unidad i conceptos basicos(termodinamica)
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TERMODINAMICA
Dra. M. VILLANUEVA IBAÑEZ
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Programa sintético
Unidad I. Conceptos básicos de TermodinámicaUnidad II. Sustancias PurasUnidad III. Primera Ley de la TermodinámicaUnidad IV. Segunda Ley de la TermodinámicaUnidad V. Ciclos Termodinámicos
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Unidad I – Conceptos básicos de termodinámica
• Termodinámica y su aplicación• Conceptos fundamentales de la termodinámica:
• Estado, proceso, trayectoria, ciclo, sistema, propiedades termodinámicas extensivas e intensivas de un sistema, propiedad específica, densidad, volumen, volumen específico, temperatura, escalas de medición de temperatura, Ley cero, presión manométrica, atmosférica y de vacío.
• Trabajo y Calor
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Unidad I –Conceptos básicos de Termodinámica
OBJETIVO
Desarrollar la capacidad en el alumno para aplicar los principios básicos de la termodinámica el diseño, mantenimiento y planeación de sistemas que involucren intercambio y conversión de energía.
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Termodinámica y su aplicación
Fin de S. XVII
D. PapinFis. Francés1647-1714Pistón de vapor
Nicolas LéonardSadi Carnot(physicienfrançais, 1796-1832)
James PrescottJoule (physicien etindustriel anglais, 1818-1889)
Rudolph Clausius(physicien allemand, 1822-1888)
Ludwig Boltzmann(physicien autrichien, 1844-1906)
Josiah Williard Gibbs(physicien américain, 1839-1903)
TERMODINAMICA
UN POCO DE HISTORIA …
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1er experimento 2o experimento
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TERMODINAMICA
La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas desde un punto de vista macroscópico. Sus leyes son restricciones generales que la naturaleza impone en todas esas transformaciones
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Una olla tapada, que contiene agua y que está sobre una mesa
Si se elige estudiar el agua contenida dentro de la olla es elegir un SISTEMA.
Todo lo que rodea el sistema (el resto del universo) es el Medio Exterior
En este caso , las paredes del recipiente, el aire contenido en la pieza, forman parte del medio exterior.
Es posible hacer una elección de sistema diferente (y por lo tanto de medio exterior).
Para un análisis termodinámico
Buena elección y definición de cuál es nuestro sistema
En la fig., los limites de la pieza están delimitados (nuevas paredes) que aíslan compl. del universo. Medio exterior elegido (parte activa del universo) + sistema = Sistema aislado
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Algunas definicionesSistema. Un sistema es aquella particular porción del universo en la cual estamos interesados.
Típicos sistemas termodinámicos pueden ser: una cierta cantidad de gas, un líquido y su vapor, una mezcla de dos líquidos, una solución, un sólido cristalino, etc..
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Estado del sistema. Cuando se han especificado las variables necesarias para describir al sistema se dice que se ha especificado el estado del sistema. La especificación del estado de un sistema no nos da ninguna información acerca de los procesos mediante los cuales el sistema fue llevado a dicho estado.
H2O. 1 lt.? # de moléculas extraord. Elevado
Masa molar agua = 18 g y NA= 6.02x1023 moléculas
en un litro??Se habla de un Sistema Macroscópico
El gran número de moléculas contenidas en la olla es el origen de la mayor parte de las propiedades observadas.
El P. eb. es 100°C a presión atmosférica cambio de estado (o fase) liquido-vapor, no habría cambio de estado si el sistema no fuera macroscópico.
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Sistema Entorno
Universo
Si la frontera permite la interacción entre el sistema y su entorno, talinteracción se realiza a través de los canales existentes en la frontera. Los canales pueden ser inespecíficos para interacciones fundamentales tales
como el calor o la interacción mecánica o eléctrica, o muy específicos parainteracciones de transporte
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Sistema: Parte del universo que es objeto de estudio.Entorno, alrededores, medio ambiente: Resto del universo
Tipos de sistemas
MateriaEnergía
Abierto
Materia
Cerrado
MateriaEnergía
Aislado
Puedeintercambiar
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Sistemas aislados, cerrados y abiertos
Sistema aislado no puede intercambiar materia ni energía con su entorno. Sistema cerrado sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. Sistema abierto puede intercambiar materia y energía con su entorno.
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¿Qué separa el sistema de los alrededores?
Paredes
Rígida
Móvil
Adiabática
Diatérmicas
Permeable
Impermeable
Semipermeable
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Pared permeable
Pared semipermeable
Pared impermeable
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60ºC 40ºC
60ºC 40ºC 60ºC 40ºC
Pared adiabática
50ºC 50ºC
Pared diatérmica
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Los sistemas se presentan de diferentes formas ⇒ ESTADOS
caracterizados por VARIABLES termodinámicas(observables macroscópicamente)
ExtensivasIntensivas
Tipos de variables
•No dependen de la cantidadde materia del sistema
• Ej: T, P, ρ• No son aditivas
•Dependen de la cantidadde materia del sistema•Ej: m, V• Son aditivas
Variable = Propiedad Termodinámica = Función de Estado
No dependen de la historia
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Si las propiedades macroscópicasintensivas a lo largo de un sistema son idénticas
el sistema de denomina homogéneo
Si por el contrario estas propiedades no son idénticas el sistema se denomina
heterogéneo
No todas las variables termodinámicas son independientes, ya que unavez definidas algunas de ellas las otras pueden obtenerse en función de estas, mediante una ecuación de estado.
