UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL 

INGENIERÍA DE PETRÓLEOS  

Termodinámica Aplicada  

MSc. JUAN EDUARDO BRAVO VASQUEZ

Elaborado por: Fernando AguilarJansen Balseca Luisa MantillaEdwin TroyaFreddy Tutillo

PERÍODO: Marzo 2015 – Julio 2015

Unidades básicas en el sistema internacional

Unidad de longitud: El metro(m) es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo

Unidad de masa:El kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo

Unidad de tiempo: Es la duración de los periodos de radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo.

 

Unidad de intensidad de corriente eléctrica: El Amperio o ampere (A) es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2x10^-7 newton por metro de longitud.

Unidad de temperatura termodinámica: El Kelvin (K) es la temperatura termodinámica correspondiente a la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. 

Unidad de cantidad de sustancia: El mol (mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos, cuando se emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones u otras partícula

Unidad de intensidad luminosa: La candela (cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación.

TERMODINÁMICA

La termodinámica es conocida con la ciencia de la energía.

Podríamos decir que la energía se puede considerar con la capacidad de generar cambios.

Una de las principales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía .

La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de conservación de la energía.

La segunda ley afirma que la energía tiene calidad así como cantidad y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la cantidad de energía.

La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tanto en la mecánica como en la termodinámica. Estas formas de energía se originan por la posición y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del sistema.

Energía Termodinámica

Energía interna

Podemos decir que: la energía interna (U) de un cuerpo es la suma de las energías cinéticas de todas las moléculas que lo forman, más la suma de todas las energías potenciales de interacción entre dichas moléculas.

Energía libre

Es un potencial termodinámico y una medida de la espontaneidad de un proceso a T y P constante, queda definida por:

ΔG = ΔH – Δ (T.S)

Es una función de estado

La energía cinética es una forma de energía debida al movimiento de los cuerpos. Equivale al trabajo que es necesario realizar para que el cuerpo pase del estado de reposo ( v = 0 ) al estado de desplazamiento con una velocidad v.

Energía Cinética

La energía potencial puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es un campo escalar (es decir, una función de la posición) asociado a una fuerza, y tal que la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.

Energía Potencial

En general la energía total, ET , de un sistema puede descomponerse en energía de masa, Em, energía cinética, Ek, energía potencial, Ep, y energía interna, U, es decir,

ET = Em + Ek + Ep + U

Energía Total

donde Em = mc2 Ec = ½mv2

La energía potencial depende de los campos externos a los que está sometido el sistema y viene dada por una función de la posición, y la energía interna U que considera la energía de las partículas que constituyen el sistema y sus interacciones a corta distancia.

Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás, lo cual se convierte entonces en el entorno del sistema.

sistema + entorno = universo.

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno.b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Sistemas Termodinámicos

Sistemas y procesos:

Los elementos son: un sistema físico, el medio ambiente y la frontera

Según el tipo de intercambio, los sistemas pueden clasificarse en:

Tipos de sistemas

Si no hay intercambio de calor con el medio ambiente, el proceso se llama adiabático.

Si el sistema libera calor es un proceso exotérmico.

Si el sistema absorbe calor el proceso es endotérmico

Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno.Un sistema cerrado es aquel que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero nomateria.Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar materia y energía con su entorno.

Volúmenes de ControlRegión del espacio a través de la cual puede fluir masa y/o energía. Existe intercambio con sus alrededores.

Estado de un sistema

Estado de un sistema: Estado en el que cada una de las propiedades (que se deben considerar para definir el sistema) tiene un valor determinado. Condición descrita por las propiedades del sistema en un punto o tiempo dado.

Variable de estado: Es aquella que tiene un valor definido cuando se especifica el estado de un sistema.

Cambio de estado: Es la transformación que efectúa un sistema de un estado inicial a un estado final.

Trayectoria del cambio de estado: Es un cambio de estado especificando la secuencia de estados intermedios ordenados en la sucesión que recorre el sistema.

SISTEMAS TERMODINAMICOS Sistema.- Cantidad de materia o una región en el espacio elegida

para análisis.

Alrededores.- es la masa o región fuera del sistema

Frontera.- es la superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores esta puede ser fija o móvil

Sistema abierto o cerrado depende si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo

Sistema abierto

(volumen de control)

Sistema cerrado

(masa de control)

Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control

Generalmente encierran dispositivo que tiene que ver con el flujo másico como un compresor turbina.

Consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera

La energía en forma de trabajo o calor puede cruzar la frontera

El volumen no tiene que ser fijo.

Si la masa es fija, el calor y el trabajo pueden cruzar la frontera.

