TERMODINÁMICA DE PROCESOS UNIVERSIDAD REGIOMONTANA DEPARTAMENTO DE ING. QUÍMICA
“SISTEMAS TERMODINÁMICO TERMODINÁMICOS” S” M. C. CIRO CÉSAR SEGOVIA MARTÍNEZ MARTÍNEZ
TERMODINÁMICA La
Termodinámica nace en el siglo XIX al tener la necesidad de describir el funcionamiento de las máquinas de vapor y establecer los límites de lo que éstas podían realizar.
La
Termodinámica se ocupa de la energía y sus Transformaciones en los Sistemas desde un punto de vista Macroscópico.
Sus
leyes son restricciones generales que la naturaleza impone en todas esas transformaciones.
TERMODINÁMICA La
aplicación de la Termodinámica a cualquier problema real comienza con la identificación de una masa real de materia como foco de atención, esta materia se llama Sistema.
Y
su Estado Termodinámico está definido por algunas Propiedades Macroscópicas Medibles, como son: Temperatura, Tiempo, Masa, Presión y Volumen
SISTEMA, ENTORNO Y FRONTERA Un sistema es una región del espacio seleccionada para estudiarla y aislarla mentalmente de todo lo demás, entorno o alrededores del sistema. El sistema y su entorno forman el universo.
Alrededores
Gas N2
SISTEMA CERRADO
Límites del Sistema
PISTÓN (FRONTERA), GAS (SISTEMA)
La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de su entorno se llama frontera o límite.
EJEMPLO DE SISTEMA
SISTEMA ABIERTO EN ESTADO TRANSITORIO
TIPOS DE SISTEMAS sistema aislado no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Un
sistema cerrado sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Un
abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno. Sistema
TIPOS DE SISTEMAS En
los siguientes ejemplos indique el tipo de Sistema AISLADO
VASO TÉRMICO
CERRADO ABIERTO
VASO CON HIELOS
HELADO DE NIEVE
TIPOS DE SISTEMAS
CUERPO HUMANO
AUTO HÍBRIDO
CALOR
El Calor es la Energía transferida de un Cuerpo a otro, debido a Diferencias de Temperatura.
El Calor al igual que el Trabajo, corresponde a energía en Tránsito. Se detecta cuando cruza los límites del Sistema
La Cantidad de Calor necesaria para ir de un Estado a otro es Dependiente del Proceso.
Se expresa en las mismas Unidades que la Energía y el Trabajo (Joules o Calorías).
1Caloría = 4.18 Joules
DEFINICIONES Calor
Específico (Cp): Cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. Un mayor Cp, indica una mayor capacidad de Almacenamiento de Energía. Calor Sensible: Calor requerido para elevar la temperatura de una cantidad determinada de sustancia desde T 1 hasta T2.
∆HSENSIBLE = m Cp (T2 - T1)
CALOR ESPECÍFICO
Dependencia de Cp Cp es dependiente de la Temperatura, pero en intervalos pequeños de Temperatura se puede considerar constante.
DEFINICIONES Calor
Latente: La Cantidad de Calor necesaria para Producir un Cambio de Fase en el Sistema.
Sublimación (Sólido-Gas) Fusión (Sólido-Líquido) Vaporización (Líquido-Gas) Se representan con las letras: ∆Hs, ∆Hf y ∆Hv, respectivamene.
CALOR LATENTE
Sustancia
T fusión ºC
∆H f ·103(J/kg)
T ebullición ºC
∆H v ·103(J/kg)
Hielo (agua)
0
334
100
2260
Alcohol etílico
-114
105
78.3
846
Benceno
5.5
127
80.2
396
Hierro
1530
293
3050
6300
Mercurio
-38.9
11.73
356.7
285
Sodio
98
113
883
4220
CAMBIOS DE FASE
TRABAJO
Cuando una parte del ENTORNO ejerce una fuerza sobre el SISTEMA y este se mueve una distancia dx desde el punto de aplicación de la fuerza, el medio ha realizado un trabajo sobre el sistema dw = F dx.
