Instructor: Ing. José Manuel García Pantigozo SEMESTRE I - 2014
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE APRENDIZAJE
al final de la clase: • El alumno será capaz de identificar, interpretar y relacionar las variables termodinámicas.
PROYECTOS/TAREAS DE APRENDIZAJE
Caso aplicativo: determinar procesos industriales para entender las variables termodinámicas .
CRITERIOS DE EVALUACIÓN Identificar las variables de control de procesos químicos industriales industriales .
¿Que es Termodiná ermodinámica? mica? Es el estudio de las relaciones entre las diferentes propiedades de la materia que dependen de la temperatura
La Primera Ley asegura la conservación de la energía total, mecánica y calorífica y su posible transformación de un tipo a otro Sin embargo, la experiencia muestra que todo el trabajo puede transformarse en calor, mientras que éste no puede convertirse totalmente en trabajo
¿Que es Termodiná ermodinámica? mica? También la experiencia enseña que el calor siempre pasa del cuerpo más caliente al menos caliente. Esta es la esencia de la Segunda Ley de la Termodinámica La primera ley permite las transformaciones de energía La segunda ley limita estas modificaciones en ciertos sentido.
Sistemas Sist emas Cerr Cerrados ados y Abiertos
¿QUÉ ES UN SISTEMA CERRADO? sistema cerrado es aquel que sólo puede intercambiar energía con su entorno , pero no materia.
Un
¿QUÉ ES UN SISTEMA ABIERTO? sistema abierto es aquel que puede intercambiar energía y materia con su entorno.
Un
¿QUÉ ES UN SISTEMA AISLADO? sistema aislado es aquel donde no materia y hay intercambio de energía.
Un
sistema aislado
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Un proceso reversible es uno que puede efectuarse de tal manera que a su conclusión, tanto el sistema como sus alrededores regresan a las mismas condiciones iniciales Ej: La compresión de un gas en
contacto con un deposito caliente mediante granos de arena sobre el pistón
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Un Proceso Reversible es aquel que se efectúa tan lentamente que se puede considerar que es una serie de estados en equilibrio, y el proceso total se puede hacer a la inversa sin cambiar la magnitud del trabajo efectuado o del calor intercambiado
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Si es imposible imposible que el sistema o sus alrededores regresan a sus condiciones iniciales el proceso es Irreversible Ej: La expansión libre de un gas contenido dentro de
una membrana en un recipiente aislado
Equilibrio Termodinámico de un sistema: El equilibrio termodinámico, o estado de un sistema,
está determinado por los valores de la presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia que un sistema puede tener, cuando éste está en equilibrio mecánico, térmico y químico
Los valores de la presión, temperatura se llaman parámetros o variables del sistema
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA Un sistema puede efectuar o recibir trabajo, y también entregar o recibir calor del exterior, en consecuencia, trabajo y calor son los medios de transferir la energía. La experiencia muestra que si un sistema pasa del estado 1 al 2, cualquiera que sea la manera o trayectoria, la cantidad de calor recibida por el sistema, menos el trabajo realizado por él, es constante .
Esta constante es, por definición, definici ón, la variación de energía interna entre el estado 1 y 2. Como sucede con otras formas de energía, sólo es posible definir diferencias diferencias de energía interna y no valores absolutos
En consecuencia:
CONVENCIÓN DE SIGNOS
El calor (Q) que r e c i b e el sistema se considera p o s i t i v o , mientras que el e n t r e g a d o al exterior es negativo
CONVENCIÓN DE SIGNOS
El trabajo (W) hecho p o r el sistema se considerará positivo , mientras que el realizado s o b r e el sistema es n e g a t i v o
SISTEMA AISLADO En un sistema aislado (no hay intercambio de energía con el exterior), para cualquier proceso en el interior del sistema, Q=0, W=0 y, según la Primera Ley, ΔU=0, es decir, que la energía interna es constante. En resumen, la energía interna interna de un sistema aislado no puede modificarse por ningún proceso interno del sistema.
