Revisión de Conceptos Termodinamicos

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA AGRARIA LA L A MOLINA

Tema: Revisión de Conceptos Termodinámicos

Curso: Refrigeración y Congelación de Alien!os "rofesor: #aes Villar In!egran!es: - $lores Oro%co& #o'anna - Mal(ar!ida )icona& Rolando Ciclo: *+,-.I

A/ril& *+,-

1. Calor específco y calor Latente. 2. Ley de Raoult.

Es una relación a(ro0iada (ara las fracciones olares de una es(ecie en los lados li1uido y gaseoso en la in!erfase& dada (or la siguien!e ecuación:  Pi .lado gaseoso= y i ,ladogaseoso Ptotal = y i ,ladolíquido P i,sai ( T )

donde  Pi,sat  ( T )   es la (resión de sa!uración de la es(ecie I a la !e(era!ura de la in!erfase y  Ptotal  es la (resión !o!al so/re el lado de la fase gaseosa2 3Cengel& *++45 Raoul! encon!ró 1ue cuando se agrega/a solu!o a un disol6en!e (uro disinu7a la (resión de 6a(or del disol6en!e2 En!re 8s se agrega 8s disinuye la (resión de 6a(or2 Es!a/lece coo conclusión: 9En una disolución ideal& las (resiones (arciales de cada co(onen!e en el 6a(or& son direc!aen!e (ro(orcionales a sus res(ec!i6as fracciones olares en la disolución2 E0(resadas si/ólicaen!e es!as leyes ado(!an la fora: "6i;"6oi2
Donde: "6i; "resión de 6a(or del co(onen!e 9i en la e%cla2 "6oi ; "resión de 6a(or del co(onen!e 9i (uro2 3es!e 6alor de(ende de la !e(era!ura de !ra/a>o52 aos de la idealidad& nos ale>aos de los resul!ados e0ac!os2 "or consiguien!e se (uede (lan!ear 1ue una disolución es ideal cuando cu(le con la ley de Roul!2 Es o/6io 1ue es!as no son 8s 1ue un odelo f7sico 1ue re@e>a si(licadaen!e la realidad o/>e!i6a2 3"agina Be/: EcuRed5

Seg?n Engel 3*++5& la ley de Raoul! 6ale (ara !odas las sus!ancias en una disolución ideal en el in!er6alo 0 ≤
Fuente: Engel (2007)

La !eor7a de la des!ilación es una de las a(licaciones de la ley de Raoul!2 Se e(lea con el o/>e!i6o de se(arar los co(onen!es (uros2 Si es!os (oseen !e(era!ura de e/ullición uy diferen!es se se(aran (or des!ilación si(le y si (oseen !e(era!ura de e/ullición uy (ró0ios (or des!ilación fraccionada2 !. Calidad. ". Propiedades termodinámicas: entalpía# volumen específco# ener$ía interna.

entropía#

%ntalpía: Es una (ro(iedad e0!ensi6a 3de(ende de la can!idad de

a!eria (resen!e5 1ue se (uede e(lear (ara o/!ener el calor a/sor/ido o des(rendido (or una reacción 1u7ica2 La en!al(7a es una función de es!ado& es decir& cuyas (ro(iedades es!8n denidas (or el es!ado del sis!ea2 Es el calor a/sor/ido o des(rendido (or un sis!ea a (resión cons!an!e23#uare%&*++5  H =U + pV 

Si se considera un (roceso a (resión cons!an!e: ∆ H = H f − H i =( U f + p V  f )− ( U i + p V i ) =∆ U + p ∆ V 

%ntropía&'(: La en!ro(7a es una (ro(iedad e0!ensi6a de un sis!ea y

a 6eces es llaada en!ro(7a !o!al& ien!ras 1ue la en!ro(7a (or unidad de asa s es una (ro(iedad in!ensi6a y !iene unidad F#Fg2H2 La en!ro(7a es una (ro(iedad 1ue no se conser6a (or lo 1ue no e0is!e algo coo el (rinci(io de conser6ación de la en!ro(7a2 Es una agni!ud f7sica 1ue& edian!e c8lculo& (eri!e de!erinar la (ar!e de la energ7a 1ue no (uede u!ili%arse (ara (roducir !ra/a>o2 Es una función de es!ado y su 6alor& en un sis!ea aislado& crece en el !ranscurso de un (roceso 1ue se d de fora na!ural2 La en!ro(7a descri/e lo irre6ersi/le de los sis!eas !erodin8icos2 3Gue6ara& *++52 "ara la sua de ciclos de Carno! 1ue se a(ro0ian al (roceso c7clico re6ersi/le& se cu(le la siguien!e ecuación: n

