I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos PDF

I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos Objetivos: 1. Definir vocabulario de uso común y explicar algunos conceptos básicos de la termodinámica. 2. Revisar brevemente el sistema métrico e inglés de unidades. 3. Introducir una técnica sistemática e intui...

I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos Objetivos: 1. Definir vocabulario de uso común y explicar algunos conceptos básicos de la termodinámica. 2. Revisar brevemente el sistema métrico e inglés de unidades. 3. Introducir una técnica sistemática e intuitiva para la resolución de problemas. 1. Termodinámica y energía. La termodinámica puede ser definida como la ciencia de la energía. El nombre termodinámica viene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza). La energía puede ser vista como la habilidad de causar un cambio. Principio de conservación de energía. Es una de las leyes fundamentales de la naturaleza, establece que durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra pero la cantidad total de energía permanece constante. Esta es la primera ley de la termodinámica. PPT elaborado por Arturo 1 Arosemena  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 1. Termodinámica y energía. Segunda ley de la termodinámica. La energía tiene tanto calidad como cantidad, y los procesos reales ocurren en la dirección de decremento de calidad de la energía. Ver figura 1.5 del libro de texto para más aplicaciones. 2. Importancia de dimensiones y unidades. Áreas de aplicación de la termodinámica Cualquier cantidad física puede ser caracterizada por dimensiones y las magnitudes asignadas a las Prácticamente todas las actividades en la naturaleza dimensiones se conocen como unidades. involucran interacciones entre energía y materia, por lo tanto todas están relacionadas de alguna forma a la Hay dimensiones básicas o primarias y dimensiones termodinámica. secundarias o derivadas. 2  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 2. Importancia de dimensiones y unidades. Los alrededores constituyen toda aquella región fuera del sistema. La frontera es la superficie real o imaginaria que separa a un sistema de sus alrededores. Dicha frontera puede ser fija o móvil y al ser representada esquemáticamente se supone no contiene masa ni ocupa espacio. Las dimensiones presentaran determinadas magnitudes dependiendo del sistema de unidades empleado (sistema internacional SI o sistema ingles). Para más detalles refiérase a la sección 1.2 del libro de texto. Un sistema cerrado o masa de control es un sistema 3. Sistemas y volúmenes de control. de masa fija. En un sistema cerrado puede haber Un sistema puede ser definido como una región en el transferencia de energía siempre y cuando no este espacio seleccionada para su estudio. Los sistemas aislado. pueden ser abiertos o cerrados. 3  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 3. Sistemas y volúmenes de control. Un sistema abierto o volumen de control es aquel en donde puede haber transferencia tanto de masa como de energía a través de su frontera. Puede presentar frontera fija o móvil al igual que el sistema cerrado, pero es más común que su frontera sea fija (de ahí el nombre de volumen de control). En general, cualquier región en el espacio puede ser seleccionada como volumen de control, pero dicha elección suele hacerse de manera tal que se facilite el análisis del sistema. 4  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 4. Propiedades de un sistema. Medio continúo Una propiedad es cualquier característica de un La materia está constituida por átomos sistema (temperatura, presión, volumen, o masa por ampliamente espaciados en el caso de la fase ejemplo). Las propiedades pueden ser intensivas o gaseosa. Sin embargo, cuando el tamaño del sistema extensivas. es relativamente grande en comparación con el espacio entre las moléculas (grupos de átomos) la Las propiedades intensivas son aquellas materia puede ser idealizada como un medio independientes del tamaño o extensión del sistema continuo. (temperatura, presión, o densidad). La idealización de medio continuo permite tratar a Las propiedades extensivas son aquellas que si las propiedades como funciones puntuales que dependen del tamaño o extensión del sistema (masa varían continuamente en el espacio sin que existan total o volumen total por ejemplo). Una propiedad discontinuidades. extensiva puede volverse intensiva al ser dividida por unidad de masa. A dichas propiedades se les conoce 5. Densidad y gravedad específica. como propiedades específicas. La densidad 𝜌 es definida como masa 𝑚 por unidad de volumen 𝑉. Su reciproco es el volumen especifico 𝑣. 1 𝑚 kg 𝜌= = 𝑣 𝑉 m3 5  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 5. Densidad y gravedad específica. a una temperatura específica (generalmente es agua a 4 °C, 𝜌H2 O = 1000 kg/m3). 