http://tecnologica.udistrital.edu.co/moodlehttp://thermo.sdsu.edu/TEST-Espanol/testhome/Test/problems/problems.htmlhttp://www.fing.edu.uy/if/cursos/fister/varios/biblio/texto/c3.pdf

Algunos comentarios introductorios

1.1 La termodinmica simple 1.2 Celdas de combustible 1.3 El ciclo de refrigeracin por comprensin de vapor 1.4 El refrigerador termoelctrico1.5 La planta para separacin de aire 1.6 La turbina de gas 1.7 La maquina de cohete qumico1.8 Actualidades sobre el ambiente

2. Algunos conceptos y definiciones

2.1 Un sistema termodinmico y el volumen de control2.2 Puntos de vista macroscpico y microscpico2.3 Propiedades y estado de una sustancia 2.4 Procesos y ciclos 2.5 Unidades para masa, longitud, tiempo y fuerza 2.6 Energa2.7 Volumen especfico 2.8 Presin 2.9 Igualdad de temperatura2.10 La ley cero de la termodinmica 2.11 Escalas de temperatura 2.12 La escala internacional de temperatura de 1990

3. Propiedades de una sustancia pura

3.1 La sustancia pura3.2 Equilibrio de fases vapor-lquido-slido en una sustancia pura 3.3 Propiedades independientes de una sustancia pura3.4 Ecuaciones de estado para la fase vapor de una sustancia comprensible simple 3.5 Tablas de propiedades termodinmicas3.6 Superficies termodinmicas

4. Trabajo y calor

4.1 Definicin de trabajo4.2 Unidades para el trabajo 4.3 Trabajo realizado en el lmite mvil de un sistema comprensible simple en un proceso en cuasi equilibrio4.4 Algunos otros sistemas en los que se realiza trabajo en el lmite mvil de un sistema 4.5 Sistemas que tienen otras formas de trabajo 4.6 Algunas observaciones concluyentes relacionadas con el trabajo4.7 Definicin de calor4.8 Unidades de calor 4.9 Comparacin entre calor y trabajo

5. La primera ley de la termodinmica

5.1 La primera ley de la termodinmica para una masa de control que experimenta un ciclo5.2 La primera ley de la termodinmica para un cambio de estado de una masa de control 5.3 Energa interna: una propiedad termodinmica5.4 Tcnica para analizar y resolver problemas5.5 La propiedad termodinmica de entalpa5.6 Calores especficos a volumen constante y a presin constante 5.7 Energa interna, entalpa y calor especfico de los gases ideales 5.8 La primera ley como una ecuacin de rapidez 5.9 Conservacin de la masa5.10 Conservacin de la masa y el volumen de control 5.11 La primera ley de la termodinmica para un volumen de control 5.12 El proceso a rgimen permanente con flujo estable 5.13 El coeficiente de Joule-Thomson y el proceso de obturacin 5.14 El proceso en estado uniforme con flujo uniforme

6. La segunda ley de la termodinmica

6.1 Mquinas trmicas y refrigeradores 6.2 Segunda ley de la termodinmica 6.3 El proceso reversible 6.4 Factores que hacen irreversible los procesos6.5 El ciclo de Carnot 6.6 Dos proposiciones sobre la eficiencia de un ciclo de Carnot 6.7 La escala termodinmica de temperaturas 6.8 La escala de temperatura de un gas ideal 6.9 Equivalencias de la escala de temperaturas del gas ideal y de la escala termodinmica 6.10 La salida de potencia y el ciclo de Carnot

7. Entropa

7.1 Desigualdad de Clausius7.2 Entropa: propiedad de un sistema 7.3 La entropa de una sustancia pura 7.4 Cambio de entropa en procesos reversibles7.5 La relacin de la propiedad termodinmica 7.6 Cambio de entropa en una masa de control durante un proceso irreversible7.7 Generacin de entropa 7.8 Principio del incremento de entropa 7.9 Cambio de entropa de un slido o un lquido 7.10 Cambio de entropa de un gas ideal 7.11 El proceso politrpico reversible para un gas ideal7.12 La segunda ley de la termodinmica para un volumen de control 7.13 Proceso a rgimen permanente con flujo estable y proceso en estado uniforme con flujo uniforme7.14 Proceso reversible a rgimen permanente con flujo estable 7.15 Principio del incremento de entropa7.16 Eficiencia 7.17 Comentarios generales sobre la entropa

CAPITULO I. CONCEPTOS-PROPIEDADES-LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.