Q

∑ T  i= 1

Seg?n Gue6ara 3*++5& la a(ro0iación al (roceso c7clico resul!ara e>or en!re ayor sea la can!idad de iso!eras y adia/a!as 1ue se su(er(ongan y& (or lo !an!o& en!re ayor sea el n?ero de ciclos de Carno! suados2 En el l7i!e en 1ue la can!idad de ciclos de Carno! !iende al inni!o& el (roceso se 'aya igual a la sua de dic'os ciclos: n

Q  δQ  = φ =0 ∑ T  T  n−∞

lim

i= 1

De la anera 1ue la in!egral de δQ /T  (ara un sis!ea 1ue es lle6ado re6ersi/leen!e alrededor de un ciclo cerrado& es igual a cero2 Se concluye as7 1ue la e0(resión δQe! /T    & corres(onde a una diferencial e0ac!a& (or lo !an!o (uede ser asociada con una función de es!ado del sis!ea2 φd" = 0

)olumen específco:

El 6oluen es(ec7co se dene coo la relación en!re el 6oluen de un sis!ea y su asa2 Dado 1ue la densidad se dene coo la relación de la asa so/re su 6oluen& ella ser8 el in6erso del 6oluen es(ec7co2 Las unidades del 6oluen es(ec7co y de la densidad son:

%ner$ía *nterna: Ade8s de la energ7a cin!ica y (o!encial de un

sis!ea consider8ndolo coo un !odo3o6iien!o de un @uido o la energ7a de/ida a la al!ura5& las olculas !a/in se es!8n o6iendo2 La sua energ7a cin!ica y (o!encial de las olculas es lo 1ue se llaa energ7a in!erna2 De es!a fora la energ7a !o!al de un sis!ea ser8:  #total= # $ + # P + U 

Noralen!e en el la/ora!orio una sus!ancia 1ue se encuen!ra en re(oso se considera 1ue la energ7a (o!encial y cine!ica del sis!ea coo un !odo son +& (or lo 1ue la energ7a !o!al del sis!ea es igual a la energ7a in!erna3#uare%&*++52  #total=U  ∆ U = ∆ H − p ∆ V 

+. Proceso# estado y ciclo termodinámico.

"roceso: Un (roceso !erodin8ico se dene coo la serie de es!ados de e1uili/rio& los cuales denen la !rayec!oria& (or los 1ue (asa un sis!ea cuando e0(erien!a un ca/io de es!ado2 Los (rocesos !erodin8icos suelen di/u>arse en diagraas de (roceso2 Un (roceso 1ueda !o!alen!e denido cuando se conocen los es!ados inicial y nal& la !rayec!oria seguida y las in!eracciones con los alrededores23 )i/a1uir8&*+,*5 Es!ado: Un es!ado !erodin8ico es una condición de!erinada de una sus!ancia 1ue se encuen!ra denida (or dos (ro(iedades !erodin8icas inde(endien!es en!re si 3 "os!ulado de es!ado52 Cuando un sis!ea no sufre ning?n ca/io es (osi/le o/ser6ar o edir sus (ro(iedades y con dos (ro(iedades inde(endien!es edidas se (uede denir el es!ado2 En el oen!o 1ue el sis!ea e0(erien!e alg?n ca/io e decir cuando una de sus (ro(iedades ca/ie de 6alor el es!ado ca/iar82 3 )i/a1uir8&*+,*5 Seg?n Mor8n 3*++5& el estado  !erodin8ico de un sis!ea en e1uili/rio 1ueda denido coo !al edian!e los 6alores de sus (ro(iedades !erodin8icas2 De la o/ser6ación de uc'os sis!eas !erodin8icos se deduce 1ue no !odas sus (ro(iedades son inde(endien!es una de o!ra& y 1ue su es!ado (uede de!erinarse de

