INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS COATZACOALCOS UNIDAD I:
“ FUNDAMENTO TEORICO. ”
A S I G N A T U R A : - TERMODINAMIC TERMODINAMICA A Á r e a: INGENIERIA MECANICA P R E S E N T A:
Ing. Jesús Gerardo Vega Rodríguez COATZACOALCOS, VERACRUZ. AGOSTO 2012 - ENERO DEL 2013 1
C O M P E T E N C I A E S P E C I F I C A A D E S A R R O L L A R: Comprender los conceptos básicos de la termodinámica; explicar el concepto de sustancia pura y sus propiedades. propiedades.
A C T I V I D A D E S D E A P R E N D I Z A J E: Investigar el concepto de energía energ ía y su importancia i mportancia en el e l desarrollo des arrollo tecnológico. •
Investigar la definición de termodinámica y el campo de aplicación de esta disciplina. •
Elaborar un ensayo sobre termodinámica y energía.
•
2
C O M P E T E N C I A E S P E C I F I C A A D E S A R R O L L A R: Comprender los conceptos básicos de la termodinámica; explicar el concepto de sustancia pura y sus propiedades. propiedades.
A C T I V I D A D E S D E A P R E N D I Z A J E: Investigar el concepto de energía energ ía y su importancia i mportancia en el e l desarrollo des arrollo tecnológico. •
Investigar la definición de termodinámica y el campo de aplicación de esta disciplina. •
Elaborar un ensayo sobre termodinámica y energía.
•
2
A C T I V I D A D E S D E A P R E N D I Z A J E: Investigar Investigar el significado de los siguientes conceptos, propiedades y sus aplicaciones: peso, masa, fuerza, trabajo, calor, densidad, peso especifico, volumen específico, volumen molar, sistemas cerrados, abiertos y aislados, límites o fronteras, entorno, masa de control, volumen de control, estado, equilibrio, proceso, proceso de flujo estable, fase trayectoria ,ciclo, propiedad termodinámica, propiedades extensivas, propiedades intensivas, propiedad específica, presión, temperatura, estado y equilibrio termodinámico, procesos y ciclos, trayectoria, procesos de flujo estable y transitorio, leyes fundamentales de la termodinámica, energía y formas de energía. •
Elaborar trabajos escritos sobre temperatura y ley cero de la termodinámica.
•
3
A C T I V I D A D E S D E A P R E N D I Z A J E: Investigar los diferentes tipos de dispositivos para medir la temperatura.
•
Elaborar un trabajo trabaj o escrito sobre presión: presión : tipos, significado, signific ado, medición medició n y aplicaciones. •
Discutir los principales aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos.
•
Resolver problemas que involucren el concepto de presión y temperatura.
•
Elaborar un resumen sobre diferentes sistemas de unidades.
•
Resolver problemas de conversión de unidades. Aplicar la constante gc a la solución de problemas. problemas. •
4
T E M A R I O: UNIDAD 1
TEMA Fundamento teórico.
SUBTEMA 1.1. Termodinámica y Energía. 1.2. Dimensiones y unidades. 1.3. Conceptos básicos. 1.4. Propiedades. 1.5. Ley cero de la termodinámica. 1.6. El principio de conservación de la masa. 1.7. Formas de energía. 1.8. Eficiencia en la conversión de energía. 1.9. Energía y ambiente. 1.10. Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos.
TERMODINAMICA:
I N T R O D U C C I O N. La materia de Termodinámica provee la base para asignaturas de las áreas de ciencias de la ingeniería e ingeniería aplicada, tales como: mecánica de fluidos, sistemas e instalaciones hidráulicas, máquinas de fluidos compresibles, máquinas de fluidos incompresibles, sistemas de generación de energía, refrigeración y aire acondicionado. Por ello, se inserta en la primera mitad de la trayectoria escolar, antes de cursar aquéllas a las que da soporte. De manera particular, lo trabajado en esta asignatura se aplica en el estudio de los temas: ecuación de conservación de la
energía, análisis de procesos termodinámicos, mecanismos básicos de transferencia de calor , intercambiadores de calor , acondicionamiento de aire y refrigeradores, turbinas de gas y de vapor , compresores, ventiladores, turbinas hidráulicas, bombas, entre otros. TERMODINAMICA:
Se organiza el temario en seis unidades, combinando los contenidos conceptuales de la asignatura con ejemplos y problemas de aplicación en ingeniería de los procesos termodinámicos. En primera instancia se abordan los principios y conceptos fundamentales que darán sentido y clarificarán la importancia de la asignatura. El
conocimiento de las propiedades termodinámicas y las formas de energía permitirán al alumno comprender mejor la relación entre el medio ambiente y la energía, sensibilizándolo respecto al uso eficiente de la energía
TERMODINAMICA:
1.1. TERMODINÁMICA Y ENERGÍA.
TERMODINAMICA:
Desde los tiempos prehistóricos, el hombre se encontró compartiendo su vida con los cuatro elementos que mucho más tarde consideraba Aristóteles las bases del Universo: la tierra, el agua, el aire y el fuego. Este último comenzó pronto a manejarlo, producirlo y utilizarlo.
FIGURA 1.1. LOS CUATRO ELEMENTOS.
TERMODINAMICA:
Al principio sólo para calentarse, después para cambiar sus herramientas de piedra por metálicas, combinando así la combustión con la posibilidad de transformaciones de la materia, reacciones químicas, lo cual hizo posible lentamente, la construcción de su vivienda, y de sus herramientas. Al principio sólo manejó, como ayuda a su esfuerzo muscular y al de los animales, la fuerza del viento y de las corrientes de agua, y tuvo que remontarse hasta hace unos trescientos años, para crear la máquina que trajo en la historia la revolución industrial.
FIGURA 1.2. EVOLUCION DE LAS HERRAMIENTAS.
TERMODINAMICA:
¿ QUE ES LA ENERGÍA ? La energía, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la disciplina de la Termodinámica que pretendemos estudiar. Sabemos que la materia posee energía tanto por su misma naturaleza, energía interna, como por su relación con un medio externo referencial; así conocemos la energía potencial relacionada con la posición en un campo externo, [ gravitatorio, eléctrico o magnético] y también la energía cinética relacionada con el movimiento de traslación o de rotación.
FIGURA 1.3. AURORA BOREAL.
TERMODINAMICA:
Estamos perfectamente familiarizados con los conceptos de energía térmica, mecánica , eléctrica, lumínica , etc., y conocemos de sus posibles transferencias y también de sus transformaciones de unas formas en otras.
FIGURA 1.4. TRANSFORMACIONES DE ENERGIA.
TERMODINAMICA:
Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de la conservación de la energía, que establece que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante, por tanto, la energía no puede crearse ni destruirse.
FIGURA 1.3. LA ENERGIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE;
TERMODINAMICA:
FIGURA 1.4. CUALQUIER ACTIVIDAD EN LA NATURALEZA IMPLICA UNA INTERACCION ENTRE ENERGIA Y MATERIA; POR ELLO ES DIFICIL IMAGINAR UN AREA QUE NO SE RELACIONE CON LA TERMODINAMICA EN ALGUN ASPECTO.
ZONA DE VIDEO
¿ QUE ES LA ENERGÍA ? PARTE 1 ¿ QUE ES LA ENERGÍA ? PARTE 2
TERMODINAMICA:
¿ QUE ES TERMODINAMICA ? La termodinámica por su definición (del griego, termo, que significa calor y dínamis, que significa fuerza) es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. La termodinámica tiene como objetivo el entender las interrelaciones entre los fenómenos mecánicos, térmicos y químicos. Por ello se puede definir como
la Ciencia que estudia todas las transformaciones o conversión de unas formas de energías en otras y también la transmisión o transferencia de determinada clase de energía. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo.
TERMODINAMICA:
AÉREAS DE APLICACIÓN
AVIONES.
SISTEMAS A/A.
EL CUERPO HUMANO.
CENTRALES ELECTRICAS. RADIADOR DE AUTOMOVIL.
SISTEMAS DE REFRIGERACION.
La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: •
Principio Cero: Permite definir la temperatura como una propiedad.
Primer Principio: Define el concepto de energía como magnitud conservativa.
