1.sistemas termodinámicos
TRANSCRIPT
TERMODINÁMICA DE PROCESOS
UNIVERSIDAD REGIOMONTANA
DEPARTAMENTO DE ING. QUÍMICA
“SISTEMAS TERMODINÁMICOS”
M. C. CIRO CÉSAR SEGOVIA 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.
PISTÓN (FRONTERA), GAS (SISTEMA)
La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de su entorno se llama frontera o límite.
SISTEMA
CERRADO
Alrededores
Límites del
Sistema
Gas N2
EJEMPLO DE SISTEMA
SISTEMA ABIERTO EN ESTADO TRANSITORIO
TIPOS DE SISTEMAS
Un sistema cerrado
sólo puede intercambiar
energía con su entorno,
pero no materia.
Sistema abierto es el
sistema que puede
intercambiar materia y
energía con su entorno.
Un sistema aislado no
puede intercambiar
materia ni energía con su
entorno.
TIPOS DE SISTEMAS
En los siguientes ejemplos indique el tipo
de Sistema
VASO TÉRMICOHELADO
DE NIEVEVASO CON
HIELOS
AISLADOABIERTO
CERRADO
TIPOS DE SISTEMAS
CUERPO HUMANO AUTO HÍBRIDOAUTO 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 T1 hasta T2.
∆HSENSIBLE = m Cp (T2 - T1)
CALOR ESPECÍFICO
Cp es dependiente de la Temperatura, pero en intervalos pequeños de Temperatura se puede considerar constante.
Dependencia de Cp
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 ∆Hf ·103(J/kg) T ebullición ºC ∆Hv ·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.
1
2
12
2
1
2
1
2
1
V
VLnnRTW
LnVLnVnRTV
dVnRTW
dVV
nRTPdVW
PdVdW
V
V
V
V
V
V
TAREA
Desarrolle una expresión analítica
para un Gas Real (@ T=cte) que
obedece la Ecuación de Van der
Waals.
2V
a
bV
RTP
PdVdW
ENERGÍA INTERNA
La Energía Interna es la suma
de la Energía Cinética,
Rotacional, Vibratoria, Potencial
y Química de las Moléculas que
componen al Sistema.
T1 T2
MOVIMIENTO MOLECULAR MOVIMIENTO MOLECULAR
CALOR
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA
WQU
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.
WQU
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.
Por lo tanto, según la primera ley de termodinámica: W = Q =
Q1 – Q2.
CICLO DE CARNOT
RTPV
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA LEY DEL GAS IDEAL
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
Para la trayectoria aeb.
Waeb = -20J
Para la trayectoria bda.
Wbda = +30J
JUacb
JJWacbQacbUacb
60
40100
JQaeb
JJQaeb
QaebJ
JQaebWaebQaebJ
JUaebUacb
80
2060
2060
2060
60
JJJQbda
Qbda
JQbdaWbdaQbda
JUaebUacbUbda
903060
3060
3060
60
BIBLIOGRAFÍA
“Introducción a la Termodinámica en Ing. Química”, Smith Van Ness, 5ª Ed. Mc Graw Hill.
“Termodinámica”, Yunus Cengel, 6ª Ed. Mc GrawHill.