Es un sistema cerrado sin energía que cruce los límites y normalmente es una colección de un sistema principal y sus alrededores, que están intercambiando masa y energía entre sí y ningún otro sistema

Sistema aislado

Propiedad.- cualquier característica de un sistema en equilibrio

Propiedades:

Presión

Viscosidad

Conductividad térmica

Temperatura

Volumen

Masa

Propiedades de los sistemas

Propiedades extensivas Propiedades intensivas

Son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema

Las letras mayúsculas se usan para denotar propiedades extensivas

Masa total

Volumen total

Energía total

Son aquellas independientes de la masa de un sistema

Temperatura

Presión

Densidad

Edad

Color

Considere un sistema que no está experimentando ningún cambio. Las propiedades pueden ser medidos o calculados en todo el sistema . Esto nos da un conjunto de propiedades que describen completamente la condición o estado del sistema . En un estado dado todas las propiedades son conocidas ; el cambio de una propiedad cambia de estado.

Estado

La termodinámica trata con estados de equilibrio

También se la define como un estado de balance

No hay potenciales desbalanceados o fuerzas impulsoras dentro del sistema y este no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores

Equilibrio

Equilibrio térmico si tiene la misma temperatura en todo el sistema.

El sistema no implica diferencial de temperatura que es la fuerza impulsora para el flujo de calor.

El equilibrio mecánico se relaciona con la presión y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambio de presionen alguno de sus puntos.

Fase de equilibrio si un sistema hay dos fases cuando la fase de cada fase alcanza un nivel de equilibrio.

Equilibrio químico si su composición química no cambia con el tiempo si no ocurren reacciones químicas.

Proceso.-Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema.

Tipo de Procesos

Isobárico ( Presión constante )

Isovolumétrico (Volumen constante

Isotérmico (temperatura constante

Trayectoria.- la serie de estados por los que pasa un sistema durante el proceso.

El numero de propiedades requeridas para fijar el estado de un sistema se determina mediante el postulado de estado

No es necesario especificar todas las propiedades con la finalidad de fijarlo

El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes

Postulado de estado

Estacionario.- significa que no hay cambio con el tiempo y su contrario es no estacionario o transitorio

Uniforme significa ningún cambio con la ubicación en una región especifica

Dispositivos de flujo estacionario.- son dispositivos que funcionan por largos periodos bajo las mismas condiciones

Proceso de flujo estacionario.- es un proceso durante el cual un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control

Proceso de flujo estacionario

Proceso cuasiestático o cuasiequilibrio.- un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio.

Ciclo

Se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área.

Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal.

Unidad: (N/m2), también conocida como pascal (Pa).

1 Pa=1 N/m2 La presión también se usa para sólidos como sinónimo

de esfuerzo normal, el cual es la fuerza que actúa perpendicularmente a la superficie por unidad de área

Presión

La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta, y se mide respecto al vacío absoluto (es decir, presión cero absoluta).

Presión manométrica: se considera la diferencia de las presiones.

Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío y se miden mediante medidores de vacío que indican la diferencia entre las presiones atmosférica y absoluta.

Ejemplo:

Un medidor de vacío conectado a una cámara marca 5.8 psi en un lugar donde la presión atmosférica es de 14.5 psi. Determine la presión absoluta en la cámara.

Solución Se tiene la presión manométrica de una cámara de vacío y se determinará la presión absoluta de la cámara.

Análisis La presión absoluta se determina fácilmente a partir de la ecuación

Pabs = Patm - Pvacío = 14.5 - 5.8 = 8.7 psi

La presión en cualquier punto de un fluido es la misma en todas direcciones, es decir, tiene magnitud pero no dirección específica y por lo tanto es una cantidad escalar.

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida 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

TEMPERATURA

Si dos objetos A y B están por separados y se encuentran en equilibrio térmico con un tercer objeto C , entonces A y B están en equilibrio térmico entre si.

Por lo tanto podemos decir que:

TA=TC

TB=TC

TA=TB

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

Las escalas de temperatura utilizados en los sistemas en inglés SI y hoy son, la Celsius escala y la escala Fahrenheit, respectivamente.

Estas dos escalas se basan en un especificado número de grados entre el punto de congelación del agua (0°C o 32°F) y el punto de ebullición del agua (100°C o 212°F)

ESCALAS DE TEMPERATURA

La escala absoluta en el sistema SI es la escala Kelvin, que es relacionada con la escala Celsius por: T K = T C+ 273.15

El cero absoluto (0°K) representa la ausencia de movimiento de las moleculas de un gas. A este punto se lo toma como el punto inferior de la escala Kelvin en la cual el punto triple del agua

= 273,25°K y es equivalente a 0°C

En el sistema Inglés, la escala de temperatura absoluta es la escala Rankine, que es relacionada con la escala Fahrenheit por:

T R = TF+ 459.67 o T R = 1.8T K

ESCALAS DE TEMPERATURA

COMPARACIÓN DE LAS ESCALAS DE TEMPERATURA