APLICACIONESS DE LA PRIMERA LEY APLICACIONE La primera ley se puede aplicar a algunos procesos sencillos: a. Proceso Ciclico. Es cuando
un sistema, por una serie de procesos, vuelve a su estado inicial ΔU=0 , y Q=W
Módulo: W (ciclo)=Área encerrada por la curva Signo: - si la curva se recorre en sentido contrario a las agujas del reloj “
”
“+” si se recorren en sentido de las
agujas del reloj
Wciclo=Wa+Wb
(-) área bajo a (+) área bajo b
APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY b. Proceso isobárico Presión
constante
c. Proceso isométrico Es un
proceso a volumen constante W=0 ncv(TB-TA) ΔU=Q Q= ncv(TB-TA) d. Proceso isotérmico Es un
proceso a temperatura constante
la energía interna de un gas perfecto depende solamente de la temperatura ΔU=0
y Q= W
Es cuando un sistema no gana ni pierde calor, calor, es decir, decir, Q=0 e.
Proceso
adiabático
Este proceso puede realizarse rodeando e sistema de material aislante o efectuándolo muy rápidamente, para que no haya intercambio de calor con el exterior
Variables Termodinámicas ¿Qué es un Pr Proceso oceso Industrial?
CAMPO DE ESTUDIO DE LA TERMODINAMICA: • Estudia los cambios de las variables macroscópicas de las sustancias, tales como la presión, volumen y la temperatura, entre otras, relacionadas con la energía que caracterizan a un sistema, como consecuencia del intercambio de calor y trabajo con sus alrededores.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
Sistema Internacional de Unidades • Dimensión: es una cantidad física que define a un sistema de unidades. •
Unidad fundamental: a cada dimensión fundamental se le asigna una unidad llamada fundamental.
•
Unidades derivadas: surgen de la combinación de unidades fundamentales, suplementarias y otras derivadas, según la ecuación algebraica que las relaciona.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES
Sistema Internacional de Unidades Dimensión
Unidad Fundament Fundamental al
Nombre
Símbolo
Nombre
Símbolo
Longitud
L
metro
m
Masa
M
kilogramo
kg
Tiempo
T
segundo
s
Temperatura
Θ
kelvin
K
Corriente eléctrica
I
ampere
A
candela
cd
mol
mol
Intensidad luminosa Cantidad de sustancia
n, N
PROPIEDADES TERMODINAMICAS •
Masa: Es una propiedad fundamental de tipo escalar y representa a la cantidad de materia, independiente de su ubicación; puede medirse con una balanza en un campo gravitatorio. Se emplea para determinar si una propiedad de la sustancia es intensiva o extensiva.
•
Propiedad intensiva: su valor es independiente de la cantidad de sustancia.
•
Propiedad extensiva: su valor depende de la cantidad de sustancia.
EJEMPLO DE PROPIEDADES •
Propiedades extensivas:
Volumen, peso, energía cinética, energía potencial gravitatoria. •
Propiedades intensivas:
Densidad, densidad relativa, peso específico, volumen específico, presión, temperatura.
SISTEMAS TERMODINAMICOS •
Sistema: es una porción con masa del universo, la que se separa para su análisis.
•
Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija e invariable de masa y solo la energía cruza su frontera.
•
Sistema aislado: es el que tiene una cantidad fija e invariable de masa y no hay transferencia de masa ni de energía a través de su frontera.
•
Sistema abierto: permite el paso de energía y de masa a través de su frontera.
TPOS DE FRONTERA • Puede clasificarse en reales o imaginarias.
Frontera
Clasificación de fronteras Pasaje de masa Permeable Impermeable Interacción térmica Diatérmica Adiabática Interacción mecánica Flexible Rígido
VARIABLE TERMODINAMICA: PRESION •
Presión: Es la magnitud de la componente perpendicular de la fuerza ejercida por unidad de área. ( P = F/A)
NOMBRE pascal bar atmosfera torr mm de Hg
SÍMBOLO 1 Pa 1 bar 1 atm 1 Torr 1 mm de Hg
VALOR 1 Nm-2 105 Pa 1.013x105 Pa 1.013x105 /760 Pa = 133.32 Pa 133.32 Pa
VARIABLE TERMODINAMICA: PRESION •
Presión atmosférica: La que ejerce la atmósfera sobre los objetos inmersos en ella.