•
Segundo Principio: Define la entropía como medida de la dirección de los procesos. •
Tercer Principio: Interpretación física de la entropía como orden de los sistemas; se usa en termoquímica. •
TERMODINAMICA:
CIENTIFICOS PIONEROS EN LA TERMODINAMICA Entre los numerosos científicos que han intervenido en el desarrollo de la termodinámica podríamos señalar seis a los que se puede atribuir las bases de esta ciencia: El primero de ellos debemos considerar a Antoine Laurent Lavoisier (Francia, 1743-1794) que con sus numerosos trabajos cabe atribuirle la fundación de la química moderna. Estudió la estequiometria de las reacciones, el conocimiento de la combustión, la composición del aire y del agua; interviene en la nomenclatura de elementos y compuestos químicos. Con su célebre frase “nada se crea, nada se pierde” presenta y demuestra la ley de la conservación de la materia, precursora de la 1ª ley de la termodinámica de la conservación de la energía. TERMODINAMICA:
Nicolás Léonard Sadi Carnot (Francia, 1796-1832) desde la presentación ante la Academia Francesa de su trabajo sobre la potencia del fuego, abre el campo al análisis de las máquinas térmicas. Su nombre nos acompañará durante todo este curso. El rendimiento de su famoso ciclo ideal, el llamado ciclo de Carnot, que deberemos emplear incluso en el análisis más moderno de los sistemas termodinámicos.
Rudolf J. Clausius (Alemania, 1822-1888), entre sus trabajos señalamos la introducción de una nueva propiedad termodinámica, la entropía. Es el artífice de la formulación matemática del segundo principio.
TERMODINAMICA:
William Thomson, Lord Kelvin (Escocia, 1824-1907), del que destacaremos la creación de la escala de temperaturas que lleva su nombre y la definición de la llamada energía disponible de un sistema.
James Prescott Joule (Inglaterra, 1818-1889), cervecero y experto en el uso de los termómetros, deduce la equiparación (Comparación, relación de proporción o similitud) entre la energía térmica y el trabajo. La unidad de la energía toma su nombre. TERMODINAMICA:
Josiah Willard Gibbs (USA, 1839-1903). Fue un hombre modesto, trabajó en Yale durante nueve años sin recibir nada por su trabajo hasta que fueron reconocidas sus aportaciones, que abren el camino de la termodinámica moderna y de la mecánica estadística. Su célebre Regla de las fases y sus numerosas ecuaciones fundamentales entre las propiedades termodinámicas, abrieron el paso a toda la moderna química e ingeniería industrial.
TERMODINAMICA:
1.2. DIMENSIONES Y UNIDADES.
TERMODINAMICA:
Cualquier cantidad física se caracteriza por sus dimensiones, las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas de las dimensiones como la masa m, la longitud L, el tiempo t y la temperatura T se consideran dimensiones primarias o fundamentales, en tanto que otras como la velocidad , la energía E y el volumen V se expresan en términos de las dimensiones primarias y reciben el nombre de dimensiones secundarias o derivadas. A lo largo de los años se han creado varios sistemas de unidades. Un sistema de unidades es un conjunto consistente de unidades de medida. Definen un conjunto básico de unidades de medida a partir del cual se derivan el resto. Existen varios sistemas de unidades de los cuales se utilizan dos conjuntos de unidades: el sistema ingles y el métrico SI .
TERMODINAMICA:
El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, del francés: Le Système International d'Unités), también denominado Sistema Internacional de Medidas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en casi todos los países. Es el heredero del antiguo Sistema Métrico Decimal y es por ello por lo que también se lo conoce como sistema métrico, se instauró en 1960, a partir de la Conferencia General de Pesos y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica: el mol . Una de las características trascendentales, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que sus unidades se basan en fenómenos físicos fundamentales. Excepción única es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, definida como la masa del prototipo internacional del kilogramo, un cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas. TERMODINAMICA:
TABLA 1.1. LAS SIETE DIMENSIONES FUNDAMENTALES Y SUS UNIDADES EN EL SI.
TABLA 1.2. PREFIJOS ESTANDAR EN UNIDADES DEL SI.
El sistema anglosajón de unidades es el conjunto de las unidades (no métricas que se utilizan actualmente) es oficial en solo 3 países en el mundo , como Estados Unidos de América , Liberia y la Unión de Myanmar (antiguamente conocida como Birmania), además de otros territorios y países con influencia anglosajona pero de forma no oficial, como Bahamas, Barbados, Jamaica, Puerto Rico o Panamá. Pero existen discrepancias entre los sistemas de Estados Unidos y el Reino Unido (donde se llama el sistema imperial), e incluso sobre la diferencia de valores entre otros tiempos y ahora. Sus unidades de medida son guardadas en Londres, Inglaterra. Este sistema se deriva de la evolución de las unidades locales a través de los siglos, y de los intentos de estandarización en Inglaterra. Las unidades mismas tienen sus orígenes en la antigua Roma. Hoy en día, estas unidades están siendo lentamente reemplazadas por el Sistema Internacional de Unidades, aunque en Estados Unidos la inercia del antiguo sistema y el alto costo de migración ha impedido en gran medida el cambio. TERMODINAMICA:
1.3. CONCEPTOS BÁSICOS.
TERMODINAMICA:
SISTEMA TERMODINÁMICO Un sistema termodinámico, o simplemente un sistema se define como una
porción (cantidad de materia) o región del universo para objeto de estudio. Un sistema es una región restringida , no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía. Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o límites del sistema , que pueden ser reales o imaginarios. También se llaman superficie de control . El medio rodeante o entorno , es la parte del universo próxima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema.
TERMODINAMICA:
FRONTERA
FIGURA 1.5. SISTEMA, ALREDEDORES Y FRONTERA.
La frontera puede ser fija o móvil . Observe que la frontera es la superficie de contacto compartida tanto por el sistema como los alrededores. En términos
matemáticos la frontera tiene espesor cero, por ello no contiene ninguna masa ni ocupa volumen alguno en el espacio. Frontera móvil
FIGURA 1.6. SISTEMA CON FRONTERA MOVIL O FIJA.
Frontera fija
TERMODINAMICA:
TIPOS DE SISTEMA. Los sistemas serán cerrados o abiertos, lo que depende de si se elige para el estudio de una masa fija o un volumen fijo. En función de los límites, un sistema puede ser:
Cerrado: es una región de masa constante; a través de sus límites sólo se permite la transferencia de energía. También se le denomina masa de control . •
Aislado: un sistema aislado no puede transferir materia ni energía con el
•
medio rodeante. El universo en su totalidad se puede considerar como un sistema aislado
Abierto: en un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de
•
energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente constante. También se le denomina volumen de control . TERMODINAMICA:
(No) Masa
(Si) Masa
Energía (Si)
SISTEMA ABIERTO
(No) Masa Energía (Si)
SISTEMA CERRADO
FIGURA 1.7. SISTEMAS CERRADO, AISLADO Y ABIERTO.
Energía (No)
SISTEMA AISLADO
ZONA DE VIDEO
SISTEMA TERMODINAMICO EJEMPLOS DE SISTEMAS CERRADOS Y SISTEMAS ABIERTOS TERMODINAMICA:
PROPIEDADES DE UN SISTEMA. Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de éste . Algunos ejemplos son la presión P, la temperatura T, el volumen V y la masas m. Las propiedades de un sistema definen su "estado". La lista de estas propiedades se puede reducir, si se considera que no todas son significativas para un análisis determinado. Por ejemplo, el color de un avión no será significativo para analizar las características de su despegue, pero sí puede serlo para su estado estético y para su análisis comercial. Por ello se agrupan las propiedades en clases significativas según los tipos de análisis, y por ello se proponen diferentes tipos de estados.
TERMODINAMICA:
De acuerdo con ello, las características del despegue del avión puede depender de su estado geométrico, su velocidad y altitud; estas serán características de su estado cinético (características mecánicas); la temperatura, presión y humedad de la cabina relacionarán su estado termodinámico. La termodinámica gira alrededor de la energía y por ello las
propiedades termodinámicas serán aquellas que se relacionan con la energía, y definen su estado termodinámico.
FIGURA 1.8. DESPEGUE DE UN AVION.
TERMODINAMICA:
TIPOS DE PROPIEDADES. Algunas propiedades internas o termodinámicas son: la masa m, presión P,
temperatura T, volumen V, energía interna U, entropía S, y además los factores térmicos , etc. Para sistemas compresibles cerrados estas propiedades son las apropiadas. Para sistemas abiertos, o cerrados en movimiento, hay además un segundo tipo de propiedades, que son las externas o mecánicas; dependen del movimiento o de la posición del sistema en el campo gravitatorio: la velocidad c y la altura z, es decir, de la energía cinética y potencial . potencial . En general las propiedades se pueden clasificar de la siguiente manera intensivas o extensivas.
TERMODINAMICA:
Propiedades intensivas: Son independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema, por ejemplo la presión, temperatura, viscosidad y altura. Las propiedades intensivas se representan con letras minúsculas , con la excepción de la temperatura T y presión P .
