Termodinámica: Fundamento Teórico Presenta: M. I. Ruiz Gasca Marco Antonio Instituto Tecnológico de Tláhuac II Agosto, 2015
1
Introducción y objetiv objetivo o
2
1.1 Termodinámica y energía energía
3
1.2 Dimens Dimensiones iones y Unidades Unidades
4
1.3 Conceptos básicos
5
1.4 Propiedades
6
Ejercicio
7
1.5 Ley Ley cero de la Termodinámica
8
1.6 El princip principio io de conserv conservación ación de de la masa
9
Ejercicio
10
1.7 Formas Formas de energ energía ía
11
1.8 Eficiencia Eficiencia en la conservación conservación de la energía energía
12
1.9 Energí Energíaa y ambiente ambiente
13
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
14
Ejercicios
15
Conclusiones
1
Introducción y objetiv objetivo o
2
1.1 Termodinámica y energía energía
3
1.2 Dimens Dimensiones iones y Unidades Unidades
4
1.3 Conceptos básicos
5
1.4 Propiedades
6
Ejercicio
7
1.5 Ley Ley cero de la Termodinámica
8
1.6 El princip principio io de conserv conservación ación de de la masa
9
Ejercicio
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1.7 Formas Formas de energ energía ía
11
1.8 Eficiencia Eficiencia en la conservación conservación de la energía energía
12
1.9 Energí Energíaa y ambiente ambiente
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1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
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Ejercicios
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Conclusiones
Introducción y objetiv objetivo o
El conocimiento que actualmente poseemos de ésta ciencia es producto de múltiples esfuezos durante generaciones.
La imágen sólo muestra algunos de ellos, la lista de logros y autores es mayor y sigue creciendo.
Introducción y objetiv objetivo o
Objetivo: Comprender los principios teóricos fundamentales y propiedades relacionados con el manejo de la energía y aplicarlos al análisis de sistemas sistemas y procesos procesos termodinámicos termodinámicos con énfasis énfasis en el uso responsab responsable le de la energía.
1.1 Termodinámica Termodinámica y energía
Fundamento Fundamento teórico: Termodinámica y energía.
1.1 Termodinámica y energía
La termodinámica es una ciencia (pertenece tanto de la física como la quiímica) que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y de las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por dichas transformaciones. La energía (del griego energeia, actividad, operación; energos, fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física,se define como la capacidad para realizar un trabajo. En termodinámica encontramos: Energía interna, Energía térmica y Potencial termodinámico.
1.1 Termodinámica y energía
El uso de la energía por parte de los países industrializados constituye un factor importante de su continuo crecimiento. Las naciones subdesarroladas deben mejorar sus estándares de vida, eso conducirá a estudios para mejorar el uso de los recursos energéticos en todo el mundo.
De este modo, la Termodinámica continuará efectuando una aportacion valiosa al estudio de nuevos sistemas de energía, así como renovar los ya conocidos.
1.1 Termodinámica y energía
1.2 Dimensiones y Unidades
Fundamento teórico: Dimensiones y unidades.
1.2 Dimensiones y Unidades
Las dimensiones son nombres que caracterizan a las magnitudes físicas. En ingeniería, cualquier ecuación que relacione magnitudes físicas tiene que ser dimensionalmente homogénea .
1.2 Dimensiones y Unidades
El sistema fundamental de unidades es el Sistema Internacional (SI) , utiliza 7 dimensiones primarias con sus respectivas unidades. Masa (kilogramo) Longitud (metro) Tiempo (segundo) Temperatura (kelvin) Corriente eléctrica (amperio) Intensidad luminosa (candela) Cantidad de sustancia (mol)
1.2 Dimensiones y Unidades
1.2 Dimensiones y Unidades
En ocasiones cuando los valores de las unidades son muy grandes o muy pequeños se utilizan prefijos, lo cual simplificará la escritura en muchos casos.
1.3 Conceptos básicos
Fundamento teórico: Conceptos básicos.
1.3 Conceptos básicos
Sistema termodinámico Es una región del espacio tridimensional o una cantidad de materia, delimitada por una superficie arbitraria. Cualquier análisis termodinámico comienza por la elección del sistema, su frontera y entorno.
1.3 Conceptos básicos
Sistema abierto Es aquel en el que tanto la masa como la energía pueden atravesar las fronteras elegidas.
1.3 Conceptos básicos
Sistema cerrado También llamado masa de control es un sistema en el que la masa no atraviesa la frontera. La energía si puede atravesar sus fronteras.
1.3 Conceptos básicos
Sistema aislado En este caso ni la masa ni la energía pueden atravesar la frontera.
1.4 Propiedades
Fundamento teórico: Propiedades.
1.4 Propiedades
Una propiedad es una característica de algún sistema, y dicha característica es independiente de la historia del sistema. En algunos casos es directamente measurable. Puede ser una combinación matemática de otro tipo de propiedades. También pueden ser aquellas definidas por las leyes de la termodinámica. Se clasifican en extensivas o intensivas.