EJEMPLO
Para un Gas Ideal @ Temperatura Constante (PROCESO ISOTÉRMICO), se puede obtener una expresión analítica para el cálculo del Trabajo de la Siguiente Manera. dW PdV V 2
V 2
V 1
V 1
W PdV V 2
W nRT
dV
V
V
dV
nRT LnV 2 LnV 1
V 1
W nRT Ln
nRT
V 2 V 1
TAREA Desarrolle
una expresión analítica para un Gas Real (@ T=cte) que obedece la Ecuación de Van der Waals. dW PdV
P
RT V b
a V
2
ENERGÍA INTERNA
La Energía Interna es la suma de la Energía Cinética, Rotacional, Vibratoria, Potencial y Química de las Moléculas que componen al Sistema.
U Q W
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
T2
T1
CALOR
MOVIMIENTO MOLECULAR
MOVIMIENTO MOLECULAR
FUNCIÓN DE ESTADO Es
aquella cuyo resultado no depende del camino seguido sino del estado final y del inicial del sistema en estudio.
Densidad,
Entropía, Entalpía y Energía Interna, son Funciones de Estado, ya que dependen únicamente de las Variables de Estado.
Son
independientes de la Trayectoria, solo dependen de T, P, V y X (Temperatura, Presión, Volumen y Composición del Sistema).
FUNCIÓN DE TRAYECTORIA
Una Función de Trayectoria es aquella cuya magnitud depende de la Trayectoria del proceso. Ejemplos: Trabajo y Calor.
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
LEY DEL GAS IDEAL
U Q W
PV RT A-B. EXPANSIÓN ISOTÉRMICA, (ABSORBE Q1). P↓ V↑ T cte B-C. EXPANSIÓN ADIABÁTICA (Q = 0). P↓ V↑ T↓ C-D. COMPRESIÓN ISOTÉRMICA (LIBERA Q2). P↑ V↓ T cte D-A. COMPRESIÓN ADIABÁTICA (Q = 0). P↑ V↓ T↑ El trabajo neto W efectuado por el sistema durante el ciclo está representado por el área encerrada en la trayectoria abcd. La cantidad de calor Q neta recibida por el sistema se obtiene por la diferencia entre Q2 y Q1. Como el estado inicial y final es el mismo, no hay cambio en la energía interna U del sistema.
CICLO DE CARNOT
Por lo tanto, según la primera ley de termodinámica: W = Q = Q Q
EJEMPLO
Cuando se lleva un sistema desde el estado a al b a lo largo de la trayectoria acb, fluyen 100J de calor hacia el sistema y éste hace 40J de trabajo. a) ¿Cuánto calor fluye hacia el sistema a lo largo de la trayectoria aeb, si el trabajo hecho por el sistema es de 20J ? b) ¿El sistema regresa de b a a siguiendo la trayectoria bda. Si el trabajo hecho por el sistema es de 30J, ¿El sistema absorbe o libera calor? ¿Cuánto?
Nota: Utilice la Ecuación Energía para un sistema cerrado. ∆U = Q - W
SOLUCIÓN
Para la trayectoria acb. Qacb = 100J, Wacb = -40J Uacb Qacb Wacb 100 J 40 J
Uacb 60 J
Para la trayectoria aeb.
Waeb = -20J
Uacb Uaeb 60 J
60 J Qaeb Waeb Qaeb 20 J 60 J Qaeb 20
Qaeb 60 J 20 J Qaeb 80 J
Para la trayectoria bda.
Wbda = +30J
Ubda Uacb Uaeb 60 J 60 Qbda Wbda Qbda 30 J 60 Qbda 30 Qbda 60 J 30 J 90 J
BIBLIOGRAFÍA
“Introducción a la Termodinámica en Ing. Química”,
“Termodinámica”, Yunus Cengel, 6ª Ed. Mc Graw
Smith Van Ness, 5ª Ed. Mc Graw Hill. Hill.