Definicin de termodinmica.

Es el estudio d e la conversin de energa entre calor y trabajo mecnico, y subsecuentemente las variables microscpicas como volumen, temperatura y presin.

El punto de partida para la mayora de consideraciones termodinmicas son las leyes de la termodinmica, que postulan que la energa puede intercambiarse entre sistemas fsicos como calor o trabajo.

Tambin postula la existencia de una cantidad denominada entropa que se puede definir para cualquier sistema aislado en equilibrio termodinmico.

En termodinmica, las interacciones entre ensambles grandes de objetos se estudian y categorizan.

La energa es la capacidad de realizar un trabajo producir un efecto. En los ejemplos presentados a continuacin se observan diferentes procesos, cotidianos y complejos en los cuales se presentan fenmenos energticos.

Ejemplos cotidianos de transformacin de energa

Ejemplos de transformacin de energa a gran escala.

Actividad: Analice los sistemas anteriormente presentados y describa las transformaciones energticas.

Conceptos.

Dos conceptos importantes son sistema y alrededores.

Un sistema esta compuesto de partculas cuyos movimientos promedio definen sus propiedades, las cuales se relacionan mediante las ecuaciones de estado.

Las propiedades se pueden combinar para definir la energa interna y potenciales termodinmicos los cuales son tiles para determinar condiciones para equilibrio y procesos espontneos.

Sistema termodinmico: dispositivo combinacin de dispositivos que contienen una cantidad de materia que se estudia. Intercambia energa con el ambiente.

Superficie de control: separa el entorno de la masa o volumen de control. Puede ser abierta (flujos de masa energa) cerrada.

Lmites: pueden ser mviles estacionarios.

Masa de control: superficie de control que est cerrada al flujo de masa. Contiene la misma cantidad de materia en todo momento.

En la figura se observa un sistema termodinmico modelado como una masa de control. La superficie de control que limita a la masa, est en lnea punteada.

SHAPE

La masa contenida en el recipiente tiene un valor constante y se puede expandir y contraer variando sus propiedades de volumen, presin, temperatura e inclusive su energa interna, adems puede realizar intercambio de energa con el entorno ambiente, en forma de calor trabajo, que atraviesan la superficie de control, pero la masa sigue siendo constante.

La masa de control tambin se denomina sistema cerrado.

Volumen de control: Es una porcin de volumen en el espacio que contiene la masa que se est estudiando. Sus lmites permiten flujos de energa y masa. Ejemplo, un tanque de agua al cual ingresa y del cual sale agua. La masa dentro del volumen puede cambiar o permanecer constante con el tiempo. Tambin se denomina sistema abierto.

Fase. Cantidad de materia totalmente homognea. En varios estados pueden existir al mismo tiempo varias fases en una sustancia. Ejemplo fases slida, lquida, gas, mezclas de las mismas.

Interfase: es el lmite entre fases en una sustancia.

Estado: En una fase la sustancia puede existir a diferentes presiones y temperaturas. Esto se denomina estado.

Las propiedades identifican un estado solamente cuando el sistema est en equilibrio.

Propiedades macroscpicas observables: presin, temperatura, densidad.

Las propiedades en un estado tienen un nico valor, sin importar cmo se lleg a este estado.

Definicin de propiedad: cualquier cantidad que depende del estado de un sistema y es independiente de la trayectoria parra llegar a ese estado.

Las propiedades describen el estado de un sistema cuando este est en equilibrio. El equilibrio puede ser mecnico, qumico, termodinmico.

