Termodinmica

Conceptos Y DEFINICIONES FUNDAMENTALESTermodinmica

Naturaleza de la TermodinmicaLa termodinmica se define como la ciencia de la energa. La energa es la capacidad de producir cambios.

La palabra termodinmica proviene de los vocablos griegos therme (calor) y dynamis (fuerza), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia motriz.

Naturaleza de la TermodinmicaUna de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de conservacin de la energa, que establece que durante una interaccin, la energa permanece constante, por tanto, la energa no puede crearse ni destruirse.

El principio de la conservacin de la energa tambin forma la columna vertebral de la industria diettica:

Naturaleza de la TermodinmicaUna persona que tiene una entrada de energa mayor (alimento) que su salida de energa (ejercicio) ganar peso (energa almacenada en forma de grasa).

Mientras que una persona que tenga una entrada de energa mas pequea que la salida perder peso. El cambio del contenido de energa de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferencia entre la energa que entra y la energa

Naturaleza de la Termodinmica

Naturaleza de la TermodinmicaDe acuerdo a la segunda ley de la termodinmica, la energa tiene tanto calidad como cantidad, y los procesos reales tienden a la disminucin de la calidad de la energa.

Por ejemplo, una taza de caf caliente sobre una mesa, eventualmente se enfriar, pero una taza de caf fro sobre la misma mesa nunca se calentar por si sola.

Naturaleza de la TermodinmicaLos principios termodinmicos han existido desde la creacin del universo, sta no aparece como ciencia sino hasta la construccin de las primeras mquinas atmosfricas de vapor, que fueron operadas con xito en Inglaterra por Thomas Savery 1697 y por Thomas Newcomen en 1712.

La primera y segunda ley de la termodinmica fueron postuladas en forma simultnea en la dcada de 1850, principalmente por los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin en 1849.

Naturaleza de la TermodinmicaLa sustancia se compone de numerosas partculas llamadas molculas, las propiedades de las sustancias dependen, en consecuencia, del comportamiento de esas partculas.

Por ejemplo la presin de un gas en un recipiente es el resultado de la transferencia del mpetu entre las molculas y las paredes del recipiente.

Pero no es necesario conocer el comportamiento de las partculas del gas para determinar la presin del recipiente.

Naturaleza de la TermodinmicaLa aplicacin de este enfoque macroscpico al estudio de la termodinmica, que no requiere un conocimiento del comportamiento individual de las partculas, recibe el nombre de termodinmica clsica y proporciona una manera directa y fcil para resolver problemas de ingeniera.

Un enfoque ms elaborado, fundamentado en el comportamiento promedio de grandes grupos de partculas individuales, recibe el nombre de termodinmica estadstica.

Naturaleza de la Termodinmica

Naturaleza de la TermodinmicaLa comodidad humada se establece en funcin de la velocidad de descarga del calor metablico.

El ser humano trata de controlar esta transferencia de calor a partir del ajuste de su vestuario a las condiciones del ambiente.

En el hogar hay muchos casos de la aplicacin de la termodinmica.

Dimensiones y UnidadesCualquier cantidad fsica se caracteriza por sus dimensiones, y las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se llamas unidades.

Algunas dimensiones bsicas como la masa m, la longitud L, el tiempo t y la temperatura T se considera dimensiones primarias o fundamentales.

Otras como la velocidad v, la energa E y el volumen V se expresan en trminos de las dimensiones primarias y reciben el nombre de dimensiones secundarias o derivadas.

Dimensiones y UnidadesA los largo de los aos se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos de comunidades cientfica y de ingeniera para unificar al mundo con un sistema nico de unidades,

En la actualidad se utilizan dos conjuntos de unidades: el sistema ingls United Sates Customary System (USCS) y el mtrico SI (Le Systme International dUnits), tambin conocido como Sistema Internacional.

Dimensiones y UnidadesEl SI es un sistema sencillo y lgico basado en una relacin decimal entre las diversas unidades y es usado en el trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra.

El sistema ingls, si embargo, no tiene una base numrica y sus diversas unidades se relacionan de manera arbitraria (12in en 1ft, 16oz en 1lb, 4qt en 1gal). En USA es el nico pas industrializado que todava no aplica por completo el SI.