1.4 Propiedades
Propiedad extensiva Su valor para todo el sistema es la suma de los valores de los distintos subsistemas o partes. Por ejemplo el volumen V, la energía E y la cantidad de carga eléctrica Q, generalmente se denotan con mayúsculas. Propiedad intensiva Tienen valores independientes al tamaño o cantidad de masa del sistema. Temperatura, presión, densidad, velocidad y concentración química son ejemplos de propiedades intensivas.
1.4 Propiedades
Propiedad específica Cuando una propiedad extensiva se divide por la masa del mismo sistema, una propiedad específica es una propiedad intensiva.
1.4 Propiedades
Definiciones requeridas (investigar): Peso Masa Fuerza Trabajo Calor Densidad Peso específico Volumen específico Volumen molar Energía y formas de energía
Masa de control Volumen de control Estado Equilibrio Proceso Proceso de flujo estable Fase trayectoria Ciclo Procesos de flujo estable y transitorio Leyes fundamentales de la termodinámica
Ejercicio
Ejercicios: 1.- (Unidades) El peso W de una herramienta del transbordador espacial es de 100[N], en un lugar donde la aceleración local de la gravedad es de 9 ,6[m/ s2 ]. Obtenga (a) la masa del metal en kilogramos, y (b) el peso del metal sobre la superficie de la Luna, donde g = 1,67[m/ s2 ].
Ejercicio
Solución al problema 1: (a) masa del objeto Incógnitas planteadas; m masa en la Tierra (kg) y peso en la luna F luna , en N. Basados en la segunda ley de Newton, el peso es una fuerza, y la aceleración es igual a la gravitatoria a = g, se puede escribir W = mg. W 1000 Despejando m = = = 10,42 kg. g 9, 6 (b) peso en la superficie lunar: La masa no varía, independientemente de su localización. Peso = F luna = mg = 10,42 × 1,67 [N]
1.5 Ley cero de la Termodinámica
Fundamento teórico: Ley cero de la Termodinámica.
1.5 Ley cero de la Termodinámica
Ley cero de la Termodinámica Considere dos sistemas A y B están en equilibrio térmico cada uno de ellos con un tercero C, por tanto los sistemas A y B están en equilibrio térmico entre sí.
En la práctica, el tercer sistema de la ley cero es un termómetro.
1.5 Ley cero de la Termodinámica
La ley cero y el enunciado anterior nos permiten darnos cuenta de lo importante que es la temperatura en la termodinámica. Las siguiente propiedades se utilizan en los dispositivos de medida: Volumen de gases, líquidos y sólidos (termómetro de vidrio) Presión de gases a volumen constante (termómetro de gas) Resistencia eléctrica de sólidos (termistor) Fuerza electromotriz de dos sólidos distintos (termopares) Intensidad de radiación (pirómetros ópticos o de radiación) Efectos magnéticos (temperaturas extremadamente bajas)
1.6 El principio de conservación de la masa
Fundamento teórico: El principio de conservación de la masa.
1.6 El principio de conservación de la masa
Ley de conservación de la masa También enunciada como ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Mijaíl Lomonósov en 1745 Antoine Lavoisier 1785. Se puede enunciar: En una reacción química ordinaria, la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos.
1.6 El principio de conservación de la masa
Principio de conservación de la masa para un volumen de control Considere ausencia de reacciones nucleares, la masa entonces es una propiedad conservativa. Para un Volumen de control (VC) el principio puede enunciarse: (Variación de masa dentro de un VC durante un intervalo de tiempo ) = (masa total que entra al VC durante un intervalo de tiempo ) − ( masa total que sale del VC durante un intervalo de tiempo )
Ejercicio
Enunciar la expresión de la primera ley de manera analítica, usando las variables m VC , m sVC , m e . Además explique tres posibles casos (mVC = msVC , mVC < msVC , mVC > msVC ) basados en el análisis de desigualdades ejemplificando con gráficas ( m ˙ ,t).
1.7 Formas de energía
Fundamento teórico: Formas de energía.
1.7 Formas de energía
Usualmente algunos de estos conceptos se introducen en los cursos de mecánica ó física general, sin embargo vamos a revisitar algunos de ellos. Trabajo Mecánico El trabajo mecánico en un desplazamiento finito desde la posición 1 a la posición 2 se obtiene de la siguiente integral:
¯s2
W mec =
¯ ext d ¯s, F
¯s1
sus unidades más utilizadas en termodinámica son: newton-metro (Nm), julio (J), kilojulio (KJ). En el sistema USCS (inglés) son: pie-libra fuerza (ft lb) y la únidad térmica británica (Btu).