Las variables de estado involucradas en los sistemas termodinmicos son:

Presin.

Temperatura.

Volumen.

Energa interna.

Las propiedades de una sustancia pueden ser:

Propiedades intensivas. No dependen de la masa de la sustancia. Ejemplo: presin, temperatura, volumen especfico, densidad.

Propiedades extensivas: dependen de la masa de la sustancia. Ejemplos: volumen, masa.

Equilibrio.

Es una caracterstica muy importante en un sistema y se logra cuando el sistema no est en condiciones de realizar intercambios con el entorno. Para que exista equilibrio, se deben cumplr varias condiciones:

Equilibrio trmico: la temperatura es igual en todos los puntos del sistema.

Equilibrio mecnico: no hay tendencia para que la presin en el sistema cambie con el tiempo, si el sistema est aislado del entorno.

Equilibrio qumico: el sistema no experimenta reacciones qumicas.

Equilibrio termodinmico: al considerar todos los posibles cambios de estado, el sistema se encuentra en equilibrio. Implica todos los equilibrios anteriores.

Proceso: trayectoria que uno los estados de un sistema.

Procesos cuasi equilibrio: la desviacin del equilibrio termodinmico es infinitesimal. Es un proceso ideal. Todos los estados por los que pasa el proceso, se pueden aproximar a estados de equilibrio.

Se dice que un sistema pasa por un proceso termodinmico, o transformacin termodinmica, cuando al menos una de las coordenadas termodinmicas no cambia. Los procesos ms importantes son:

Procesos isotrmicos: son procesos en los que la temperatura no cambia.

Procesos Isobricos: son procesos en los cuales la presin no vara.

Procesos Iscoros: son procesos en los que el volumen permanece constante.

Procesos adiabticos: son procesos en los que no hay transferencia de calor alguna.

Se denomina ciclo termodinmico a cualquier serie de procesos termodinmicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variacin de las magnitudes termodinmicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que stas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energa entre ste y su entorno. Un hecho caracterstico de los ciclos termodinmicos es que la primera ley de la termodinmica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

SHAPE

Ejemplo de proceso y ciclo.

Segundo: tiempo requerido para que un haz de tomos de cesio 133 resuene 9192631770 ciclos en un resonador de cesio.

Metro: longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vaco durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

Kilogramo: masa de un determinado cilindro de platino iridio a unas condiciones prescritas.

Mol: cantidad de sustancia que contiene tantas partculas elementales como tomos hay en 0.012 kg de carbono 12. Cantidad de sustancia expresada en gramos igual al peso molecular.Tambin se define como una masa de has igual a M gramos, siendo M el peso molecular del gas. Un kilogramo de carbono 12 contiene 6.023x1023 tomos. Por lo tanto, un mol de cualquier sustancia contiene esta misma cantidad de tomos.

Volumen especifico.

Es la relacin entre el volumen de una sustancia y su masa.

En general, existen diferentes clases de propiedades especficas.

Se puede tener tambin el caudal especfico.

Las propiedades especificas se nombran con letra minscula

Las propiedades molares se nombran con una raya en la parte superior.

q: calor por unidad de masa, w: trabajo por unidad de masa,

Presin.

La presin en un fluido en reposo en un punto determinado es la misma en todas direcciones. Se define como la componente normal de fuerza por unidad de rea.

SHAPE

SHAPE

Temperatura: una medida de la calidad de la energa.

Cuando dos sistemas se ponen en contacto hay un flujo de energa entre ellos, a menos que o hasta que alcancen el equilibrio trmico.

Esto es un estado de igual temperatura.

Ley cero de la termodinmica.

Si dos sistemas termodinmicos estn cada uno en equilibrio trmico con otro tercero, estn en equilibrio trmico entre ellos.

Ley cero de la termodinmica. Escalas de temperatura.

Ejercicios: Capitulo 2. libro Van Wylen (CONSULTAR LAS GRFICAS DE LOS EJERCICIOS)

1. Un kilogramo biatmico de N2 con peso molecular 28 se encuentra dentro de un depsito de 500 lts. Encuentre el volumen especifico en base masa y en base mol.