Dimensiones y Unidades

Dimensiones y Unidades

Dimensiones y Unidades

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Dimensiones y Unidades

Dimensiones y Unidades

Dimensiones y Unidades

Dimensiones y UnidadesLa g vara de 9.8295 m/s2 a 4500 m por debajo del nivel del mar hasta 7.3218 m/s2 a 100,000 m por encima del nivel del mar.

Para altitudes hasta de 30,000 m, la variacin de la gravedad desde su valor al nivel del mar es de 9.807 m/s2 es menor de 1%.

Por lo que para propsitos prcticos, la aceleracin de la gravedad se supone con un valor de 9.81 m/s2.

Dimensiones y Unidades

Dimensiones y Unidades

Un sistema se define como una cantidad de materia o una regin del espacio elegida para su estudio. La masa o regin fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. alrededores se llama frontera. Sistema

La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores. La frontera de un sistema es fija o mvil, matemticamente la frontera tiene espesor cero y no contiene masa ni ocupa volumen alguno en el espacio.

Los sistemas sern cerrados o abiertos, lo que depende de si se elige para el estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado (masa de control) consiste en una cantidad fija de masa, y nada de ella puede cruzar su frontera. Sistema

Pero la energa, en forma de calor o trabajo, puede cruzar su frontera y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Si, como un caso especial, incluso a la energa no se le permite cruzar la frontera, ese sistema se denomina sistema aislado. Nos interesa saber que sucede al gas encerrado cuando se calienta, el gas es el sistema.Sistema

Las superficies interiores del embolo y el cilindro forman la frontera. Puesto que ninguna masa la cruza, es un sistema cerrado. Un sistema abierto, o volumen de control, es una regin seleccionada en el espacio.

Por lo comn encierra un dispositivo que comprende un flujo msico como un compresor, una turbina o un tobera. El flujo a travs de estos dispositivos se estudia mejor al seleccionar la regin dentro del dispositivo como un volumen de control. Tanto la masa como la energa pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

Sistema

Conocer el flujo msico que entra y sale de un sistema es una tarea de un gran nmero de problemas en ingeniera, por lo que requieren modelados como volmenes de control. El flujo msico implicado en un calentador de agua, el radiador de un automvil, una turbina y un compresor debe analizarse como volumen de control (sistema abierto) y no como masa de control (sistema cerrado).

Cualquier regin arbitraria en el espacio puede ser seleccionada como volumen de control.Sistema

Las fronteras del volumen de control se llaman superficies de control y pueden ser reales o imaginarias.

En el caso de una tobera, la superficie interna de sta forma parte real del lmite y las reas de entrada y salida conforman la parte imaginaria debido a que no hay superficies fsicas ah. Sistema

Un volumen de control se puede fijar en cuanto a tamao y forma, como en el caso de un tobera o puede ser como un lmite en movimiento.

La mayora de los volmenes de control tienen lmites establecidos, por lo que no estn implicados lmites en movimiento. Sistema

Un volumen de control tambin involucra interacciones de calor y de trabajo, como un sistema cerrado, adems interacciona con la masa.

En todos los anlisis termodinmicos, el sistema bajo estudio debe definirse con cuidado. En la mayora de los casos el sistema investigado es bastante sencillo y obvio.

En otros casos el sistema en estudio tal vez no sea tan obvio, y una eleccin adecuada del sistema simplifica el anlisis de manera considerable. Sistema

Propiedades de un Sistema

En general la densidad depende de la temperatura y de la presin. En la mayora de los gases es directamente proporcional a la presin e inversamente a la temperatura. Para lquidos y slidos que son esencialmente sustancias incompresibles, la variacin de su densidad con la presin es por lo general despreciable.

Algunas veces la densidad de una sustancia se proporciona en relacin con la densidad de una sustancia conocida. En ese caso se llama gravedad especfica o densidad relativa.Propiedades de un Sistema

Propiedades de un Sistema

Propiedades de un Sistema

Para determinar si una propiedad es intensiva o extensiva, se divide el sistema en dos partes iguales como una separacin.

Cada parte tendr el mismo valor de propiedades intensivas que el sistema original, pero la mitad del valor de las propiedades extensivas.Propiedades de un Sistema

Propiedades de un Sistema

La materia est hecha de tomos ampliamente espaciados en la fase gaseosa.