anera un76oca inde(endien!es

edian!e

los

6alores

de

sus

(ro(iedades

Ciclo: Cuando un sis!ea se soe!e a una serie de (rocesos y el es!ado inicial y nal son idn!icos& se en!iende 1ue el sis!ea 'a sido soe!ido a un ciclo2 3 )i/a1uir8&*+,*5 "ara Al6are%& e! al2 3*++5& un ciclo termodinámico es una e6olución c7clica de (rocesos !erodin8icos 1ue e6olucionan den!ro de un in!er6alo de !e(era!uras2 ,. Principio de e-uilirio termodinámico.

Se dice 1ue un sis!ea !erodin8ico se encuen!ra en e1uili/rio !erodin8ico si no e0(erien!a ca/ios y es!a aislado de los alrededores& (ara !al caso de/e cu(lir los siguien!es cri!erios de e1uili/rio3 )i/a1uir8&*+,*5: •

•

•

E1uili/rio !rico: si la !er(era!ura es cons!an!e alrededor de !odo el sis!ea2 E1uili/rio ec8nico: si la (resión es cons!an!e alrededor de !odo el sis!ea2 E1uili/rio de fase: si el sis!ea se encuen!ra en as de dos fases& la asa de a/as fases (eranecen cons!an!es es decir no 'ay (roceso de ca/io de fase2

. 'istema Cerrado y 'istema /ierto. 0. á-uina trmica# re3ri$erador y oma de calor. á-uina Trmica

Una 81uina !rica es un dis(osi!i6o 1ue con6ier!e el calor de un co/us!i/le 3 Q H  5 en !ra/a>o o (o!encia 3 % neto, sal 5 in!erca/iando (ar!e del calor en!regado (or el co/us!i/le con el a/ien!e 3 Q & 52 "or e>e(lo un o!or de co/us!ión in!erna& (lan!a de 6a(or& !ur/ina de gas2 3 )i/a1uir8&*+,*5

 )J Q

M2)2 Q

 )L

B ne!o

$igura 2 Es1uea /8sico de una a1uina !rica2 El (ar8e!ro 1ue calica el funcionaien!o de una a1uina !rica es la eciencia !rica 3 't  5 1ue se dene coo la relación en!re la energ7a solici!ada y la energ7a suinis!rada2 3 )i/a1uir8&*+,*5 't =

%  Q −Q Q  Q   enegiasoli(itada = neto,sal = en sal =1− sal =1−  & enegiasu)inistada Qen Qen Qen Q H 

Donde: % neto, sal Q en  o Qsal  o

 : el !ra/a>o (roducido (or la 81uina !rica Q H   : calor en!regado (or el co/us!i/le Q &  : calor li/erado (or la 81uina !rica2

Del an8lisis de una a1uina !rica se des(rende el enunciado de Hel6in."lancF (ara la segunda ley: Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo, reciba calor de un deposito y su única interacción con los alrededores sea  producir una cantidad neta de trabajo.  3 )i/a1uir8&*+,*5

Re3ri$erador

Un refrigerador es un dis(osi!i6o 1ue se encarga de !ransferir calor desde un es(acio a /a>a !e(era!ura 3 T  & 5 'acia un en!orno 1ue se encuen!ra a al!a !e(era!ura 3 T  H  52 El o/>e!i6o es an!ener un es(acio refrigerado o acondicionado a /a>a !e(era!ura2 3 )i/a1uir8&*+,*5  )J Q H 

$igura 2 Es1uea /8sico

R

B ne!o

Q &

de un refrigerador2

 )L

El (ar8e!ro 1ue calica el funcionaien!o de un refrigerador es el coecien!e de o(eración 1ue se dene coo la relación en!re el efec!o deseado y energ7a suinis!rada2 3 )i/a1uir8&*+,*5 $*P +=

Donde:

Q & Q & #fe(to deseado 1 = = =  #negiasu)inistada % neto Q H −Q & Q H  Q &

−1

: el !ra/a>o suinis!rado en el co(resor (ara 1ue el refrigerador funcione2 Q H  : calor 1ue sale (or el condensador del refrigerador Q & : calor 1ue se e0!rae del es(acio refrigerado& es!e calor en!ra (or el e6a(orador2 % neto