2. Un cilindro hidrulico vertical tiene un pistn de 150 mm de dimetro que contiene fluido hidrulico y se encuentra a la presin ambiente de 1 bar. Si se supone una gravedad estndar, encuentre la masa del pistn que creara una presin interior de 1250 kPa.

3. Un manmetro de presin diferencial montado en un recipiente muestra una lectura de 1.25 Mpa y un barmetro local indica una presin atmosfrica de 0.96 bar. Calcule la presin absoluta dentro del recipiente.

4. Un pistn de 5 kg en un cilindro con dimetro de 100 mm se carga con un resorte lineal y una presin atmosfrica exterior de 100 kPa. El resorte no ejerce ninguna fuerza sobre el pistn cuando se encuentra en el fondo del cilindro y, para el estado que se muestra, la presin es de 400 kPa con un volumen de 0.4 l. La vlvula se abre para dejar entrar algo de aire y provoca una elevacin de 2 cm en el pistn. Calcule la nueva presin.

5. Dos recipientes A y B abiertos a la atmsfera se conectan con un manmetro de mercurio. El deposito A se mueve hacia arriba o hacia debajo de modo que las dos superficies superiores se encuentren equilibradas en h3. Determine la densidad de B, suponiendo que se conocen la densidad de A y las alturas h1, h2, h3.

CAPITULO 2. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS.

Estudio d e la materia.

El enfoque que utilizan las diferentas ciencias que tienen como objeto el estudio de los fenmenos que ocurren en la materia, puede diferir de acuerdo principalmente con los objetivos que se tracen.

Esencialmente podemos tener el punto de vista microscpico y el punto de vista macroscpico.

Los dos puntos de vista no son excluyentes sino complementarios ya que ambos aportan informacin valiosa sobre la materia.

Desde el punto de vista de ingeniera, los sistemas de materia se modelan teniendo en cuenta principalmente los valores de las propiedades que se pueden medir, y las que se pueden estimar con base en relaciones de las propiedades medibles. Aunque en realidad si miramos imaginamos la materia como un agregado de partculas elementales, con diferente orden y alcance de integracin, dependiendo de los estados en que se encuentre, podemos llegar a la conclusin de que aunque cada partcula elemental posee unas propiedades determinadas que pueden variar entre otras cosas con el tiempo y su posicin dentro del agregado de partculas, resulta muy complicado modelar sistemas teniendo en cuenta el comportamiento y propiedades de cada una de las partculas que conforman el agregado d e materia.

Desde el punto de vista de los fsicos y qumicos, puede ser racional y de gran utilidad conocer el comportamiento de cada partcula. Sin embargo de acuerdo con las teoras modernas, como por ejemplo la teora cuntica, la posicin y los niveles de energa de las partculas individuales son difciles o prcticamente imposibles de estimar, existen teoras como la mecnica estadstica y la teora cintica de gases, que permiten hacer aproximaciones de gran precisin.

En este curso, se abordar ms exactamente el estudio d e los fenmenos que involucran intercambios de energa termodinmicos, desde el punto de vista del ingeniero.

Sin embargo, es importante tener en cuenta sobre todo la interpretacin del concepto de energa interna, y los fenmenos energticos que posibilitan su existencia.

Si consideramos la materia desde el punto de vista macroscpico, identificamos como principales clases de energa la energa cintica y las energa potenciales suficientemente estudiadas en los cursos de fsica.

Tambin es posible identificar la energa trmica, que es debida a la temperatura que posee un cuerpo. Esta energa es en realidad una parte de la energa interna que posee el cuerpo. Esta energa interna se puede explicar como un resultado de las energas cinticas y potenciales que existen dentro d e la materia, pero analizadas ya desde el punto de vista microscpico.