Propiedades extensivas: Son aquellas que dependen de la masa del sistema, por ejemplo el volumen V, la masa m y todas las clases de energía E. Las propiedades extensivas se representan con letras mayúsculas , con la excepción de la masa m. Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades especificas. Algunos ejemplos de propiedades especificas son el volumen especifico (v = V/m) y la energía total especifica (e = E/m)
TERMODINAMICA:
m
½m
½m
V
½V
½V
T
T
T
P
P
P
FIGURA 1.9. CRITERIO PARA DIFERENCIAR ENTRE PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS.
TERMODINAMICA:
ESTADO Y EQUILIBRIO. Estado termodinámico es una condición del sistema definida por determinados valores de sus propiedades termodinámicas. Estados idénticos de un sistema, presentan los mismos valores en sus propiedades, independientemente del proceso o transformaciones que haya podido efectuar para alcanzarlo. Considere un sistema que no se somete a ninguna cambio (esta en equilibrio) . En este caso, es posible medir o calcular todas las propiedades del sistema, lo que resulta en un conjunto de propiedades que describen por completo la condición o el estado del sistema.
TERMODINAMICA:
FIGURA 1.10. UN SISTEMA EN DOS ESTADOS DIFERENTES
TERMODINAMICA:
La termodinámica estudia estados en equilibrio, un sistema está en
equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades . Para comprobar si un sistema está en equilibrio habría que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por sí solo. Hay muchos tipos de equilibrio, y un sistema no esta en equilibrio
termodinámico a menos que las condiciones de todos los tipos relevantes de equilibrio se satisfagan. Cuando se produce una variación de una o de varias o de todas las propiedades del sistema, se dice que se da un cambio de estado o proceso.
TERMODINAMICA:
Si un sistema no posee en su interior fuerza alguna no equilibrada y las que ejerce a través de sus fronteras (si éstas no son rígidas) se equilibran con las del exterior que actúan sobre él, se encontrará en equilibrio mecánico; si la temperatura es uniforme en la totalidad del sistema y es la misma que la de sus alrededores (cuando sus paredes sean diatérmicas; que deja pasar el calor fácilmente) se encontrará en equilibrio térmico; cuando la composición química de un sistema permanece sin alteración lo tendremos en equilibrio químico; por lo tanto un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. En el sistema no habrá flujo de
energía, materia, ni carga, etc..., permaneciendo ellas y la composición, constantes en el interior.
TERMODINAMICA:
POSTULADO DE ESTADO. El numero de propiedades que se requiere para fijar el estado de un sistema está dado por el postulado de estado: “El estado de un sistema compresible
simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes.” “Se trata de un sistema compresible simple cuando si carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y tensión superficial.”
El postulado de estado requiere que las dos propiedades especificadas sean independientes para fijar el estado; y son independientes si una de ella puede variar mientras la otra se mantiene constante.
TERMODINAMICA:
Por ejemplo: A nivel del mar (P = 1atm) el agua hierve al 100°C, pero en la cima de una montaña donde la presión es menor, hierve a una temperatura más baja, es decir, T =ƒ (P) durante un proceso de cambio de fase así que no son suficientes para fijar el estado de un sistema.
P = 1 atm
FIGURA 1.11. EBULLICIÓN DEL AGUA.
TERMODINAMICA:
PROCESOS Y CICLOS. Un sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado a otro, y la serie de estados por el cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria del proceso. Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.
FIGURA 1.12. UN PROCESO ENTRE LOS ESTADOS 1 Y 2 Y LA TRAYECTORIA DEL PROCESO.
TERMODINAMICA:
El cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos:
Proceso cíclico: Cuando el sistema a través de una serie de cambios de estado, finalmente vuelve a su estado inicial.
Proceso cuasi-estático: Ocurre cuando de tal manera que el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio en todo momento. Un proceso de cuasi se considera un proceso lo suficientemente lento, como para permitir al sistema realizar ajuste interno de manera que las propiedades en una parte del sistema no cambien más rápido que otras.
FIGURA 1.13. PROCESO DE COMPRESION DE CUASI-EQUILIBRIO.
TERMODINAMICA:
Proceso reversible: Es un proceso cuasi-estático, que puede ser llevado de nuevo al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios del proceso. Este tipo de proceso se les conoce como procesos ideales.
Proceso irreversible: Son los procesos reales. En ellos siempre habrá degradación de energía y generación de entropía.