Aunque lo ms conveniente es ignorar la naturaleza atmica de una sustancia y verla como una sustancia continua, homognea y sin agujeros, es decir, un continuo.Propiedades de un Sistema

La idealizacin de un continuo permite tratar las propiedades como funciones puntuales y suponer que varan continuamente en el espacio, libres de discontinuidades.

La idealizacin es vlida siempre y cuando el tamao del sistema que se maneja sea relativamente grande en relacin con el espacio entre las molculas.Propiedades de un Sistema

Considere un sistema que no se somete a ningn cambio. Las propiedades de un sistema se pueden medir, esto resulta un conjunto de propiedades que describen por completo la condicin o el estado del sistema.

Estado y Equilibrio

En cierto momento todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos. Si el valor de una sola propiedad cambia, el estado cambiar a un estado diferente.

La termodinmica estudia estados en equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado de balance.

En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (fuerzas impulsoras) dentro de un sistema.

Un sistema que est en equilibrio no experimenta cambios cuando se asla de sus alrededores.

Estado y Equilibrio

Hay diferentes tipos de equilibrio como el equilibrio trmico, si la temperatura es la misma en todo el sistema.

Estado y Equilibrio

El equilibrio mecnico se relaciona con la presin, y un sistema est en equilibrio mecnico si no hay cambio de presin en ningn punto del sistema con el tiempo.

Si un sistema involucra dos fases, se encuentra en equilibrio de fase cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece ah.

Un sistema est en equilibrio qumico si su composicin qumica no cambia con el tiempo.

Un sistema no est en equilibrio a no ser que se cumplan todos los criterios relevantes de equilibrio.Estado y Equilibrio

El estado de un sistema se describe por medio de sus propiedades. Como sabemos no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado.

La especificacin de cierto nmero de propiedades es suficiente para fijar un estado.

El estado de un sistema compresible simple se determina completamente por dos propiedades intensivas independientes.Estado y Equilibrio

Un sistema se denomina sistema compresible simple si carece de efectos elctricos, magnticos, gravitacionales, de movimiento y de tensin superficial. Estos efectos se deben a campos externos de fuerza y son despreciables en la mayor parte de los problemas de ingeniera.

Estado y Equilibrio

El postulado de estado estable requiere de las dos propiedades determinadas sean independientes para fijar el estado. Son independientes si una de ellas vara y la otra permanece constante.

Cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro, se llama proceso, y la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria del proceso. Procesos y Ciclos

Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados inicial y final, as como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.

Cuando un proceso ocurre de tal manera que el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio en todo momento, se le llama proceso cuasiesttico o de cuasiequilibrio.

Procesos y Ciclos

Un proceso de cuasiequilibrio se considera un proceso lo suficientemente lento, como para permitir al sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte del sistema no cambien ms rpido que en otras.

Los diagramas de proceso que se grafican a partir de propiedades termodinmicas como coordenadas son muy tiles en la visualizacin del proceso. Procesos y Ciclos

Algunas propiedades comunes que se utilizan como coordenadas son la temperatura, la presin y el volumen (o volumen especfico)

La trayectoria del proceso indica una serie de estados de equilibrio, por los que pasa el sistema durante un proceso.Procesos y Ciclos

En procesos que no son de cuasiequilibrio, no es posible especificar al sistema por medio de un estado nico y por ello tampoco es posible hablar de una trayectoria del proceso.

Un proceso de no cuasiequilibrio se denota mediante una lnea punteada entre los estados inicial y final en vez de una lnea continua.

El prefijo iso se emplea con frecuencia para designar un proceso en el que permanece constante una propiedad particular. Procesos y Ciclos

En un proceso isotrmico la temperatura permanece constante, en un proceso isobrico la presin permanece constante, y un proceso isocrico (o isomtrico) es un proceso durante el cual el volumen especfico permanece constante.

Se dice que un sistema se somete a un ciclo si al trmino del proceso regresa a su estado inicial. En un ciclo los estados inicial y final son idnticos. Procesos y Ciclos

Los trminos estable y uniforme se usan con frecuencia en ingeniera, por lo que es importante tener un entendimiento claro de su significado.

El trmino estable significa que no existe cambio del parmetro en relacin con el tiempo. El opuesto de no estable o transitorio.

