Introducción y conceptos básicos Profesor: Ing. David Páez MSc
[email protected] 2017
Termodinámica
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Lectura del material del curso PREVIO A LA CLASE Control de asistencia Participación activa del estudiante No celulares/ no computadores Puntualidad – después de los 10 minutos el estudiante no podrá entrar Silencio / respeto
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Lectura del material del curso PREVIO A LA CLASE Control de asistencia Participación activa del estudiante No celulares/ no computadores Puntualidad – después de los 10 minutos el estudiante no podrá entrar Silencio / respeto
Indice •
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Energía/ sistema termodinámico. Postulado de estado/ Proceso, trayectoria y ciclo. Propiedades: masa, volumen, presión y temperatura/ temperatura/ Equilibrio térmico: ley cero de la termodinámica. Dimensiones y unidades. Escalas de temperaturas y nanómetros
Termodinámica
La siguiente información aquí presentada es extraída, extraída, modificada y acoplada para términos académicos del libro Termodinámica de Cengel*
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Cengel, Y. A.; Boles, M.A.: Termodinamica. Mc Graw-Hill, 1996. Termodinámica
Energía interna
Ecuaciones de Maxwell
Sistemas
Equilibrio Calor
Trabajo
Energía
TERMODINÁMICA
Exergía
Transformación de la energía
Entropía
Leyes de la termodinámica Balances de energía y masa
Balances de energía y masa
Termodinámica
La ciencia de la energía. “ Therme” (calor) y “dynamis” (fuerza).
Energía: la capacidad para causar cambios
Antes: Conversión del calor en energía Actualmente: Incluye los aspectos de la energía y sus transformaciones. incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. Termodinámica
Principio de la conversión de energía Ejemplos: una piedra cayendo, adquiere velocidad como resultado de que su energía potencia se convierte en energía cinética •
Una persona comiendo, si su consumo energético es mayor con respecto a su gasto de energía (ejercicio + procesos metabólicos) entonces aumentará de peso Termodinámica
Video de tipos de energía •
https://www.youtube.com/watch?v=5t30GDZ2UrI
Termodinámica
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Primera ley de la termodinámica: conservación de la energía y establece la energía como propiedad termodinámica. Segunda ley de la termodinámica: la energía tiene calidad y cantidad y los procesos
reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía
Termodinámica
Modo macroscópico, directo y fácil. Ejemplo: presión – transferencia de cantidad de movimiento entre las moléculas
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CLASICA
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ESTADISTICA Comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales. Ecuación de Schrödinger modelos matemáticos más robustos Termodinámica
Desde los organismos microscópicos Cómo? Conversiones de energía a nivel celular Reversibilidad de las reacciones químicas (Energía libre de Gibbs) Hasta los Electrodomésticos/ vehículos/ termoeléctricas Cómo ? Conversión de trabajo en energía eléctrica Eficiencia de los ciclos termodinámicos •
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Termodinámica
Sistema internacional o SI
Masa Longitud Tiempo Temperatura ------Velocidad Densidad Volumen Energía •
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Termodinámica
Masa (lbm) Longitud (ft) Tiempo (s)
1 = 0.45359 1 = 0.3048 Para dimensiones secundarias cada sistema tiene sus características
= 1 = 1 ∗ / 1 = 32.174 ∗ /
Termodinámica
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Trabajo: Es un tipo de energía / se define como una fuerza multiplicada por la distancia. Y tiene la unidad en SI de Joule
= 1 = 1
En el sistema ingles la unidad es el Btu (British Termal Unit). La energía requerida para elevar en 1 °F la temperatura de 1 lbm de agua a 68 °F. En SI la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 °C la Temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 °C se define como 1 caloría (cal)
1 4.1868 1 = 1.0551kJ Termodinámica
=
Watt es la razón de Joule sobre segundo. Para el caso de trabajo hablamos de potencia. Una unidad usada comúnmente es el caballo de fuerza hp
1 ℎ = 746 La energía eléctrica se expresa comúnmente en kilowatt-hora kWh 1 ℎ = 3600 *obsérvese que es una unidad de energía y NO de potencia Termodinámica
Todo esto para qué?