FIGURA 1.14. CICLO DE REFRIGERACION POR COMPRESION DE VAPOR.
TERMODINAMICA:
El prefijo iso se emplea con frecuencia para designar un proceso en le que permanece constante una propiedad particular.
1.- Proceso Isotérmico: Proceso en donde la temperatura permanece cte. 2.- Proceso Isobárico: Proceso en donde la presión permanece cte. 3.- Proceso Isocorico: Proceso en donde el volumen especifico permanece cte.
que un sistema se somete a un ciclo si al termino del proceso regresa a su estado inicial”. TERMODINAMICA: “Se dice
1.4. PROPIEDADES.
TERMODINAMICA:
DENSIDAD. Densidad (r) es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia.
= m/V
Unidad de densidad en el (SI): Kilogramo entre metro cúbico (kg/m³). Unidad de densidad en el Sistema Ingles: Libra entre pie cúbico (lb/ft 3 ) TERMODINAMICA:
VOLUMEN ESPECIFICO. El volumen específico (v) es el volumen ocupado por unidad de masa de un material o sustancia. Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia; (reciproco de la densidad).
v = V/m = 1/ Unidad de densidad en el (SI): Metro cúbico entre kilogramo (m³/kg). Unidad de densidad en el Sistema Ingles: Pie cúbico entre libra (ft 3 /lb) TERMODINAMICA:
DENSIDAD RELATIVA Y ESPECIFICA. La densidad relativa es una comparación de la densidad especifica de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. Ambas densidades se expresan en las mismas unidades y en iguales condiciones de temperatura y presión. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades. A veces se la llama gravedad específica, tal denominación es incorrecta, por cuanto que en ciencia el término "específico" significa por unidad de masa.
r =
/
0
TERMODINAMICA:
Donde es la densidad relativa es igual a la ( referencia ( 0),
sust),
entre la densidad
Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua es de 1000 kg/m3 •
Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C. En esas condiciones la densidad del aire es de 1,293 kg/m3 •
TERMODINAMICA:
TEMPERATURA. La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.
TERMODINAMICA:
FIGURA 1.15. COMPARACION DE ESCALAS DE TEMPERATURA.
TERMODINAMICA:
La escala Kelvin se relaciona con la escala Celsius por medio:
T(K) = T(°C) + 273.15 La escala Rankine se relaciona con la escala Fahrenheit mediante:
T(R) = T(°F) + 459.67 Las escalas de temperatura en ambos sistemas de unidades se relacionan per medio de:
T(R) = 1.8 T(K) T(°F) = 1.8 T(°C) + 32
TERMODINAMICA:
PRESION. La presión se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie; en otras palabras es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. En unidades SI la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m2 ), unidad denominada Pascal (Pa). En relación con la presión atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se suele utilizar los múltiplos como el kPa, MPa o el bar , donde: 1 bar = 105 N/m2 = 0.1 MPa = 100 kPa 1 atm = 101,325 Pa = 1.01325 bar = 101,325 kPa 1 kgf/cm2 = 9.807 N/cm 2 = 9.807 x 104 N/m2 = 9.807 x 104 Pa = 0.9807 bar = 0.96788 atm TERMODINAMICA:
En el caso de un gas, la presión es el resultado de los impactos de las moléculas del gas contra la pared. Como las moléculas se mueven en todas las direcciones, la presión es la misma con independencia de la orientación de la pared donde se mide: la presión es una magnitud escalar . Para gases formados por mezcla de varias sustancias, se habla de presión parcial como la contribución de cada gas a la presión total de la mezcla. Puede considerarse que la presión parcial de un gas es el resultado de las colisiones de las moléculas de ese gas contra la pared del recipiente. En el caso de líquidos, la presión se debe a la fuerza de la gravedad (peso) del líquido: se denomina presión hidrostática, dado por la siguiente ecuación (rgL)
TERMODINAMICA:
La presión real en una posición dada se denomina presión absoluta y se mide respecto al vacio absoluto (es decir, la presión del cero absoluto). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos que miden presión se calibran para leer el cero en la atmosfera y por ello indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Esta diferencia se denomina presión manométrica. Las presiones por debajo de la atmosférica reciben el nombre de presiones de vacío y se miden con medidores de vacío que indican la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta. Las presiones absoluta, manométrica y de vacio son cantidades positivas y se relacionan entre sí por medio de:
P manométrica = P abs – P atm (para presiones sobre P atm) P vac = P atm – P abs (para presiones abajo P atm) TERMODINAMICA:
FIGURA 1.16. PRESIONES ABSOLUTA, MANOMETRICA Y DE VACIO. TERMODINAMICA:
1.5. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA.