En la figura siguiente se muestran arreglos de partculas elementales. Cada molcula esta compuesta por tomos y dems partculas subatmicas. Estas partculas pueden poseer las siguientes clases de energa:

Energa potencial asociada con las fuerzas intermoleculares. Dependiendo del estado d e agregacin d e la materia, estas fuerzas pueden ser grandes pequeas. Por ejemplo en los lquidos son pequeas, en los gases mas pequeas y en los slidos grandes.

Tambin se pueden tener energa cintica debido al movimiento de las molculas. Esta es una energia molecualr de traslacion.

La energia intramolecular esta asociada con los movimientos de rotacion d ellas moleculas y de vibracion d e los atomos, alrededor d esu posicion de equilibrio.

.

Diferentes estados de agregacin d e la materia segn la teora cintica molecular.

En cuanto a las partculas subatmicas, los electrones pueden tener valores de energa descritos por los nmeros cuantiaos. Pueden tener momento o spin debido a los giros alrededor de su propio eje.

La energa interna es caracterstica de nivel microscpico, debida a las energas mencionadas anteriormente. La energa interna se manifiesta principalmente por un aumento en la temperatura, cambio en la energa potencial intermolecular.

Existe otra energa intramolecular, debido a las interacciones entre tomos de una molcula.

En la siguiente figura, se aprecian los posibles movimientos de vibracin y rotacin que pueden tener las molculas. Los movimientos de vibracin implican una variacin en la distancia entre los tomos de una molcula. En el caso de la figura, se analiza una molcula de agua, con los dos tomos de hidrgeno en color blanco y el de oxigeno en color rojo. Las flechas indican el acercamiento o separacin entre los tomos, propios de un movimiento oscilatorio. En la ultima figura se aprecia la rotacin del tomo.

La molecula de agua tiene 9 grados de libertad, que corresponden a tres traslaciones, tresrotaciones y tres vibraciones.

Una molecula diatomica tiene 6 grados de libertad: tres traslaciones, dos rotaciones y una vibracion.

Adems de las anteriores, se pueden identificar otras dos clases de energa, que son la energa qumica y la energa nuclear. Tanto la energa qumica como la nuclear, se ponen de manifiesto cuando existen reacciones entre los elementos componentes de la materia, esto es en forma de reacciones qumicas nucleares. Es una forma de energa potencial.

Sustancia pura: Es una sustancia cuya composicin y propiedades son iguales en cualquier fase. Puede existir en ms de una fase, pero su composicin qumica es igual en todas. Ejemplo: agua. El aire no es una sustancia pura porque su composicin cambia cuando es gas o liquido o con la temperatura o presin.

Equilibrio termodinmico.

Este concepto es muy importante, ya que para realizar el estudio d e los sistemas desde el punto de vista termodinmicos, se prefiere hacerlo cuando estos se encuentran en equilibrio. Por lo tanto, definiremos primero el concepto de equilibrio termodinmico. Para hacerlo, se tendrn en cuenta primero los conceptos de equilibrio:

mecnico,

trmico,

qumico

Nuclear.

Fases.

En la siguiente figura, se observan tres estados de una sustancia pura que es el agua. En el estado a, el agua se caracteriza por tener una presin, temperatura y volmen. Se calienta y el volumen aumenta, manteniendo al presion constante. La temperatura aumenta y ahora coexisten las fases liquida y vapor, (vapor hmedo),(b) si se contina calentando, se convierte todo en vapor, la temperatura puede permanecer constante, durante el cambio de fase .

SHAPE

Equilibrio de fases vapor-liquido slido en una sustancia pura.

En la siguiente figura se observa una sustancia en unas condiciones definidas de presin y temperatura, en la cual coexisten las fases lquida y hmeda, en forma del estado que se denomina vapor hmedo.

Se puede observar que para cada valor de temperatura, existe solamente una presin a la cual coexisten las dos fases. Lo contrario tambin es vlido. Esto significa que el estado de un vapor hmedo est determinado por la presin la temperatura ms otra propiedad independiente como se ver ms adelante. La presin y la temperatura no son propiedades independientes en una sustancia cuando coexisten estas dos fases.