4oma de calor

Una /o/a de calor es un dis(osi!i6o 1ue se encarga de an!ener a al!a !e(era!ura3 T  H  5 un es(acio o lugar 1ue se encuen!ra en un en!orno a /a>a !e(era!ura3 T  & 52 El o/>e!i6o de una /o/a de calor es la calefacción2 3 )i/a1uir8&*+,*5

 )J Q H 

K de C

B ne!o

Q &

 )L $igura 2 Es1uea /8sico de

una /o/a de calor

El (ar8e!ro 1ue calica el funcionaien!o de una /o/a de calor es el coecien!e de o(eración 1ue se dene coo la relación en!re el efec!o deseado y la energ7a suinis!rada2 3 )i/a1uir8&*+,*5 Q H  Q H  #fe(to deseado $*P,$ = = = =  #negia su)inistada % neto Q H −Q &

1 1−

Q & Q H 

: el !ra/a>o suinis!rado en el co(resor (ara 1ue /o/a de calor funcione2 Q H  : calor 1ue sale (or el condensador y en!ra al es(acio 1ue desea an!enerse a al!a !e(era!ura2 Q & : calor 1ue se e0!rae del en!orno a /a>a !e(era!ura2 % neto

Del an8lisis reali%ado (ara un refrigerador y (ara una /o/a se des(rende el enunciado de Clausius (ara la segunda ley:

Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y cuyo único efecto con los alrededores sea producir la transferencia de calor de un cuerpo a baja temperatura hacia un cuerpo a alta temperatura. 3 )i/a1uir8&*+,*5

5. Proceso adiaático# isoárico. 16.

proceso

isotrmico#

proceso

Calor y traa7o.

Las foras de energ7a 1ue a!ra6iesan las fron!eras de los sis!eas !erodin8icos son la !ransferencia de calor35 y el !ra/a>o 3B5& a/as foras de energ7a se carac!eri%an (or: Son fenóenos !ransi!orios o oen!8neos2 Son fenóenos de fron!era& es decir a!ra6iesan la fron!era denida2 Es!8n asociados con (rocesos y no con es!ados2 De(enden de la !rayec!oria seguida (or el (roceso2 3 )i/a1uir8&*+,*5 • •

• •

La !ransferencia de calor es la energ7a 1ue a!ra6iesa las fron!eras del sis!ea de/ido a una diferencia de !e(era!uras en!re es!e y los alrededores u o!ro sis!ea diferen!e2 Los (rocesos donde la !ransferencia de calor es ero se denoinan (rocesos adia/8!icos2 El !ra/a>o (uede denirse coo la in!eracción de energ7a del sis!ea de/ido al ca/io en el 6oluen del sis!ea 3!ra/a>o de fron!era5 o al o6iien!o de un e>e 3!ra/a>o de e>e o de @ec'a52 Cuando de !ra/a>o de fron!era 3 % f  5 se !ra!a es!e se de!erina as7: 2

% f =∫ Pd ∀

&

1

donde " es la (resión a/solu!a y d ∀  la 6ariación del 6oluen 1ue i(lica un o6iien!o de las fron!eras del sis!ea2 3 )i/a1uir8&*+,*5 ,,2 %3ecto y coefciente de 8oule y T9ompson2 12. Presión manomtrica# presión asoluta# presión de vacío.

La (resión se dene coo una fuer%a noral 1ue se e>erce un @uido (or unidad de 8rea2 Se 'a/la de (resión sólo cuando se !ra!a de gas o l71uido& ien!ras 1ue la con!ra(ar!e de la (resión en los sólido es el esfuer%o noral2 3Cengel&*++45

"ues!o 1ue la (resión se dene coo la fuer%a (or unidad de 8rea& !iene coo unidad los ne!ons (or e!ro cuadrado3N )  5& !a/in conocida coo (ascal3"a52 Es decir& , "a ; , N ) 2