𝜌 SG = 𝜌H2 O La densidad de una sustancia, en general, depende de dos propiedades intensivas. En el caso de la mayoría de los gases es directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. En el El peso específico 𝛾𝑠 es el peso de una sustancia 𝑊 caso de los líquidos y sólidos, que suelen ser por unidad de volumen 𝑉. considerados como sustancias incompresibles, la variación de la densidad con respecto a la presión es 𝑊 N 𝛾𝑠 = = 𝜌𝑔 prácticamente despreciable. 𝑉 m3 La gravedad específica o densidad relativa SG es la Donde 𝜌 es la densidad de la sustancia y 𝑔 es la razón de la densidad de una sustancia con respecto a gravedad. la densidad de alguna otra sustancia de referencia 6  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 6. Estado y equilibrio. Un estado constituye una condición del sistema en donde todas las propiedades tienen definidos valores fijos. Al cambiar siquiera el valor de una propiedad, el estado del sistema también cambiará. Postulado de estado Un estado de un sistema compresible simple (de densidad no constante y en donde no actúan efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, entre otros) será especificado por completo por dos propiedades intensivas independientes. La termodinámica trata con estados de equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado de balance y un sistema no está en equilibrio termodinámico a menos Solo en sistemas de una sola fase, la que se cumpla con todos los tipos relevantes de temperatura y la presión, constituyen equilibrio (térmico, mecánico, de fase, químico por propiedades independientes. ejemplo). 7  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 7. Procesos y ciclos. Un proceso es cualquier cambio que sufra un sistema de un estado de equilibrio a otro. Un proceso es descrito por completo al especificar el estado inicial, el estado final, el camino recorrido, y las interacciones con los alrededores. Un camino o recorrido constituye el conjunto de estado a través de los cuales pasa el sistema durante el proceso. Un proceso de quasi-equilibrium es aquel lo suficientemente lento para que el sistema se ajuste internamente de forma tal que las propiedades en una parte del sistema no cambien más rápidamente que en el resto del sistema. Permanece infinitesimalmente cerca al estado de equilibrio en todo momento. Este es un proceso ideal. 8  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 7. Procesos y ciclos. Los procesos de quasi-equilibrium son de relevancia porque son fáciles de analizar y porque un dispositivo que produce trabajo operaría a su mayor eficiencia si siguiera este proceso. El prefijo iso se utiliza para designar un proceso en donde alguna propiedad se mantiene constante. Isotérmico 𝑇 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Isobárico 𝑃 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Isocórico o 𝑣 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 isométrico Un ciclo se refiere a un proceso en donde el estado inicial y final son idénticos una vez finaliza el recorrido. Procesos de estado estable Uniforme significa que no hay cambios con respecto al espacio en una región específica. Estable o estacionario significa que no hay cambios con respecto al tiempo. Lo opuesto a estable sería no Un proceso de estado estable es aquel en donde un estable o transitorio. fluido fluye a través de un volumen de control de forma estable. Es decir, las propiedades del fluido no varían con el tiempo durante el proceso. 9  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 7. Procesos y ciclos. Procesos de estado estable Cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico ambos presentan la misma temperatura (medida 8. Temperatura y ley cero de la termodinámica. por un termómetro), incluso sino se encuentran en contacto. El equilibrio térmico entre dos cuerpos se alcanza cuando ambos presentan la misma temperatura y la Escalas de temperatura. transferencia de calor se detiene. El único requisito Las escalas de temperatura constituyen una base para que se alcance este equilibrio es la igualdad de común para las medidas de temperatura y están temperatura. basadas en estado de sustancias fácilmente La ley cero de la termodinámica establece que si dos reproducibles como el punto de congelación y cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un ebullición del agua. Escalas de este tipo incluyen la tercer cuerpo, ellos también estarán en equilibrio escala de grados centígrados (°C, SI) y la escala de térmico entre sí. La ley cero sirve como base para la grados Fahrenheit (°F, sistema inglés). validación de mediciones de temperatura. 10  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 8. Temperatura y ley cero de la termodinámica. 