Materia: FÍSICA APLICADA III Semestre: Septiembre 2015 – Febrero 2016 Profesor: Ing. Juan Carlos Parra MSc. Semana de clase: I

A. FUNDAMENTACIÓN. Los temas a ser tratados le dan al estudiante una visión general de la termodinámica. Lo familiarizan con los sistemas de unidades, las escalas de temperatura, los procesos y ciclos termodinámicos. Al inicio de cada clase, se procederá a una realimentación de los temas necesarios, posteriormente una exposición del tema a tratarse, poniendo énfasis en la importancia del mismo dentro de su proceso de formación y vida laboral (motivación). Los principales métodos a emplearse son; Situación (al plantear un problema), Discusión (en el proceso de solución), Simulación ( al plantear un problema real ), Juego de roles y de Trabajo independiente ( el alumno dibuja en forma individual las figuras con la guía del docente). Los medios a utilizarse son: pizarra, retroproyector, elementos mecánicos reales, marcadores, borrador, textos. De la experiencia, se deduce que el uso de un texto guía es de gran utilidad en el proceso enseñanza – aprendizaje. A.1 INTRODUCCIÓN La definición precisa de conceptos básicos como sistema, estado, equilibrio, proceso, temperatura, presión, densidad, constituye una base sólida para el desarrollo de la termodinámica. El estudio cuidadoso de estos conceptos es esencial para lograr una buena comprensión de los temas tratados en este curso. A.2 OBJETIVOS

∙ Identificar el vocabulario específico relacionado con la termodinámica por medio de la definición precisa de conceptos básicos con la finalidad de formar una base sólida para el desarrollo de los principios de la termodinámica.

∙ Entender los conceptos básicos de la termodinámica, como sistema, estado, equilibrio, proceso, temperatura, presión y gas ideal, para resolver problemas relacionados a estos temas.

A.3 CONTEXTO

CAPÍTULO I: CONCEPTOS BÁSICOS

1. Termodinámica y energía 2. Sistemas cerrados y abiertos 3. Propiedades de un sistema 4. Densidad y densidad relativa 5. Estado y equilibrio 6. Procesos y ciclos 7. Temperatura y ley cero de la termodinámica 8. Presión y formas de medir

TERMODINÁMICA Y ENERGÍA La termodinámica se define como la ciencia de la energía. La energía se pude definir coma la capacidad que tienen los cuerpos para producir un trabajo. Entonces el concepto de termodinámica se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia. Una ley fundamental de la naturaleza es el principio de conservación de la energía. Esta expresa que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. El cambio en el contenido energético de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energía, y el balance de esta se expresa como Eentrada – Esalida = ΔE.

SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis, como se indica en la figura 1. La frontera de un sistema puede ser fija o móvil. Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado (masa de control) consta de una cantidad fija de masa. Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado.

Figura 1.

Figura 2

Pero la energía, en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera, como se indica en la figura 2. Un sistema abierto, o volumen de control, como suele llamarse, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. La región se selecciona dentro del dispositivo como volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control. Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control y pueden ser reales o imaginarias (figura 3).

Figura 3 Figura 4 PROPIEDADES DE UN SISTEMA Cualquier característica de un sistema se llama propiedad, como presión P, temperatura T, volumen V y masa m. Las propiedades son intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presión y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema, como la masa, volumen total y cantidad de

movimiento total. DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO, GRAVEDAD ESPECÍFICA DENSIDAD La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa.

La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3, también se utiliza frecuentemente la unidad g/cm3 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS A (20ºC) Sustancia Densidad (g/cm3) Sustancia Densidad (g/cm3) Acero 7.7­7.9 Oro 19.31

Aluminio 2.7 Plata 10.5

Cinc 7.15 Platino 21.46

Cobre 8.93 Plomo 11.35

Cromo 7.15 Silicio 2.3

Estaño 7.29 Sodio 0.975

Hierro 7.88 Titanio 4.5

Magnesio 1,76 Vanadio 6.02

Níquel 8.9 Volframio 19.34 Sustancia Densidad (g/cm3) Sustancia Densidad (g/cm3) Aceite 0.8­0.9 Bromo 3.12

Ácido sulfúrico 1.83 Gasolina 0.68­0.72

Agua 1.0 Glicerina 1.26

Agua de mar 1.01­1.03 Mercurio 13.55

Alcohol etílico 0.79 Tolueno 0.866 PESO ESPECÍFICO (τ) La densidad está relacionada con el grado de acumulación de materia (un cuerpo compacto es, por lo general, más denso que otro más disperso), pero también lo está con el peso. Así, un cuerpo pequeño que es mucho más pesado que otro más grande es también mucho más denso. Esto es debido a la relación P = m ∙ g existente entre masa y peso. No obstante, para referirse al peso por unidad de volumen la física ha introducido el concepto de peso específico γ que se define como el cociente entre el peso P de un cuerpo y su