Sistemas dimensionalmente homogéneos
OJO ACA
Termodinámica
Ejercicio •
Por medio de las relaciones de conversión de unidades, muestre que 1.00 lbm pesa 1.00 lbf en la Tierra. Tenga en cuenta que la gravedad 32.174 pie/s^2
Termodinámica
Sistemas Región del espacio delimitada por fronteras o cantidad de materia para análisis. Tipos de sistemas *Aislado NO HAY INTERCAMBIO DE MASA Y ENERGÍA *Cerrado PUEDE HABER INTERCAMBIO DE ENERGÍA PERO NO MASA *Abierto o volumen de control PUEDE HABER INTERCAMBIO DE MASA Y ENERGÍA/ superficie de control=frontera
SISTEMA CERRADO La energía se intercambia entre el sistema y los alrededores en forma de Calor, Q y Trabajo, W Termodinámica
Termodinámica
Termodinámica
Propiedades de un sistema Cualquier característica de un sistema se llama propiedad 1. Presión Propiedades intensivas: que no dependen del tamaño del 2. Volumen sistema/ independientes de la masa 3. Temperatura Propiedades extensivas: dependen del tamaño o extensión 4. Masa del sistema: masa total/ volumen total 5. Conductividad 6. Viscosidad, etc. 7. Densidad •
Termodinámica
Estrategia
= / = / Termodinámica
Propiedades especificas
Densidad y densidad relativa Volumen especifico
ρ = , DR = = = 1 = f T,P
Gases- P muy significativa Solidos y liquidos compresibles- P es insignificante
Agua a 20°C y 1 atm – tiene densidad de 998 Kg/m3 Agua a 20°C y 100 atm- tiene densidad de 1003 Kg/m3 Termodinámica
Estado y equilibrio •
Un sistema que NO experimenta ningún cambio-> se le puede medir todas las propiedades. EL conjunto de propiedades describe el estado del sistema Equilibrio se alcanza cuando un sistema no presenta fuerzas impulsoras o gradientes Equilibrio térmico Equilibrio Químico Equilibrio mecánico
Termodinámica
EN RESUMEN UN EQUILIBRIO DEFINE UN ESTADO UN ESTADO SE DEFINE POR MEDIO DE PROPIEDADES
Termodinámica
NECESITO CONOCER TODAS LAS PROPIEDADES PARA CARACTERIZAR UN ESTADO? NO! Generalmente fijando x cantidad de propiedades ya puedo conocer el sistema por completo
Regla de fases de Gibbs-> TAREA Y lo veremos más adelante
Termodinámica
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Ir de un estado de equilibrio a otro involucra un proceso Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su estado inicial al final del proceso
Termodinámica
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Facilita la comprensión del ejercicio Se puede modelar más fácilmente Es una idealización
Termodinámica
Los ingenieros preferimos diagramas cartesianos donde las coordenados son T vs P o T vs V o P vs V para describir un proceso asumiendo cuasiequilibrio Isocórico- V contante Isotermico- T constante Isobárico- P constante
Termodinámica
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Estacionario
= 0 ,,,
La propiedad no cambia con respecto al tiempo Uniforme •
= 0 ,,,
La propiedad no cambia con respecto a alguna dirección
Termodinámica
Vida real tiene sentido un proceso con flujo estacionario?
Valores promedio!
Termodinámica
“Un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y
este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo C ”
Equilibrio térmico Entonces Ta=Tb=Tc
Cuerpo A a Ta
Cuerpo B a Tb
Cuerpo C a Tc Termodinámica
“Si dos o más cuerpos se encuentran a diferente temperatura y son
puestos en contacto, pasado cierto tiempo, alcanzarán la misma temperatura, por lo que estarán térmicamente equilibrados”
Cuerpo A a Ta
Cuerpo B a Tb Donde Ta>Tb>Tc
Cuerpo A a Ta
Cuerpo C a Tc
Después de mucho tiempo Termodinámica
Cuerpo B a Tb Donde Ta=Tb=Tc
Cuerpo C a Tc
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Kelvin- escala independiente de las propiedades de cualquier sustancia- escala termodinámica del SI
Cero absoluto 0K •
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Fahrenheit Celsius Rankine- escala independiente de las propiedades de cualquier sustancia- escala termodinámica del Sistema Ingles
Termodinámica
Conversiones de temperatura •
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= ° + 273 = ° + 459,67 = 1,8 ° = 1,8° + 32
Cambios o deltas de temperatura:
∆ = ∆° ∆ = ∆°
Significa que elevar la temperatura de una sustancia 10°C es lo mismo que 10K Termodinámica
Ejercicio •
Durante un proceso de calentamiento, la temperatura de un sistema aumenta en 10 °C, expresar dicho aumento en K, °F y R
Termodinámica
Presión y manómetros Presión: es la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. En sólidos hablamos de esfuerzos normal (Pa)
1 = 10 = 0,1 = 100
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Presión atmosférica Presión de un fluido
= é + é = − P Termodinámica
= 0 é = ℎ
Termodinámica
Ley de Pascal
= =
Termodinámica
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DR=0.8 Cuál es la presión dentro del recipiente?
Termodinámica
Bibliografía empleada •
Cengel, Y. A.; Boles, M.A.: Termodinamica. Mc Graw-Hill, 1996.
Termodinámica