El trmino uniforme implica que no hay cambio en relacin con la posicin sobre una regin especificada.Proceso de Flujo Estable

Un gran nmero de dispositivos de ingeniera operan por largos periodos de tiempo bajo las mismas condiciones y se clasifican como aparatos de flujo estable.

Los procesos de flujo estable se definen como un proceso durante el cual un fluido fluye permanente a travs de un volumen de control. Proceso de Flujo Estable

Las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del volumen de control, pero en cualquier punto fijo permanecen iguales durante el proceso entero.

Proceso de Flujo Estable

El volumen, la masa y el contenido de energa total del volumen de control permanece constante durante el proceso de flujo estable. Ejemplos de flujo estable turbinas, bombas, calderas, condensadores e intercambiadores de calor o plantas de energa, o sistemas de refrigeracin.

Aunque si existe cierta familiaridad con la temperatura como media de lo caliente o lo fro, no es fcil definirla con exactitud.

De acuerdo con las sensaciones fisiolgicas, el nivel de temperatura se expresa en un sentido cualitativo con palabras como congelado, fro, tibio y caliente.

Sin embargo, no es posible asignar valores numricos a las temperaturas slo con base en las sensaciones. Adems los sentidos pueden estar equivocados.

Temperatura y Ley Cero de la Termodinmica.

Una silla metlica, por ejemplo, se percibir mucho ms fra que una de madera, aunque ambas estn a la misma temperatura.

Temperatura y Ley Cero de la Termodinmica.

La ley cero de la termodinmica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico con un tercer cuerpo, estn en equilibrio trmico entre s.

Esta ley no se puede concluir con las otras leyes de la termodinmica y sirve como base para la validez en la medicin de la temperatura.

Al sustituir el tercer cuerpo por un termmetro, la ley cero se define como: Dos cuerpos estn en equilibrio trmico si indican la misma lectura de temperatura, incluso si no se encuentran en contacto.

Fue formulada y nombrada por primera vez por R.H. Fowler en 1931. Temperatura y Ley Cero de la Termodinmica.

Su valor como principio fsico fundamental fue reconocido ms de medio siglo despus de la formulacin de la primera y segunda leyes de la termodinmica.

Recibi el nombre de ley cero puesto que debe preceder a la primera y segunda leyes de la termodinmica.

Temperatura y Ley Cero de la Termodinmica.

Escalas de Temperatura.

Escalas de Temperatura.

Presin

Existen otras unidades para la presin como el bar, atmsfera, psi.

En el caso de los slidos la presin tambin recibe el nombre de esfuerzo normal, que es la fuerza que acta perpendicularmente sobre la superficie por unidad de rea.

La presin real en una posicin dada se denomina presin absoluta. Y se mide respecto al vaco absoluto (es decir, la presin del cero absoluto). Presin

Sin embargo la mayor parte de los dispositivos para medir la presin se calibran para leer el cero en la atmsfera y por ello indican la diferencia entre la presin absoluta y la presin atmosfrica local. Presin

Esta diferencia se denomina presin manomtrica. Las presiones por debajo de las atmosfrica reciben el nombre de presiones de vaco.

Presin

Presin

La presin de un fluido aumenta con la profundidad debido a que mayor cantidad de fluido descansa sobre capas ms profundas y el efecto de este peso extra sobre la capa ms profunda est balanceado por un incremento en la presin.Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad La presin de un fluido es independiente de la forma o de la seccin transversal del recipiente. Cambia con la distancia vertical pero permanece constante con otras direcciones. Por tanto, la presin es la misma en todos los puntos de un plano horizontal para un fluido dado.

Observe que las presiones en los puntos A hasta G son las mismas puesto que todos estn al mismo nivel de profundidad y estn interconectados por el mismo fluido

Variacin de la Presin con la profundidad

Variacin de la Presin con la profundidad La presin en los puntos H e I no es la misma puesto que estos dos puntos no estn interconectados por el mismo fluido.

No se puede dibujar una curva desde el punto I hasta H mientras permanece en el mismo fluido en todo momento, a pesar que tienen la misma profundidad.

Del mismo modo la fuerza de la presin ejercida por el fluido es siempre normal a la superficie en los puntos especificados.

Variacin de la Presin con la profundidad

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

El manmetro

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El Barmetro y la Presin Atmosfrica