Manómetro: Instrumento para medir la presión • Presión manométrica: La diferencia de presión de un •
fluido y la presión atmosférica • Por lo tanto: presión manométrica + presión atmosférica = presión absoluta
VARIABLE TERMODINAMICA: PRESION •
Presión ejercida por una columna de fluido de altura h, densidad ρ y
área de sección transversal A: • Dado que ρ = m/V= m/Ah , m = ρAh y F = W = mg • donde W es el peso de la columna y g la aceleración de la gravedad, entonces • p = F/A = mg/A = (ρA h) g/A = ρgh
VARIABLE TERMODINAMICA: PRESION •
Para medir la presión en un tanque:
• Balance de fuerzas: • ApA = Apatm +W • W = mg = ρV g = ρAhg • pA = patm + ρgh • Nota que el área de la sección transversal no tiene efecto
VARIABLE TERMODINAMICA: PRESION •
Presión de vapor: Moléculas en estado vapor Moléculas que pasan a vapor (se vaporizan) Moléculas que pasan al líquido (se condensan)
VARIABLE TERMODINAMICA: PRESION • Cuando la velocidad de condensación se hace igual a la velocidad de vaporización, el líquido y el vapor están en un estado de equilibrio dinámico:
Líquido
Vapor
• La presión ejercida por el vapor se mantiene constante una vez alcanzado el equilibrio dinámico, y se conoce presión de vapor de como presión como de un líquido. • La presión de vapor de un líquido siempre aumenta al aumentar la temperatura.
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA • Cuando nos hablan de calor, generalmente lo asociamos a temperatura. • Pero, ¿qué es la temperatura? • ¿Qué es el calor?
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA •
La temperatura. – Es una magnitud física descriptiva de un sistema en donde hay transferencia de calor. – También se podría decir que es el grado de calor de los cuerpos.
•
El calor. – Es la energía que se transfiere de un objeto a otro, debido a una diferencia de temperatura.
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA • La temperatura es una medida de la energía cinética media que tienen las moléculas. A mayor temperatura mayor agitación térmica (mayor energía cinética media).
”, es decir, no depende de la • Es una magnitud “intensiva intensiva”, masa del sistema. • Dos cuerpos con diferentes temperaturas evolucionan siempre de forma que traten de igualar sus temperaturas (equilibrio térmico). • Para medir T se utilizan los termómetros que se basan en la dilatación de los líquidos (normalmente mercurio).
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA
ESCALAS TERMOMÉTRICAS •
Centígrada (Celsius).(ºC): Es la que usamos normalmente. – Usa el “0” el punto de fusión del agua y “100” el punto de ebullición de la misma.
•
Farenheit (ºF): Utilizada en el mundo anglosajón. – Usa el “32” el punto de fusión del agua y “212” el punto de ebullición de la misma.
•
100 ºC equivalen a 180 ºF
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA
ESCALAS TERMOMÉTRICAS •
Absoluta (Kelvin). (K) – Se usa en Química. – Usa el “273 273”” el punto de fusión del agua y “373 373”” el punto de ebullición dela misma.
• Cada ºC equivale a 1 K. Simplemente, la escala está desplazada. • 0 K (–273 ºC) es la temperatura más baja posible.
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA CONVERSIÓN ENTRE ESCALAS. ESCALAS. •
F – 32 C T(abs) – 273 273 ——— = —— = —————— 180 100 100
• F – 32
C ——— = — 9 5
•
;
F – 32 T(abs) – 273 273 ——— = —————— 9 5
C = T (abs) – 273 273
VARIABLE TERMODINAMICA: TEMPERATURA CONVERSIÓN ENTRE ESCALAS.
Ejemplo: Un
inglés te dice que tiene fiebre porque tiene 104ºF. ¿Cuántos grados centígrados son) ¿Cuántos kelvins?
F – 32 C ——— = — 9 5
5·(F – 32) 5·(104 – 32) C = ————— = ————— 9 9 C = 40ºC
T (abs) = C + 273 = 40 + 273 = 313 K
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTALPIA Describe los cambios térmicos que se llevan l levan a presión cte. :
U = qp + P x V
donde,QP es calor a presión cte
Por lo que, para el calor intercambiado en estas condiciones se cumple: Qp =(U2+ P xV2)-(U1+ P x V1) El término U+ P xV recibe el nombre de entalpía(H)
QP= H2-H1=∆H
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTALPIA La variación de entalpía(∆H) es H) es igual a la diferencia entre la entalpía de los productos y la de los reactantes: ∆H = Hproductos-Hreactantes Dependiendo del calor puesto en juego en un proceso químico, las reacciones pueden ser endotérmicas o exotérmicas.