2

$igura 2 Ni6eles de (resión Coo se (uede o/ser6ar en la gura e0is!en los siguien!es !i(os de (resión: Presión atmos3rica: Es!e !i(o de (resión se ide edian!e un

dis(osi!i6o conocido coo /aróe!ro as7& la (resión a!osfrica se denoina co?nen!e (resión /aro!rica2 La (resión a!osfrica de un si!io es el (eso del aire 1ue se 'alla arri/a de ese lugar (or 8rea su(ercial2 "or lo !an!o& ca/ia no solo con la al!ura sino !a/in con las condiciones cli8!icas2

 )orricelli reali%o un e0(erien!o 1ue consis!7a en 6er!er ercurio en un !u/o de 6idrio& colocó el !u/o de 6idrio en una cu/e!a rellena de ercurio& de>ando la (ar!e a/ier!a del !u/o den!ro de la cu/e!a y la (ar!e cerrada en el e0!erior de la cu/e!a2 Reali%ando dic'as o(eraciones& o/ser6ó 1ue el ercurio 1ueda/a a de!erinada al!ura den!ro del !u/o2 "ero lo curioso del e0(erien!o era 1ue la al!ura en 1ue 1ueda/a el ercurio den!ro del !u/o& 6aria/a de(endiendo de la al!i!ud y de cier!as condiciones clia!ológicas2 Al 'acerlo so/re el ni6el del ar& la al!ura del ercurio alcan%a/a los + 2 A es!e 6alor se le denoino , a!ósfera23 )i/a1uir8&*+,*5

La (resión (resión 1ue so/re !odos !ierra o 1ue de la a!ósfera2

a!osfrica es la e>erce la a!osfera los cuer(os de la es!8n en el in!erior

Presión manomtrica: es!a (resión es la 1ue e>erce un edio

dis!in!o al de la (resión a!osfrica2 Re(resen!a la diferencia en!re la (resión real o a/solu!a y la (resión a!osfrica2 La (resión ano!rica sólo se a(lica cuando la (resión es su(erior a la a!osfrica2 Cuando es!a can!idad es nega!i6a se la conoce /a>o el no/re de presión ne$ativa. La (resión ano!rica se ide con un manómetro2 |¿|− P

at)

 P)ano)eti(a = P¿

La (resión 6ar7a con la (rofundidad (or lo 1ue la (resión ano!rica se deno!a coo:  P)ano)eti(a= - g & donde:  -  : densidad g : gra6edad ' : al!ura a la cual se encuen!ra el o/>e!o Presion asoluta: es!a e1ui6ale a la sua!oria de la (resión

ano!rica y la a!osfrica2 La (resión a/solu!a es& (or lo !an!o su(erior a la a!osfrica& en caso de 1ue sea enor& se 'a/la de depresión2 Ps!a se ide en relación al 6ac7o !o!al o al + a/solu!o Presion Relativa: es!a se ide en relación a la (resión a!osfrica&

su 6alor cero corres(onde al 6alor de la (resión a/solu!a2 Es!a ide en!onces la diferencia e0is!en!e en!re la (resión a/solu!a y la a!osfrica en un de!erinado lugar2 Asiiso& la (resión 1ue se encuen!ra (or de/a>o de la (resión a!osfrica se denoina presión de )acío2 Se re(resen!a (or la diferencia en!re la (resión a!osfrica y la (resión a/solu!a2 |¿|

 P!a(io = P at)− P ¿

1!. Representación de procesos de comprensión# calentamiento# en3riamiento# epansión en un dia$rama T;s y P;9 1".

Temperatura eutctica

Es la 80ia !e(era!ura a la 1ue (uede (roducirse la ayor cris!ali%ación del sol6en!e y solu!o& o !a/in se dene coo la !e(era!ura 8s /a>a a la cual (uede fundir una e%cla de sólidos A y K con una co(osición >a 3$ranco& *++52 En la siguien!e gura se re(resen!a la !e(era!ura eu!c!ica en el (un!o E2

1+.


1,.

Propiedades intensivas y etensivas.