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La palabra estado representa la totalidad de las propiedadesmacroscópicas asociadas con un sistema... Cualquier sistema que muestre un conjunto de variables identificablestiene un estado termodinámico, ya sea que esté o no en equilibrio.
Concepto de transformación: estado inicial y estado final, transformación infinitesimal
*Ocurre una transformación en el sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de estado del sistema a lo largo del tiempo.
*Si el estado inicial es distinto del estado final, la transformación esabierta.
*Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es cerrada.
*Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación esinfinitesimal.
Estado de un sistema y sus transformaciones
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Transformaciones reversibles e irreversibles
Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesiónde estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posibledevolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.
Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible.
En la realidad, las transformaciones reversibles no existen.
Cualquier transformación puede realizarse por muy diversas maneras. El interés de la termodinámica se centra en los estados inicial y final de las transformaciones, independientemente del camino seguido.
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EQUILIBRIO
Equilibrio térmico Temperatura constante entodos los puntos del sistema
Equilibrio mecánico Todas las fuerzas están equilibradas
Equilibrio material(osmótico)
No hay cambios globales enla composición del sistema, ni transferencia de materia
no se observan variaciones macroscópicas con el tiempo
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Trayectoria = Camino que sigue el sistema cuando su estado, las funciones de estado, cambian con el tiempo
⇓PROCESO termodinámico
Tipos deprocesos
• Isotermo (isotérmico)(T = cte)• Isobaro (P = cte)• Isocoro (V = cte)• Adiabático (Q = 0)• Cíclico (estado final = estado inicial)
Irreversible
Reversible(sistema siempre infinitesimalmente próximo al equilibrio;un cambio infinitesimal en las condiciones puede invertir
el proceso)
(un cambio infinitesimal en las condiciones no produce un cambio de sentido en la transformación).
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TemperaturaTemperatura Magnitud Intensiva
Calor Magnitud ExtensivaAl mismo tiempo (1 min)
T inicial igual en ambos casos Agua helada a 0°C (con hielos)
En los tres casos misma cantidad de energia suministrada
T T Ningun incremento de T
Para el cambio de T no solo es necesario saber la cantidad de energía aportada, tambien el tipo y tamaño del sistema 24
TEMPERATURA• La temperatura es una propiedad intensiva del sistema, relacionada con la energía cinética media de las moléculas que lo constituyen.
LEY CERO “si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un 3er cuerpo, estarán en equilibrio térmico entre sí”
Cuando un cuerpo entra en contacto con otro de diferente temperatura, el calor del cuerpo alcanza al de T inferior hasta que ambos alcanzan misma T eq. térmico
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Escalas de temperatura
Escala Celsius (usada en el SI y el S Inglés).- inicialmente establecida entre 0°C y 100°C
Escala Farenheit (USA).- (usada en el SI y el S Inglés).- Inicialmenteestablecida entre puntos 0 y 220
°F ~ °C
T(F) = 32 + 1.8 T(C)
T(C) = T(F) – 322
En esta escalaPunto cong. H2O aprox.= 33°FTamb. (25°C) = 77°FTcorporal = 99°F
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En termodinámica es deseable tener una escala de Temperatura independiente de las propiedades de cualquier sustancia. Una escala de este tipo se denomina ‘Escala Termodinámica’.
La escala de temperatura termodinámica en el SI es la Escala Kelvin (K)Unidad= Kelvin.
La escala de temperatura termodinámica en el Sistema Inglés es la Escala Rankine (R)Unidad= Rankine.
R ~ K
T(R) = 1.8T(K)
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En la escala Kelvin la unidad (el K) es la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua al que se le asigna el valor de 273.16 K
Las magnitudes de cada división de 1 K y 1 °C son idénticas, es por esto que cuando se trabaja con diferencias de temperatura ∆T, el intervalo de temperatura en ambas escalas es el mismo:
∆T(K) = ∆T(°C)∆T(R) = ∆T(°F)
Algunas relaciones termodinámicas involucran a T y la pregunta que surge es si esta en K o °C.
* Si la relación implica ∆T, por ej: a=b∆T, no hay diferencia
* Si implica solo T, por ej: a=bT, debe usarse K28
Presión de fluidos
La presión es una magnitud derivada del sistema internacional. Se define como la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. (Solo para gases o líquidos) se ejerce perpendicularmente a la superficie considerada. Cantidad escalar
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Diferentes unidades de presión
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La presión real en una posición dada se denomina Presión Absoluta y se mide respecto al vacío absoluto (la presión del cero absoluto)
La mayor parte de los dispositivos que miden presión se calibran para leer el cero en la atmósfera y por ello indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local (Barómetro). Esta diferencia se denomina Presión Manométrica
Las presiones por debajo de la atmosférica reciben el nombre de Presiones de Vacío y se miden con medidores de vacío que indican la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta.