TERMODINAMICA:
La temperatura es una propiedad esencial en Termodinámica. Su determinación cuantitativa (Medida) se realiza con instrumentos llamados termómetros. La Ley Cero de la Termodinámica postula que es posible medir la temperatura, es decir, que la temperatura es una propiedad . La temperatura T es aquella propiedad que determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad absoluta en el sistema internacional es el kelvin (K).
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto , en un tiempo determinado t , estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto. TERMODINAMICA:
C
B
A t = lapso de tiempo determinado FIGURA 1.17. DOS CUERPOS ALCANZAN EL EQUILIBRIO TERMICO DESPUES DE HABERSE PUESTO EN CONTACTO EN UN RECINTO AISLADO. TERMODINAMICA:
CALOR. Hasta el siglo XIX una teoría consideraba al calor como una sustancia indestructible y sin peso, llamado calórico ; la temperatura indicaba una cierta mezcla de calórico con la materia. Otra teoría consideraba al calor como algo relacionado con el movimiento, bien de partículas o de un fluido difundido por toda la materia y estos errores con frecuencia siguen siendo parte de su antigua definición. Actualmente se considera, desde un punto de vista cinético, que el calor viene ligado, por una parte a la vibración mecánica de la materia (fonones), y
por otra a un transporte de partículas dotadas de energía (moléculas, electrones, etc.). Se transmite en sólidos por conducción , en líquidos por conducción y convección , en gases por conducción, convección y radiación y en el vacío por radiación en forma de ondas electromagnéticas. TERMODINAMICA:
Se sabe por la experiencia, que cuando un cuerpo caliente se pone en contacto con uno frío, el primero se enfría y el segundo se calienta, hasta que ambos igualen sus temperaturas. Se ha producido, pues, una transferencia de energía del cuerpo caliente al frío; esta energía así transferida se llama calor; el cuerpo caliente ha disminuido su energía interna, y el cuerpo frío la ha aumentado. En esta definición viene implícito el hecho de que un cuerpo no contiene calor , sino que denominamos con este término la energía, en tanto cruza los límites, es decir, el calor es un fenómeno transitorio y, por lo tanto, el calor no es una función de estado. Si tenemos un cuerpo caliente como sistema A y un cuerpo frío como sistema B, ni A ni B contienen calor, pero al ponerlos en contacto térmico el calor se transfiere desde A hasta B, (régimen transitorio), hasta lograr el equilibrio de temperaturas, (régimen estacionario); al final del proceso ninguno de los sistemas contiene calor. TERMODINAMICA:
De lo anteriormente escrito podemos deducir que la energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Debido a lo anterior podemos definir como calor:
Como la energía interna (movimiento molecular) que intercambian los cuerpos y/o sustancias (energía de tránsito) en un estado desequilibrio térmico ; Por lo tanto podemos afirmar lo siguiente cuanta más energía se mete en un sistema, más activas se ponen sus moléculas, cuanto más rápidas se mueven las moléculas, más energía térmica o calor producen. La cantidad de calor en una sustancia está determinada por qué tan rápido se mueven sus moléculas, que a su vez depende de cuánta energía tiene el sistema.
TERMODINAMICA:
CALOR SENSIBLE Y LATENTE. Se define el calor sensible como aquel que va asociado a cambios de temperatura (el que podemos censar), mientras que el calor latente se considera asociado a efectos caloríficos propios de reacciones químicas, cambios de fase de un sustancia (liquido-vapor), etc., en los que la temperatura permanece constante.
Unidades, 1 caloría = 4,186 Joules, y es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de un gramo de agua desde 14,5°C hasta 15,5°C a la presión normal.
TERMODINAMICA:
ZONA DE VIDEO
LEYES DE LA TERMODINAMICA (ENTROPIA)
TERMODINAMICA:
1.6. EL PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MASA.
TERMODINAMICA:
La ley de conservación de la masa o ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov - Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar como; 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 . FIGURA 1.18. LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA: EN TODA REACCIÓN QUÍMICA, LA MASA DE LOS CUERPOS REACCIONANTES ES IGUAL A LA MASA DE LOS PRODUCTOS DE LA REACCIÓN.