volumen. El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. La relación entre peso específico y densidad es la misma que la existente entre peso y masa. En efecto: La unidad del peso específico en el SI es el N/m3. GRAVEDAD ESPECÍFICA (S) Es la relación entre el peso de la sustancia y el peso de un volumen igual de agua en condiciones estándar. También conocida como densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón: Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 4 ºC es igual a 1000 kg/m3. Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a 0 ºC de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1,293 kg/m3. Como toda magnitud relativa, que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas. ESTADO Y EQUILIBRIO Estado, es un sistema que no experimenta ningún cambio. Todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo el estado del sistema. En un estado de equilibrio el sistema no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores. Hay muchos tipos de equilibrio, y un sistema no está en equilibrio termodinámico a menos que se satisfagan las condiciones de todos los tipos necesarios de equilibrio. PROCESOS Y CICLOS Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso, y la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso. Para describir completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue (figura 4). Cuando un proceso se desarrolla lo suficientemente lento como para permitir al sistema ajustarse internamente de modo que las propiedades de una de sus partes no cambien más rápido que otras, estamos ante un proceso cuasiestático. El proceso cuasiestático es un caso idealizado, pero es posible modelarlo como cuasiestático. Cuando un sistema ha experimentado un ciclo, o sea regresa a su estado inicial, es un proceso cíclico.

El proceso de flujo estacionario o estable, se define como un proceso durante el cual un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control (figura 5). Es decir, las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del volumen de control, pero en algún punto fijo permanecen sin cambio durante todo el proceso.

Figura 5 TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA A veces se asocia el concepto de temperatura con lo caliente o frío que se siente al tocar un objeto. Entonces nuestros sentidos nos dan una indicación cualitativa de la temperatura, no es posible asignar valores numéricos. Para entender el concepto de temperatura hay que definir dos frases: contacto térmico y equilibrio térmico. Dos cuerpos están en contacto térmico entre sí, si pude ocurrir un cambio de energía entre ellos, debido a la diferencia de temperaturas, en ausencia de trabajo macroscópico realizado por uno de ellos sobre el otro. Equilibrio térmico, es una situación en la que dos cuerpos en contacto térmico entre sí, dejan de tener todo intercambio neto de energía. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor se transfiere del que está a mayor temperatura hacia el que está a menor temperatura hasta alcanzar la misma temperatura. La temperatura es la que caracteriza el equilibrio térmico de un sistema. Si todos los puntos del sistema tienen la misma temperatura, entonces está en equilibrio térmico. El tiempo que tardan dos cuerpos en alcanzar el equilibrio térmico depende de las propiedades de los mismos y de los caminos disponibles para el intercambio de energía. La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, estos están en equilibrio térmico entre sí. TERMÓMETROS Y ESCALAS DE TEMPERATURA Los termómetros son dispositivos utilizados para definir y medir la temperatura de un sistema. El termómetro tiene que estar en equilibrio térmico con el sistema a medir.

Todos los termómetros se basan en el hecho de que alguna propiedad física cambia con la temperatura como, el cambio en el volumen de un líquido, cambio en la longitud de un sólido, cambio en la presión de un gas a volumen constante, cambio en el volumen de un gas a presión constante, cambio en el color de un cuerpo muy caliente, etc. Con cualquiera de estas propiedades termométricas se puede establecer una escala de temperatura para una sustancia dada. El termómetro se puede calibrar colocando en contacto térmico con algunos sistemas naturales que permanezcan a temperatura constante (puntos fijos de temperatura), como la mezcla de agua y hielo, a la presión atmosférica, la cual se define con 0 [oC] en la escala Celsius y 32 [oF] en la escalaFahrenheit. La mezcla de agua y vapor de agua, 100 [oC] en la escala Celsius y 212 [oF] en la escala Fahrenheit. La relación entre las dos escalas está dada por:

(T 2)T c = 95

F − 3 ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA Para establecer esta escala se creó el termómetro de gas a volumen constante (figura 6), el cual fue calibrado usando los puntos de congelación y de ebullición del agua, de la siguiente manera. El frasco se sumergió en un recipiente de agua helada y el depósito B de mercurio se subía o bajaba hasta que la parte superior del mercurio en la columna A esté en el punto cero de la escala. La alturah, la diferencia entre los niveles de mercurio en el depósito B y la columna A, indica la presión (Po) en el frasco, para el agua helada.

Figura 6 La conversión entre la escala Celsius y la Kelvin es: Tc = T – 273.15

El Comité Internacional de Pesas y Medidas (1954), propuso una nueva escala basada en dos nuevos puntos fijos. El primer punto es el cero absoluto y el segundo es el punto triple del agua. Este punto se presenta a una temperatura de 0.01 oC y una presión de 4.58 mm de Hg. APLICACIONES Texto base: capítulo 1, problemas 8, 9, 10, 11, 32, 33, 34 B. ACTIVIDADES SEGÚN CRONOGRAMA:

PRIMERA ENTREGA: 8 días a partir de la entrega del documento.

Texto base: capítulo 1, preguntas desde la 20 a 28

SEGUNDA ENTREGA: 10 días a partir de la entrega del documento.

Texto base: capítulo 1, problemas 35 al 39 C. BIBLIOGRAFÍA:

TEXTO BASE:

∙ Yunus Cengel, Michael Boles, Termodinámica, séptima edición, McGRAW­HILL/INTERAMERICANA EDITORES S.A., 2011, México.