Una (ro(iedad !erodin8ica es cual1uier carac!er7s!ica o/ser6a/le y edi/le de un sis!ea2 "or e>e(lo& !e(era!ura& (resión& 6oluen2 Las (ro(iedades !erodin8icas (ueden ser: •

•

Las (ro(iedades in!ensi6as son a1uellas inde(endien!es de la asa de un sis!ea& coo !e(era!ura& (resión y densidad2 Las (ro(iedades e0!ensi6as son a1uellas cuyos 6alores de(enden del !aaQo o e0!ensión del sis!ea2 La asa !o!al& 6oluen !o!al y can!idad de o6iien!o !o!al son algunos e>e(los de (ro(iedades e0!ensi6as2

Una fora f8cil de de!erinar si una (ro(iedad es in!ensi6a o e0!ensi6a es di6idir el sis!ea en dos (ar!es iguales edian!e una (ar!ición iaginaria cada (ar!e !endr8 el iso 6alor de (ro(iedades in!ensi6as 1ue el sis!ea original& (ero la i!ad del 6alor de las (ro(iedades e0!ensi6as23Cengel&*++45

Las (ro(iedades !erodin8icas (ueden edirse direc!aen!e& ser co/inación de dos o as (ro(iedades o ser el (roduc!o de una de las leyes de la !erodin8ica2 3 )i/a1uir8&*+,*5 1.

Proceso reversile e irreversile

10.

Resuelva los si$uientes prolemas: a. =n ciclo de Carnot recie 1666 >8 de calor desde una 3uente -ue se encuentra a 066 C y cede calor a un receptor cuya temperatura es 1+6 C. Calcular el traa7o producido en >8. . Calcular el traa7o mínimo re-uerido para producir + >$ de 9ielo a partir de a$ua a 6 C. La temperatura de amiente es de 2, C y se necesitan !!!.+ >8 para producir 1 >$ de 9ielo a 6 C. c. =n re3ri$erador domstico etrae 1+66 >8?9 del compartimiento de comida. 'i el re3ri$erador tiene un C@P de 2.+# determinar la potencia consumida por el re3ri$erador. d. %ntra a$ua a una ma-uina de 9ielo a 1+ C y sale como 9ielo a ;+ C. 'i el C@P de la ma-uina de 9ielo es 2.2. $?9 de 9ielo. e. =n vaso de core# -ue pesa 1.+ >$# contiene un lo-ue de 9ielo de 16 >$ a temperatura de ;16 C# se inyecta + >$ de vapor de a$ua a 166 C.
i2 Refrigeran!e R.,-: "resión ,2,,+ /ar y !e(era!ura .* C2 ii2 Refrigeran!e aon7aco: "resión a!osfrica !e(era!ura . C2 iii2 Refrigeran!e R.**: "resión a!osfrica y !e(era!ura .*+ C2

$. 'i se re-uiere una temperatura de evaporación de ;"6 C.ABu re3ri$erante usaría y por-u.

Ki/liograf7a •

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CENGEL TUNUS T KOLES MICJAEL2 *++42 )erodin8ica2 Se0!a edición2 Mc Gra Jill2 M0ico2 ECURED2 Enciclo(edia Cu/ana2 Conociien!o con !odos y (ara !odos2 Dis(oni/le en: '!!(:2ecured2cuinde02('(LeydeRaoul!2 Consul!ado el , de Mar%o FRANCO JUAN. 2006. Manual de Refrigerai!n. Re"erte. #arel$na% E&'aa di&'$nile en *tt':++$$,&.g$$gle.e&+$$,&idF7d/rl0AC1'gA231d45ARAMA85E8MO99ER1*le&1&a1ei ;<=U7i&Mf>?&@>C$5B1"ed0C5$@6AEBA@"$ne'age145 ARAMAD205ED20MO99ER1ffal&e

GUEVARA ESLAVA& ALVARO I2 *++2 $undaen!os de !erodin8ica2 Uni6ersidad de Kogo!82 Colo/ia  #UARE& DIEGO2 *++2 )ea 2 Cin!ica 1u7ica& !erodin8ica y e1uili/rio3II52 Dis(oni/le en: '!!(:oc2uc2esciencia.e. oin1uiica.de.los.a!erialesMa!erial.de.clase!ea.2. cine!ica.1uiica.!erodinaica.y.e1uili/rio.ii2 Consul!ado el , de a/ril  )IKAUIRW& #2 *+,*2 Ma!erial de es!udio de )erodin8ica y $luidos2 $acul!ad de Ingenier7a Mec8nica2 Uni6ersidad  )ecnológica de "ereira2 Colo/ia2