TERMODINAMICA:
ZONA DE VIDEO
PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA MASA
TERMODINAMICA:
1.7. FORMAS DE ENERGÍA.
TERMODINAMICA:
La energía puede existir en numerosas formas: térmica, mecánica, cinética , potencial , eléctrica, magnética, química, nuclear , etc., las formas de energía son distintas manifestaciones de lo mismo: Energía. Es decir, formas de energías que son los distintos tipos de visualización en los que la energía se manifiesta en la naturaleza. La termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto de la energía total de un sistema. Solo trata con el cambio de la energía total , lo que es importante en los problemas de ingeniería. De modo que la energía total de un sistema es posible asignarle un valor de cero en un punto de referencia conveniente. “El cambio en la energía total de un sistema es independiente del punto de referencia elegido” . TERMODINAMICA:
En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil considerar en dos grupos las diversas formas de energía que conforman la energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas. La energía macroscópica puede ser debida a dos causas: La masa y la velocidad de un determinado cuerpo, que origina la denominada energía cinética o su posición dentro de un sistema de referencia, que da lugar a la energía potencial . La energía interna o microscópica radica en la estructura de la materia, en las moléculas, los átomos y las partículas que la forman.
TERMODINAMICA:
TERMODINAMICA: FIGURA 1.19. DIVERSAS FORMAS DE ENERGIA MICROSCOPICAS QUE FORMAN ENERGIA SENSIBLE
1.8. EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA.
TERMODINAMICA:
La disponibilidad de la energía y la habilidad de las personas para aprovechar esa energía en forma útil ha transformado nuestra sociedad. Hace apenas unos siglos, la mayoría de la población luchaba por subsistir produciendo la comida de consumo local. Actualmente, en muchos países una pequeña fracción de la fuerza de trabajo total produce abundante comida para toda la población y mucha de esta gente queda libre para otras actividades. Es posible viajar grandes distancias en poco tiempo mediante la elección de transportes; también es posible la comunicación instantánea con personas en cualquier lugar de la tierra; así como se tienen los medios para controlar grandes cantidades de energía a nuestro antojo personal en forma de automóviles, herramientas eléctricas, aparatos y condicionamiento en las viviendas.
TERMODINAMICA:
¿Cómo se produjeron esos cambios? , fueron el resultado de una combinación de inventiva e ingenio, acoplados con una esmerada construcción teórica por algunos grandes científicos e ingenieros a través de los años. La historia de este desarrollo de la ciencia básica y de la ingeniería tal como ahora se conocen, además de interesante, una fuente de inspiración, pero resulta muy larga para resumirla aquí. Como resultado del desarrollo de la ciencia y de las aplicaciones termodinámicas ha crecido la habilidad para obtener energía, transformarla y emplearla para satisfacer las necesidades de nuestra sociedad, cambiándola de una sociedad agraria a una moderna. En la definición de termodinámica se ve claramente que esta ciencia no sólo es útil a los ingenieros en sus vidas profesionales sino que ha jugado, y continúa haciéndolo, un papel vital en el desarrollo de la sociedad. ¿Pero a que costo? TERMODINAMICA:
La Eficiencia Energética (EE) es el conjunto de acciones que permiten
optimizar la relación entre la cantidad de energía consumida y los productos y servicios finales obtenidos. Esto se puede lograr a través de la implementación de diversas medidas e inversiones a nivel tecnológico, de gestión y de hábitos culturales en la comunidad. Es usar bien la energía, porque EE es ahorrar sin perder en calidad de vida o en calidad de producción, muestra de ello es la introducción de nueva tecnología o el cambio de conducta en las personas, como por ejemplo,
desenchufar y apagar todos los artefactos eléctricos que no se estén usando, utilizar la lavadora con carga completa, una vez hervida el agua guardarla en el termo y así muchos ejemplos que se pueden aplicar en el día a día, y que nos permiten ser más eficientes. El uso inteligente y eficiente de la energía permite, además de ahorrar, disminuir la dependencia energética; reducir la contaminación (CO2); mejorar la calidad de vida y aliviar el bolsillo de los consumidores. TERMODINAMICA:
1.9. ENERGÍA Y AMBIENTE.
TERMODINAMICA:
1.10. ASPECTOS TERMODINÁMICOS DE LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS. TERMODINAMICA:
BIBLIOGRAFÍA.
TERMODINAMICA:
