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8/18/2019 Termodinamica-Unidad-1-Fundamento-Teorico.pdf

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Termodinámica:

Fundamento Teórico

Presenta: M. I. Ruiz Gasca Marco Antonio

Instituto Tecnológico de Tláhuac II

Agosto, 2015

Marco Antonio (ITT II) México D.F., Tláhuac Agosto, 2015 1 / 17

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1 Introducción y objetivo

2 1.1 Termodinámica y energía

3 1.2 Dimensiones y Unidades

4 1.3 Conceptos básicos

5 1.4 Propiedades

6 Ejercicio

7 1.5 Ley cero de la Termodinámica

8 1.6 El principio de conservación de la masa

9 Ejercicio

10 1.7 Formas de energía

11 1.8 Eficiencia en la conservación de la energía

12 1.9 Energía y ambiente

13 1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos

14 Ejercicios

15 Conclusiones


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Introducción y objetivo

El conocimiento que actualmente poseemos de ésta ciencia es producto de

múltiples esfuezos durante generaciones.

La imágen sólo muestra algunos de ellos, la lista de logros y autores es mayor

y sigue creciendo.


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Introducción y objetivo

Objetivo:

Comprender los principios teóricos fundamentales y propiedadesrelacionados con el manejo de la energía y aplicarlos al análisis de

sistemas y procesos termodinámicos con énfasis en el uso responsable de

la energía.


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1.1 Termodinámica y energía

Fundamento teórico:

Termodinámica y energía.


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La termodinámica es una ciencia (pertenece tanto de la física como laquiímica) que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y de

las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por

dichas transformaciones.

La energía (del griego energeia, actividad, operación; energos, fuerza de

acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones,

relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en

movimiento. En física,se define como la capacidad para realizar un trabajo.

En termodinámica encontramos: Energía interna, Energía térmica y Potencial

termodinámico.


1 1 T di á i í

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El uso de la energía por parte de los países industrializados constituye un

factor importante de su continuo crecimiento. Las naciones subdesarroladasdeben mejorar sus estándares de vida, eso conducirá a estudios para mejorar

el uso de los recursos energéticos en todo el mundo.

De este modo, la Termodinámica continuará efectuando una aportacionvaliosa al estudio de nuevos sistemas de energía, así como renovar los ya

conocidos.


1 1 T di á i í

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1 2 Dimensiones y Unidades



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1.2 Dimensiones y Unidades


Dimensiones y unidades.



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Las dimensiones son nombres que caracterizan a las magnitudes físicas.

En ingeniería, cualquier ecuación que relacione magnitudes físicas tiene queser dimensionalmente homogénea.





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El sistema fundamental de unidades es el Sistema Internacional (SI), utiliza7 dimensiones primarias con sus respectivas unidades.

Masa (kilogramo)

Longitud (metro)

Tiempo (segundo)Temperatura (kelvin)

Corriente eléctrica (amperio)

Intensidad luminosa (candela)

Cantidad de sustancia (mol)



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y

En ocasiones cuando los valores de las unidades son muy grandes o muy

pequeños se utilizan prefijos, lo cual simplificará la escritura en muchos casos.


1.3 Conceptos básicos



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p


Conceptos básicos.



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Sistema termodinámico

Es una región del espacio tridimensional o una cantidad de materia,delimitada por una superficie arbitraria. Cualquier análisis termodinámico

comienza por la elección del sistema, su frontera y entorno.



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Sistema abierto

Es aquel en el que tanto la masa como la energía pueden atravesar las

fronteras elegidas.



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Sistema cerrado

También llamado masa de control es un sistema en el que la masa no

atraviesa la frontera. La energía si puede atravesar sus fronteras.



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Sistema aisladoEn este caso ni la masa ni la energía pueden atravesar la frontera.


1.4 Propiedades



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Propiedades.


1.4 Propiedades

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Una propiedad es una característica de algún sistema, y dicha característica es

independiente de la historia del sistema.

En algunos casos es directamente measurable.

Puede ser una combinación matemática de otro tipo de propiedades.

También pueden ser aquellas definidas por las leyes de la termodinámica.

Se clasifican en extensivas o intensivas.


1.4 Propiedades

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Propiedad extensiva

Su valor para todo el sistema es la suma de los valores de los distintos

subsistemas o partes. Por ejemplo el volumen V, la energía E y la cantidad de

carga eléctrica Q, generalmente se denotan con mayúsculas.

Propiedad intensiva

Tienen valores independientes al tamaño o cantidad de masa del sistema.

Temperatura, presión, densidad, velocidad y concentración química son

ejemplos de propiedades intensivas.


1.4 Propiedades

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Propiedad específica

Cuando una propiedad extensiva se divide por la masa del mismo sistema, una

propiedad específica es una propiedad intensiva.


1.4 Propiedades

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Definiciones requeridas (investigar):

PesoMasa

Fuerza

Trabajo

CalorDensidad

Peso específico

Volumen específico

Volumen molar

Energía y formas de

energía

Masa de control

Volumen de control

Estado

Equilibrio

Proceso

Proceso de flujo estable

Fase trayectoria

Ciclo

Procesos de flujo estable ytransitorio

Leyes fundamentales de la

termodinámica


Ejercicio

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Ejercicios:

1.- (Unidades) El peso W de una herramienta del transbordador espacial es de

100[N], en un lugar donde la aceleración local de la gravedad es de 9,6[m/ s2].

Obtenga (a) la masa del metal en kilogramos, y (b) el peso del metal sobre lasuperficie de la Luna, donde g = 1,67[m/ s2].


Ejercicio

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Solución al problema 1:

(a) masa del objetoIncógnitas planteadas; m masa en la Tierra (kg) y peso en la luna F luna,

en N.

Basados en la segunda ley de Newton, el peso es una fuerza, y la

aceleración es igual a la gravitatoria a = g, se puede escribir W = mg.

Despejando m = W

g=

1000

9,6 = 10,42 kg.

(b) peso en la superficie lunar:

La masa no varía, independientemente de su localización.

Peso = F luna = mg = 10,42 × 1,67 [N]


1.5 Ley cero de la Termodinámica

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Fundamento teórico:Ley cero de la Termodinámica.



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Ley cero de la Termodinámica

Considere dos sistemas A y B están en equilibrio térmico cada uno de ellos

con un tercero C, por tanto los sistemas A y B están en equilibrio térmico

entre sí.

En la práctica, el tercer sistema de la ley cero es un termómetro.



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La ley cero y el enunciado anterior nos permiten darnos cuenta de loimportante que es la temperatura en la termodinámica. Las siguiente

propiedades se utilizan en los dispositivos de medida:

Volumen de gases, líquidos y sólidos (termómetro de vidrio)

Presión de gases a volumen constante (termómetro de gas)

Resistencia eléctrica de sólidos (termistor)

Fuerza electromotriz de dos sólidos distintos (termopares)

Intensidad de radiación (pirómetros ópticos o de radiación)

Efectos magnéticos (temperaturas extremadamente bajas)


1.6 El principio de conservación de la masa

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Fundamento teórico:El principio de conservación de la masa.



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Ley de conservación de la masaTambién enunciada como ley de conservación de la materia o ley de

Lomonósov-Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias

naturales.

Mijaíl Lomonósov en 1745

Antoine Lavoisier 1785.

Se puede enunciar: En una reacción química ordinaria, la masa permanece

constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa

obtenida de los productos.



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Principio de conservación de la masa para un volumen de control

Considere ausencia de reacciones nucleares, la masa entonces es una

propiedad conservativa. Para un Volumen de control (VC) el principio puede

enunciarse:

(Variación de masa dentro de un VC durante un intervalo de tiempo) =(masa total que entra al VC durante un intervalo de tiempo) −( masa total que sale del VC durante un intervalo de tiempo)


Ejercicio

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Enunciar la expresión de la primera ley de manera analítica, usando las

variables mVC , msVC , me. Además explique tres posibles casos

(mVC = msVC , mVC msVC ) basados en el análisis dedesigualdades ejemplificando con gráficas ( ṁ,t).


1.7 Formas de energía

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Fundamento teórico:Formas de energía.



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Usualmente algunos de estos conceptos se introducen en los cursos de

mecánica ó física general, sin embargo vamos a revisitar algunos de ellos.

Trabajo Mecánico

El trabajo mecánico en un desplazamiento finito desde la posición 1 a la

posición 2 se obtiene de la siguiente integral:

W mec =

s̄2

s̄1

F̄ ext d ̄s,

sus unidades más utilizadas en termodinámica son: newton-metro (Nm), julio

(J), kilojulio (KJ). En el sistema USCS (inglés) son: pie-libra fuerza (ft lb) y

la únidad térmica británica (Btu).



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Energía cinética traslacional

El trabajo de aceleración es el realizado sobre el sistema para cambiar suvelocidad, de un estado 1 a otro estado 2 y puede escribirse:

W ac = 1

2mV 22 −

1

2V 21 = ∆ E c

Energía potencial gravitatoria

El trabajo gravitatorio es el realizado sobre el sistema para cambiar su altura,

de un estado 1 (posición z1) a otro estado 2 ( z2) y puede escribirse:

W grav = mgz2 − mgz1 = ∆ E p



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El trabajo mecánico puede modelarse combinando ambas expresiones cuandoexisten ambas en la dinámica del sistema, esto es:

W mec = ∆ E c + ∆ E p

Además definiremos d dt

(∆ E c + ∆ E p) = Ẇ mec como la potencia siendo La

velocidad a la que se transfiere energía a través de la frontera de un sistema

mediante trabajo. Más adelante (en la primera ley de la termodinámica) se

estudiará la interacción de este balance energético con el término Q de calor.



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Trabajo en eje

También llamado trabajo mecánico rotatorio, se evalúa en función del parrequerido en el extremo del eje.



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Trabajo eléctrico

Considerando la intensidad de corriente I y la diferencia de potencial V que semiden en la frontera del sistema (análogamente al trabajo en eje) cuando se

mueve una pequeña carga de un punto 1 a 2 en un campo electrostático.

Además Ẇ se denomina la potencia eléctrica


1.8 Eficiencia en la conservación de la energía

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Fundamento teórico:La eficiencia es un indicador numérico de aprovechamiento, ya sea expresado

entre 0 y 1, ó en porcentaje de 0 a 100. Suele denotarse con la letra griega η:

η = E Salida E Entrada

El concepto es muy general y puede aplicarse a sistemas eléctricos,

hidráulicos, incluso económicos, entre otros.


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1.9 Energía y ambiente


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El comportamiento del medio ambiente puede modelarse con elementos de la

ciencia de la termodinámica, entre más acertado sea un análisis disponemos

de argumentos más sólidos para debatir los fenómenos que nos conciernen:

Efecto invernadero.

Efectos por deforestación.

Factores externos como la actividad solar.


1.9 Energía y ambiente

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En la imágen de la

derecha un ejemplo del

uso de las leyes de la

termodinámica para el

estudio formal de los

efectos en el uso de

celdas solares sobre

espacios cerrados.


1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos

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Fundamento teórico:Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos.



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En principio, los sistemas biológicos NO están en equilibrio termodinámico.

Las interacciones y transformaciones energéticas, están dadas principalmentepor cuatro elementos:

Hidrógeno (63 % aprox.)

Oxígeno (25.5 % aprox.)Carbono (9.6 % aprox.)

Nitógeno (1.4 % aprox.)

1.4 % restante para otros 20

elementos esenciales para la vida.



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El principio de Margale

Los seres vivos son sistemas físicos (equivalencia) complejos, integrados por

un sistema disipativo y uno auto organizativo acoplados entre sí (condición).

Este es uno de varios enfoques, no el único, como por ejemplo los balancesquímicos o teoría general de sistemas.


Ejercicios

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1.- Conversión de temperaturas, grados Farenheit ◦F y grados Celsius ◦C. (a)

Hallar la temperatura en la escala Celsius equivalente a 41 ◦F. (b) Hallar la

temperatura en la escala Farenheit equivalente a 37 ◦C. Considerando

t c = 5

9 (t F − 32). Además obtenga para ambos su equivalente en la escala

absoluta Kelvin.


Ejercicios

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(a) Aplicar directamente la ecuación con t c = 5 ◦C

(b) Despejar de la ecuación a t c y reemplazar ic = 37 ◦C,

t F = 9

5 t c + 32 = 98,6 ◦

F


Ejercicios

1 U h d ñ (k t) ti d 200 lib



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1.- Un coche de carreras pequeño (kart) tiene una masa de 200 libras-masa

incluido el piloto y está propulsado por un motor de 3 hp. Estímese cuánto

tiempo tardaría el coche en alcanzar una velocidad de 40 millas por hora en

un circuito de carreras horizontal. ¿ Es esa estimación una cota superior o

inferior? Supóngase que se puede disponer de toda la potencia mecánica para

acelerar el coche.

Figura: Esquema y datos del ejemplo


Ejercicios



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Considerando un sistema cerrado, aplicamos balance de energía

mecánica despreciando variaciones de energía potencial: ∆ E cmc = W mec,

donde E cmc es la energía cin”etica de la masa de control.

Se puede utilizar esta relación potencia-trabajo:

W mec =

Ẇ mecdt = Ẇ motor ∆t .

Ya que la potencia motriz es constante, el balance queda:

W mec = Ẇ motor ∆t = 1

2m(v22 − v

21).

Ya que el coche arranca desde cero, consideramos v1 = 0, despejando

tenemos ∆t = 1

2m

v22

Ẇ motor sustituyendo tenemos ∆t = 6,48

En termino realistas, tenemos una cota superior ya que ∆t real > 6,48s


Conclusiones



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Conclusiones y parte final


Conclusiones

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Gracias por su atenciónSección de preguntas, discusión, comentarios y

conclusiones

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