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTALPIA Si un sistema (reacción)
absorbe calor es ENDOTERMICO y H es positivo positivo.. H = (+)
libera calor es EXOTERMICO y H es negativo. H = (-)
Se han medido los cambios de entalpía estándar: H° en condiciones estándar: P= 1 atm
tº = 25 °C
Concentración de los componentes del sistema = 1 M
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTALPIA Cambio
de entalpía estándar de formación: H°F = calor liberado o absorbido al formarse 1 mol del compuesto a partir de sus elementos.
Cambio
de entalpía estándar de reacción: H°R = calor liberado o absorbido en una reacción química.
Los cambios de entalpía estándar de formación de todos los compuestos químicos están tabulados, tabulados, y con estos datos se puede calcular el cambio de entalpía estándar de cualquier reacción: HºR H°R = (la suma de los H°F de los productos) (la suma de los H°F de los reaccionantes) reaccionante s)
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTALPIA Ejemplo: 1.Calcular la variación de entalpia( ∆H) que se produce en la reacción de transformación del diamante en grafito: C(diamante)→ C(grafito) (1) C(diamante) +O2(g)→CO2(g) (2) C(grafito) +O2(g) →CO2(g) (1)C(diamante) +O2(g)→CO2(g) (3) CO2(g) → C(grafito) +O2(g) C(diamante)
→
C(grafito)
∆H=-395.4 KJ/mol ∆H=-393.5 KJ/mol ∆H=-395.4 KJ/mol ∆H=+393.5 KJ/mol ∆H=-1.9 KJ/mol
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTALPIA 2. Calcular ∆Hf para la formación de la acetona (CH3COCH3)según la reacción: 3C(s)+3H2(g)+1/2O2 (g)→ CH3COCH3(l), conociendo los valores de calor de combustión: (1) H (1) H2(g) +1/2 O2→ H2O(l)
∆H=-285.8 KJ/mol /x 3
(2) C (2) C (S) + O2→ CO2 (l) ∆H=-393.5 KJ/mol /x 3 (3) CH (3) CH3COCH3(l) +4 O2→3CO2(g)+ 3H2O(l) ∆H=-1.786KJ/mol (1) H2(g) +3/2 O2→ 3H2O(l) (2) 3C (2) 3C (S) + 3O2→ 3CO2 (l) (3) 3CO (3) 3CO2(g)+ 3H2O(l) → CH3COCH3(l) +4 O2 3H
+3C + 1/2 O → CH COCH
∆H=-857.4 KJ/mol ∆H=-1.180,5 KJ/mol ∆H= +1.786KJ/mol ∆H= -251.9 KJ/mol
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTROPIA entropía (S) es una cuantitativa del desorden”. Es igual a:
• “la
medida
ΔS = Q/ T [J/ºK] • La Entropía es una función de estado y no
depende del transformación
camino
de
la
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTROPIA
Resumiendo La entropía nos permite establecer cuál es el sentido posible de una transformación adiabática. Entonces: ΔS =0 el proceso es reversible y se encuentra en equilibrio ΔS >0 el proceso es espontáneo ΔS <0 el proceso es imposible
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTROPIA
Variables que afectan la entropía. • Temperatura - a mayor temperatura, temperatura,
mayor el movimiento molecular y mayor es la entropía. • Presión - a mayor presión se reduce el volumen y la entropía aumenta. • La cantidad de sustancia, n - que depende del número de moles. A mayor cantidad de sustancia, mayor será la entropía.
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTROPIA Cambios de entropía
VARIABLE TERMODINAMICA: ENTROPIA Cambios de entropía
Procesos Termodinámicos
PROCESO ISOCORICO
¿QUÉ ES EL PROCESO ISOCÓRICO? • Un proceso isocórico, también llamado proceso
isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece termodinámico constante; const ante; debido que la variación de volumen es = 0, no se realiza realiza trabajo ni sobre el sistema sistema ni de este ultimo sobre los alrededores, por lo que se cumple que w= 0 y u = Q
• Donde W es trabajo
u es igual energía interna • Q es igual al calor • U = Q-W • Estas ultimas expresiones indican que todo el calor suministrado suministr ado aumentará en la misma proporción a la energía interna. •
Ejemplo • Un ejemplo de este proceso se presenta al coser
alimentos dentro de una olla exprés, la cual disminuye el tiempo de cocción, pues sirve sirve como deposito para que la temperatura y presión aumentan en el interior conforme transcurre el tiempo manteniendo su volumen constante. En general se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.