𝑇 K = 𝑇 °C + 273.15 Escalas de temperatura. 𝑇 R = 𝑇 °F + 459.67 También existen otras escalas independientes de las 𝑇 R = 1.8𝑇 K propiedades de sustancias, llamadas escalas de temperatura termodinámica, como la escala en Tenga presente que cuando se trata con diferencias grados kelvin (K, SI) y la escala en grados rankine de temperatura ∆𝑇: (R, sistema inglés). ∆𝑇 K = ∆𝑇 °C , ∆𝑇 R = ∆𝑇(°F 9. Presión. La presión es definida como una fuerza normal ejercida por un fluido por unidad de área. Es un escalar (tensor de grado cero). En los sólidos la contraparte de la presión es el esfuerzo normal (tensor de grado dos). El pascal (Pa = 1 N/m2 ) es la unidad de presión en el sistema internacional. Existen otras unidad de presión como bar, atm, kgf/cm2 (ver equivalencia con Pa en la sección 1.9 del libro de texto). En el sistema inglés la unidad de presión es libras fuerza por pulgada cuadrada ( lbf/in2 o psi , 1 atm = 14.696 psi). 11  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 9. Presión. Considere el elemento de volumen en equilibrio La presión absoluta es medida con respecto al vacío mostrado a continuación. absoluto (presión cero absoluta). La presión manométrica, puede ser positiva o negativa (de vacío), y es medida con respecto a la presión atmosférica. En términos de unidades se suele colocar un “a” si se trata de presión absoluta o una “g” si se trata de presión relativa (psia y psig). Donde 𝑧2 = lim 𝑧1 + ∆𝑧 = 𝑧1 + 𝑑𝑧. ∆𝑧→0 Sí realizamos un balance de fuerzas en la dirección 𝑧 nos queda: 𝐹𝑧 = 𝑚𝑎𝑧 = 0 → 𝑃1 𝐴 − 𝑃2 𝐴 − 𝑤 = 0 Variación de la presión con la profundidad 12  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 9. Presión. Variación de la presión con la profundidad Aquí si se supone que la densidad 𝜌 del fluido es constante lo anterior podría re escribirse como: 𝑃1 − 𝑃2 𝐴 = 𝜌𝑔𝐴𝑑𝑧 Donde 𝑃1 = 𝑃(𝑧1 y 𝑃2 = 𝑃(𝑧1 + 𝑑𝑧 , entonces 𝑃2 se puede aproximar a 𝑃1 al realizar la expansión en serie de Taylor de 𝑃 en torno a 𝑧1 , y al evaluar en 𝑧 = 𝑧1 + 𝑑𝑧: 𝑑𝑃 𝑧1 𝑧1 + 𝑑𝑧 − 𝑧1 𝑃 𝑧1 + 𝑑𝑧 = 𝑃 𝑧1 + + 𝑑𝑧 1! 𝑑𝑃 = −𝜌𝑔𝑑𝑧 𝑑𝑃2 𝑧1 𝑧1 + 𝑑𝑧 − 𝑧1 2 +⋯ La expresión anterior hace evidente que la 𝑑𝑧 2 2! presión en un fluido estático incrementa Lo cual tras despreciar los términos de orden superior linealmente con la profundidad. nos da: 𝑑𝑃 𝑧1 𝑃 𝑧1 + 𝑑𝑧 ≈ 𝑃 𝑧1 + 𝑑𝑧 → 𝑃2 = 𝑃1 + 𝑑𝑃1 𝑑𝑧 Consecuentemente: 𝑃1 − 𝑃1 + 𝑑𝑃1 𝐴 = 𝜌𝑔𝐴𝑑𝑧 13  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 9. Presión. Ha de decirse que la presión permanece constante en todas las otras direcciones. 10. Dispositivos de medición de presión. El barómetro es un dispositivo comúnmente empleado para medir la presión atmosférica por medio de una columna de mercurio. La ley de Pascal se deriva de la situación anterior. Del balance de 𝐹1 𝐹2 fuerzas en la 𝑃1 = 𝑃2 → = dirección vertical: 𝐴1 𝐴2 𝑃atm ≅ 𝜌Hg 𝑔ℎ 14  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 10. Dispositivos de medición de presión. Para conocer acerca de otros dispositivos de El manómetro clásico es un instrumento que consiste medición de presión refiérase a la sección 1.10 de un tubo con forma de U, de vidrio o plástico, y que del libro de texto. se utiliza para medir la diferencia de presión estática 11. Técnica para la resolución de problemas. a partir de la columna de un fluido (mercurio, agua, alcohol, o aceito por ejemplo). Paso 1: Enunciar el problema. En sus propias palabras, brevemente enuncie el problema e incluya la información clave y las cantidades que deben ser determinadas. Paso 2: Hacer un esquemático. Haga un esquemático realista y simplificado del sistema físico involucrado, y liste la información relevante en esta figura. Paso 3: Suposiciones y aproximaciones. Establezca suposiciones y aproximaciones razonables para simplificar el problema y así obtener una solución. 𝑃(ℎ ℎ 𝑑𝑃 = −𝜌𝑔 𝑑𝑧 Paso 4: Leyes físicas. Aplique todas las leyes 𝑃(0 0 físicas y principios relevantes (conservación de 𝑃 ℎ − 𝑃 0 = −𝜌𝑔ℎ masa o energía por ejemplo) y reduzca las expresiones resultantes a su forma más simple 𝑃 0 − 𝑃 ℎ = 𝜌𝑔ℎ 15 empleando las suposiciones hechas.  I. Introducción y conceptos termodinámicos básicos 11. Técnica para la resolución de problemas. Paso 5: Determine las propiedades. Determine las propiedades no conocidas en los diferentes estados que son necesarias para la resolución del problema y que pueden ser obtenidas de relaciones con otras propiedades conocidas o por medio de tablas. Paso 6: Efectué los cálculos. Sustituya las cantidades conocidas en las relaciones simplificadas, obtenidas a partir de las leyes y principios físicos, y efectúes los cálculos para determinar las incógnitas. Paso 7: Razone, verifique, y discuta sus resultados. Asegúrese de que los resultados obtenidos son razonables y valide sus suposiciones iniciales. 16