1.7 Formas de energía
Energía cinética traslacional El trabajo de aceleración es el realizado sobre el sistema para cambiar su velocidad, de un estado 1 a otro estado 2 y puede escribirse: W ac =
1 2
mV 22
−
1 2
V 12 = ∆ E c
Energía potencial gravitatoria El trabajo gravitatorio es el realizado sobre el sistema para cambiar su altura, de un estado 1 (posición z 1 ) a otro estado 2 ( z2 ) y puede escribirse: W grav = mgz2
−
mgz1 = ∆ E p
1.7 Formas de energía
El trabajo mecánico puede modelarse combinando ambas expresiones cuando existen ambas en la dinámica del sistema, esto es: W mec = ∆ E c + ∆ E p
Además definiremos
d
˙ mec como la potencia siendo La (∆ E c + ∆ E p ) = W
dt velocidad a la que se transfiere energía a través de la frontera de un sistema mediante trabajo. Más adelante (en la primera ley de la termodinámica) se estudiará la interacción de este balance energético con el término Q de calor.
1.7 Formas de energía
Trabajo en eje También llamado trabajo mecánico rotatorio, se evalúa en función del par requerido en el extremo del eje.
1.7 Formas de energía
Trabajo eléctrico Considerando la intensidad de corriente I y la diferencia de potencial V que se miden en la frontera del sistema (análogamente al trabajo en eje) cuando se mueve una pequeña carga de un punto 1 a 2 en un campo electrostático. ˙ se denomina la potencia eléctrica Además W
1.8 Eficiencia en la conservación de la energía
Fundamento teórico: La eficiencia es un indicador numérico de aprovechamiento, ya sea expresado entre 0 y 1, ó en porcentaje de 0 a 100. Suele denotarse con la letra griega η :
η
=
E Salida E Entrada
El concepto es muy general y puede aplicarse a sistemas eléctricos, hidráulicos, incluso económicos, entre otros.
1.9 Energía y ambiente
Fundamento teórico: Energía y ambiente.
1.9 Energía y ambiente
El comportamiento del medio ambiente puede modelarse con elementos de la ciencia de la termodinámica, entre más acertado sea un análisis disponemos de argumentos más sólidos para debatir los fenómenos que nos conciernen: Efecto invernadero. Efectos por deforestación. Factores externos como la actividad solar.
1.9 Energía y ambiente
En la imágen de la derecha un ejemplo del uso de las leyes de la termodinámica para el estudio formal de los efectos en el uso de celdas solares sobre espacios cerrados.
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
Fundamento teórico: Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos.
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
En principio, los sistemas biológicos NO están en equilibrio termodinámico. Las interacciones y transformaciones energéticas, están dadas principalmente por cuatro elementos: Hidrógeno (63 % aprox.) Oxígeno (25.5 % aprox.) Carbono (9.6 % aprox.) Nitógeno (1.4 % aprox.) 1.4 % restante para otros 20 elementos esenciales para la vida.
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
El principio de Margale Los seres vivos son sistemas físicos (equivalencia) complejos, integrados por un sistema disipativo y uno auto organizativo acoplados entre sí (condición). Este es uno de varios enfoques, no el único, como por ejemplo los balances químicos o teoría general de sistemas.
Ejercicios
◦
◦
1.- Conversión de temperaturas, grados Farenheit F y grados Celsius C. (a) Hallar la temperatura en la escala Celsius equivalente a 41 F. (b) Hallar la temperatura en la escala Farenheit equivalente a 37 C. Considerando 5 t c = (t F − 32). Además obtenga para ambos su equivalente en la escala 9 absoluta Kelvin. ◦
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Ejercicios
(a) Aplicar directamente la ecuación con t c = 5 C ◦
(b) Despejar de la ecuación a t c y reemplazar i c = 37 C, 9 t F = t c + 32 = 98,6 F 5 ◦
◦
Ejercicios
1.- Un coche de carreras pequeño (kart) tiene una masa de 200 libras-masa incluido el piloto y está propulsado por un motor de 3 hp. Estímese cuánto tiempo tardaría el coche en alcanzar una velocidad de 40 millas por hora en un circuito de carreras horizontal. ¿ Es esa estimación una cota superior o inferior? Supóngase que se puede disponer de toda la potencia mecánica para acelerar el coche.
Figura: Esquema y datos del ejemplo
Ejercicios
Considerando un sistema cerrado, aplicamos balance de energía mecánica despreciando variaciones de energía potencial: ∆ E cmc = W mec , donde E cmc es la energía cin”etica de la masa de control.
Se puede utilizar esta relación potencia-trabajo: W mec =
˙ mec dt = W ˙ motor ∆t . W
Ya que la potencia motriz es constante, el balance queda: 1 ˙ W mec = W motor ∆t = m(v22 − v21 ). 2 Ya que el coche arranca desde cero, consideramos v 1 = 0, despejando v22 1 tenemos ∆t = m ˙ motor 2 W sustituyendo tenemos ∆ t = 6,48 En termino realistas, tenemos una cota superior ya que ∆t real > 6,48s
Conclusiones
Conclusiones y parte final