Ejercicio de un proceso isocórico • Un
recipiente hermético que mantiene su volumen constate contiene gas. Si se le suministra 50 cal desde el exterior ¿Qué variación de energía interna presenta?
• Esquema:
• Datos: • Q = 50cal • No hay incremento de volumen
v=0
• Incógnita:
U=? • Ecuación: U=Q-W • Al no haber variación de volumen no se efectúa trabajo por lo que del este es cero W=0, por lo tanto tanto la ecuación se reduce U=Q El calor es positivo debido a que entra al sistema
PREGUNTAS: • 1.- ¿Que es el proceso isocorico? • 2.- Dar un ejemplo del proceso isocorico • 3.- ¿Cual es
la la formula para calcular U= ? • 4.- ¿De que otra forma se le llama al proceso isocórico? • 5.- ¿Que significan cada una de las variables?
PROCESO ISOBÁRICO, es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión permanece constan constante, te, no importando si el gas sufre una comprensión o una expansión.
Este proceso se rige por la Ley de Charles: Jackes Jackes A. Charles(1742-1822), fue el primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar su temperatura.
Como el contenedor está abierto, el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. La presión permanece constante, de forma tal que entre mayor sea la temperatura el volumen desprendido aumenta.
ECUACIÓN DEL PROCESO ISOBÁRICO Tr=Pr(Vf-Vi) Tr
Trabajo mecánico
Pr
Presión
J (Joule) 1J=Nm N m2
Vf
Volumen Final
m3
Vi
Volumen Inicial
m3
1cal= 1cal=4.2J
1J= 1J=0.24cal
Pa==Pascal Pa
1Pa= 1Pa= N
1atm= 1atm=760mmHg=1.013x 105 N
m2
m2
Cierto gas sufre una expansión, por lo que varia su volumen de 1.8 x 104 a 4.7 x 10-4 m3 pero mantiene una presión constante de 3.05 x 105 Pa. Si lo anterior fue consecuencia de haber suministrado 30 calorías, calcular: a) El trabajo desarrollado por el sistema. s istema.
b) La variación de energía interna que experimentó.
1. ESQUEMA ESQUEMA
2. DATOS TOS Q=30 cal Pr=3.05x105 Pa V¡=1.8X10-4 m3 Vf=4.7x10-4 m3
3. INCÓG INCÓGNIT NITA A a) Tr=?J b) E¡=?J
4. ECU ECUACION CION a)Tr=Pr(Vf-V¡) b) Ei =Q-Tr =Q-Tr - Q es positivo debido a que entra al sistema. - El Tr es positivo, ya que el sistema realiza trabajo sobre los alrededores.
5. CO CONV NVER ERSI SION ONES ES 1cal=4.2J
a)Tr=Pr a)Tr=Pr Vf-Vi =
Q=30cal
4.2J=126J 1cal
1Pa= N m2
Pa= Pascal
3.05x105 N (4.7x10-4m3-1.8x10-4m3)= m2
3.05x105 N (2.9x10-4m3)=88.45Nm=88.45J 2 m Es el trabajo que realizo la expansión del gas(sistema) sobre los alrededores. b) EiE¡ =Q-Tr=126J-126J-88.45J=37.55J
7- RESULTADO a) Tr=88.45J b) E¡=37.55J
PROCESO ISOBÁRICO
LEY DE CHARLES
L a variación de volumen que experimenta una pelota conforme conforme a los rayos del sol.
EJEMPLOS
Cuando se desprende vapor al hervir agua en un recipiente r ecipiente abierto a la atmosfera. atmosfera.
PROCESO ISOTÉRMICO procesos isotérmicos: isotérmicos: se se realizan a temperatura constante.
Ley de Boyle
P*V=nRT T n R P1 * V1
Constante Constante Constante =
P2 * V2
P v/s V 30 25 n e20 m u l o V
15 P/V 10 5 0 0
1
3
6
10
15
21
28
36
45
PROCESO ADIABATICO Procesos adiabáticos: No hay transferencia de calor pero si intercambio de trabajo entre el sistema y el entorno.
