo molecular diferente, homogneo en todas sus partes y que separa de las otras fases por fronteras identificables por las condiciones de estado por ejemplo: el agua a temperatura ambiente es lquida pero si la Temperatura aumenta se convierte a gas y si la temperatura baja se convierte a slido

3. Cambio de fase: desde el punto de vista termodinmico para estudiar los cambios de fase no es indispensable conocer la estructura molecular de una sustancia, pero si es muy til entender el fenmeno molecular que se da en cada fase. Por ejemplo:

Los enlaces fuertes se dan en los slidos y los ms sencillos se dan en un gas

Las fuerzas intermoleculares se dan ms fuertes en un slido que en un gas

La energa interna se da mayor en los gases despus en los lquidos y por ltimo los slidos

Anlisis, Antes de condensar un gas porqu se debe liberar una gran cantidad de energa.

4. PROCESOS DE CAMBIO DE FASE DE UNA SUSTANCIAExisten varias situaciones prcticas en que dos fases de una sustancia pura existen en equilibrio. Por ejemplo:

En un condensador agua (liquida) y agua (vapor)

En un refrigerador agua (solidad) y agua (liquida)

5. LQUIDO COMPRIMIDO o SUB ENFRIADOPor ejemplo cuando se tiene agua a temperatura de 20C y presin de una atmsfera, el agua estar en estado lquido, ahora si se pasa a un pistn y se comprime continuara en estado lquido o subenfriado, es decir que no se lograr el punto de evaporacin

6. LIQUIDO SATURADO

Sustancia que est a punto de evaporarse, es decir se presenta pequeas trazas de vapor y gran cantidad de fase lquida

7. VAPOR SATURADO

Sustancia que se encuentra en vapor pero que est a punto de condensar, es decir que se encuentra una mezcla de gas y lquido

VAPOR SOBRECALENTADOEs aquella sustancia en la cual a pesar de que disminuya la temperatura no condensa.

Este proceso se da a presin constante con variacin de temperatura y en un diagrama de temperatura vs presin se puede representar de la siguiente forma:

FACTORES DE COMPRESIBILIDAD

Es un factor que corrige la desviacin del comportamiento ideal, , es cuando un gas est muy cerca de la temperatura critica o de la temperatura de vapor saturado

La ecuacin queda de la siguiente forma:

PV = ZRT

Donde Z =1 para gases ideales

Z> 1 o Z< 1 para gases reales

Anlisis: un gas se comporta como un gas ideal a temperatura alta y presin baja, pero en realidad esto depende de la presin critica t temperatura critica de un gas, y cuando se encuentra lejos de estas propiedades, pero experimentalmente se dice que se comporta de la misma manera a temperaturas y presiones normalizadas, respecto a su TC y Pc.

Presin reducida es la relacin de Presin con la presin criticaPR=P/Pc

Temperatura reducida es la relacin de la temperatura con la temperatura criticaTR= T/Tc

Conocidas estas condiciones se puede utilizar la grafica para sustancias puras, para calcular el factor de compresibilidad Z,

PIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

La primera ley de la termodinmica o Primer Principio de la termodinmica es una aplicacin de la ley universal de conservacin de la energa a la termodinmica y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energa. Uno de los enunciados de la primera ley de la termodinmica es el siguiente:

El incremento de la energa interna de un sistema termodinmico es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores.

Conservacin de la energa

La ley de la conservacin de la energa constituye el primer principio de la termodinmica y afirma que la cantidad total de energa en cualquier sistema aislado (sin interaccin con ningn otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energa puede transformarse en otra forma de energa. En resumen, la ley de la conservacin de la energa afirma que la energa no puede crearse ni destruirse, slo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energa elctrica se transforma en energa calorfica en un calentadorAplicaciones de la Primera Ley Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, as como puede realizar trabajo de frontera.

La ecuacin general para un sistema cerrado (despreciando energa cintica y potencial) es:

Q W = UDonde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de ste), W es el trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de ste) e incluye trabajo elctrico, mecnico y de frontera; y U es la energa interna del sistema.

Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, as como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, tambin puede realizar trabajo de frontera.