Otra observacin es que las fases coexisten en equilibrio termodinmico dentro de esta regin.

En la siguiente grfica se observa la grfica completa, en donde adems se distinguen los diferentes estados conformados por una sola fase, dos fases tres fases en equilibrio.

Es de anotar, que el concepto de fase en termodinmica tiene un significado diferente al mismo concepto utilizado en ciencia de materiales cuando se describen las microestructuras de los mismos.

SHAPE

En la sigueinte figura se obsrva una grafica temperatura volumen especifico. Esta se ha obtenido despues de graficas tridimensionalmente todos los posibles estados de la sustancia, en una combinacion de coordenadas Tempeartura, presion y volumen especifico. Se obtienen 3 planos que son p-v, p-T, t-v, el cual se representa en la figura.

La curva en forma de camapna, representa el limite de las diferentes fases. Por ejemplo, a la izquierda, se tiene la zona denominada liquido saturado, que separa las fases liquido a su izquierda, y vapor humedo a la derecha. Todos los puntos sobre esta linea representan estados en fase liquida. De manera similar, todos los puntos en la linea derecha de la campana, repersentan estados en donde la sustancia se encuentra en la fase de vapor saturado ysepara las fases de vapor seco o gas y vapor humedo.

Hacia la parte de abajo d el limite izquierdo de la campana, se tiene la fase solida a la izquierda, en lugar de fase liquida. Por lo tanto, la linea de liquidosaturado, separa las fase solido y vapor humedo. Las lineas en color azul representan trayectorias de presion constante. A presiones bajas, siguiendo la linea A (0,1 Mpa), se parte de la region de solido y atravieza la campana en la region de vapor saturado, llegando a la region d evapor sobrecalentado o gas. En la trayectoria E, se parte de solido y pasa a vapor sobrecalentado. El punto superior representa el punto critico del agua, o sea en el cual se pasa directamente de la region liquido a gas. En este punto no es posible identificar cda una de las fases.

PROPIEDADES INDEPENDIENTES DE UNA SUSTANCIA PURA.

El estado de una sustancia pura simple compresible (sin efectos gravitacionales, de superficie, elctricos, magnticos) se determina mediante dos propiedades independientes. Ejemplo: presin -volumen especifico, presin -calidad.

ECUACIONES DE ESTADO PARA LA FASE VAPOR D E UNA SUSTANCIA COMPRESIBLE SIMPLE.

Las propiedades d e la materia se pueden relacionar de diferentes formas. Una de ellas es la que utiliza modelos analitos por lo general deducidos experimentalmente y que se denomina ecuaciones de estado. Existen adems otras formas de evaluar estas propiedades, mediante las tablas termodinmicas, las cartas generalizadas de propiedades. Existen muchas ecuaciones de estado, aplicables a diferentes los mismos casos.

Gas ideal:

Es una idealizacin de una sustancia, representada por un modelo en el cual se supone que la sustancia posee baja densidad, baja presin, las temperatura es mayor a la temperatura ambiente, no hay energa de enlace entre las molculas, solamente posee energa cintica, y est dada por la temperatura.

Ecuaciones de estado:

Relacionan los valores de las propiedades termodinmicas. Existen numerosas ecuaciones de estado. La ms conocida es la de los gases ideales. Es obtenida experimentalmente.

R= Constante universal de los gases ideales (8,314472 J/molK) o (0,0821 atmL/molK)

n: numero de moles.

Otras ecuaciones de estado:

Ecuacin de Van der Waals

ntese que Vm es el volumen molar.

Factor de compresibilidad: (Z).

Indica la desviacin de una sustancia con respecto a un gas ideal.

El factor de compresibilidad Z es un factor que compensa la falta de idealidad del gas, as que la ley de los gases ideales se convierte en una ecuacin de estado generalizada.

Z=1 para un gas ideal.

Para z0 cuando hay transferencia de calor positiva, irreversibilidad ambas.

S2-S1= 0 proceso adiabtico reversible.

S2-S1