La ecuacin general para un sistema abierto es:

EL Calor

Es una forma de energa asociada al movimiento de los tomos, molculas y otras partculas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones qumicas (como en la combustin), nucleares (como en la fusin nuclear de los tomos de hidrgeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipacin electromagntica (como en los hornos de microondas) o por disipacin mecnica (friccin). Su concepto est ligado al Principio Cero de la Termodinmica, segn el cual dos cuerpos en contacto intercambian energa hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe resear la radiacin, la conduccin y la conveccin, aunque en la mayora de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformacin que se efecte sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energa interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energa interna (energa trmica) de un sistema a otro, con la condicin de que estn a diferente temperatura.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Conduccin: hace referencia a la transferencia intermolecular, o sea de molculas a molculas y se da en slidos, lquidos y gases.

Conduccin: en gases y lquidos se debe al movimiento intermolecular en slido a la vibracin de molecular.

Ley de conduccin ley fourier Q=-KAdt/dx

Indica que el calor conducido enana direccin es proporcional al gradiente de temperatura en una direccin especfica.

Q = -kAdt/dx

-KA(T2 T1)/x

K cuando es grande los elementos altamente conductibles metales, vidrios

K cuando es menor para elementos pobres en conduccin por ejemplo madera, agua.

Conveccin es la transferencia de un slido y un gas o lquido en movimiento

Conveccin forzada se forza la circulacin del aire por medio de equipos mecnicos

Convencin natural se hace circular agua de forma natural

Ley de enfriamiento de Newton Q=hA( Ts Tf )

Q= tasa de flujo de calor

h= coeficiente de transferencia de calor por conveccin

A = rea en la cual ocurre la transferencia de calor

Ts= Temperatura del slido

Tf= Temperatura fluido

El coeficiente de transferencia de calor conveccin se habla experimentalmente y es producto de la geometra del cuerpo o rea de transferencia del fluido

Radiacin es la energa emitida por ondas electromagnticas o fotn sol, foco, etc.

No se requiere la presencia de un medio, y no se disminuye o obtener en el vaco, es la formar como se trasmite la luz del sol, a la tierra.

La radiacin trmica es importante en los estudios de transferencia de calor porque es la cantidad de calor emitida por los cuerpos debido a su temperatura.

Ley de Stefan Boltzman

Donde constante de Stefan Bolztman = 5,67X10-8 w/m2k4Ts = temperatura de la superficie

El cuerpo que emite radiacin a la tasa mxima es llamado cuerpo negro

Donde es la emisividad suele estar entre 0 1 es la cantidad que emite un cuerpo para los cuerpos negros = 1.

La absorbancia suele estar entre los valor de 0 1 y es la cantidad que recibe o absorbe un cuerpos.

El calor de radiacin puede ser calculado por la siguiente relacin

EL TRABAJO

En mecnica, el trabajo efectuado por una fuerza aplicada sobre una partcula durante un cierto desplazamiento se define como la integral del producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento. El trabajo es una magnitud fsica escalar, y se representa con la letra (del ingls Work)

En termodinmica el trabajo que se realiza cuando un gas se expande o se comprime ejerciendo una presin desde un volumen A hasta otro volumen B viene dado por

El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lo tanto, no constituye una variable de estado. La unidad bsica de trabajo en el Sistema Internacional es newton metro y se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la energa. Por eso se entiende que la energa es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variacin de energa.

Criterio de signos termodinmico

El criterio de signos que se suele utilizar en termodinmica para evaluar los intercambios entre un sistema y el entorno de energa en forma de calor y trabajo es el siguiente segn la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry):

Positivo para el trabajo cedido por el sistema y el calor entregado al sistema.

Negativo para el trabajo entregado al sistema y el calor cedido por el sistema.

De este modo el trabajo se define como una transferencia de energa que puede expresarse segn la siguiente ecuacin en un proceso reversible.

Por ejemplo, en una expansin isobrica, el volumen final VB es mayor que el volumen inicial VA, luego y el sistema realiza un trabajo sobre su entorno, cediendo trabajo para pasar el estado inicial A al estado final B, luego WAB > 0.

M = 2 kg

T = 300 C

V = 2 m3

M = 1 kg

T = 400 C

V = 1,5 m3

ESTADO 1

ESTADO 2

Slido

Lquido

Gas

Presin

Temperatura

AGUA (liquido)

AGUA (liquido)

T = 20c

P= 1 atm

AGUA (liquido)

AGUA (liquido+ vapor)

T = 100c

P= 1 atm

AGUA (vapor + liquido)

AGUA (liquido)

T >= 100c

P= 1 atm

AGUA (vapor)

AGUA (vapor)

T > 20c

P= 1 atm

Liquido

Vapor

Sobrecalentadontado

Liquido +vapor

Temperatura

Presin

1

2

4

3

Q ( - ) salida de calor

Q ( + ) entrada de calor

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