RELACIONES DE PRESION
P manométrica = Pabs – Patm (Para presiones sobre Patm)P vac = Patm – Pabs (Para presiones debajo de Patm)
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Presión de un fluído en reposo
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FORMAS DE ENERGIA. CONCEPTO DE TRABAJO Y CALOR. TRABAJO EN SISTEMAS TERMICOS, CERRADOS Y ABIERTOS
La energía puede existir en numerosas formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear.
Su suma constituye la Energía total E de un sistema.
La energía total de un sistema por unidad de masa se denota mediante e y se define como:
e= E/m (kJ/kg)
Termodinámica E=0 (en un punto de referencia conveniente)
P. Conservación de la energía: durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero la cantidad total de energía permanece constante, por lo tanto la energía no puede crearse ni destruirse.
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El objetivo de la termodinámica es estudiar las propiedades de los sistemas y sus evoluciones en función de los intercambios de energía con el medio exterior.
Un sistema puede intercambiar masa y energía con el medio exterior, y su estado cambia por ganancia o perdida de masa o energía.
Cada sistema tiene un cierto contenido de energía bajo diversas formas, tales como:
-La energía mecánica (cinética o potencial)-La energía química desprendida en forma de calor a partir de las reacciones químicas-La energía nuclear (E=mc2) resultante de una variación de masa del núcleo
En la práctica, las energías nucleares y química no intervienen, ya que la masa del sistema no varía en las transformaciones comunes
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En el análisis termodinámico se considera comúnmente en dos grupos las diversas formas de energía que conforman la energía total del sistema:
-Formas macroscópicas de energía: Potencial y Cinética
-Formas microscópicas de energía: se relacionan con estructura molecular del sistema y su actividad molecular.
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Hay situaciones en que un objeto está en reposo respecto a otro y, a partir de determinado momento, uno de ellos, o los dos, adquieren cierta velocidad, poniendo así de manifiesto que poseían energía o capacidad para producir cambios, en forma latente o potencial
ENERGIA POTENCIAL
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La energía que un sistema posee como resultado de su elevación en un campo gravitacional, es la energía potencial EP y se expresa:
EP=mgz (kJ)
O por unidad de masaep=gz (kJ/kg)
Donde g es la aceleración gravitacional y z es la elevación del centro de gravedad de un sistema en relación con un cierto plano de referencia, elegido de manera arbitraria.
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La energía relacionada con el movimiento de los cuerpos se denomina energía de movimiento o, más comúnmente, energía cinética (Ec). En efecto, todo cuerpo que está en movimiento respecto a otros, tiene la capacidad de provocar alteraciones enellos.
Energía eléctrica generada por la energía cinética del viento
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La energía que un sistema posee como resultado de su movimiento en cierto marco de referencia se denomina energía cinética EC.
Si todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad, EC se expresa como:
EC= mV 2 (kJ)2
O por unidad de masaec= V 2 (kJ/kg)
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Donde V es la velocidad del sistema en relación con algún marco de referencia fijo
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La energía total de un sistema se integra por las energías cinética, potencial e interna y se expresa como:
E = U + EC + EP = U + mV 2 + mgz2
O por unidad de masa
e = u + ec + ep = u + V 2 + gz2
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Energía Interna U
Estas partículas están en constante movimiento y aleatorio (agitación molecular): vibraciones en los sólidos o agitación térmica en líquidos y gases.
La suma de todas las formas microscópicas (Energía cinética y potencial de todas las partículas que conforman el sistema) se denomina Energía InternaInterna de un sistema y se denomina U. Recordar que cada sistema (sólido, liquido o gas) es una colección de objetos llenos de átomos, moléculas
La porción de la energía interna de un sistema asociada con la energía cinética de las moléculas se llama energía sensible
La energía interna asociada con la fase de un sistema recibe el nombre deenergía latente
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Es una energía expresada en joule (J) o (kcal)Tiene un valor bien definido Caracteriza el contenido o nivel energético del sistema termodinámico Puede variar como consecuencia de intercambios de energía con el medio exterior Las energías son principalmente intercambiadas bajo forma de calor (Q) y de trabajo (W)
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La energía cinética de un objeto es una forma organizada de energía asociada con el movimiento ordenado de todas las moléculas en una dirección de una trayectoria horizontal o alrededor de un eje.
De manera opuesta, las energías cinéticas de las moléculas están altamente desorganizadas y completamente al azar.
La termodinámica se aplica en la conversión de :
Energía desorganizada(calor)
Energía organizada(trabajo)
La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado en dos formas distintas: transferencia de calor y el trabajo
Una interacción de energía es una transferencia de calor si su fuerza impulsora es una diferencia de temperatura, de lo contrario es trabajo.
SISTEMA CERRADO
calorFrontera del sistema
trabajo
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Energía organizada Energía desorganizada+ fácil
Energía desorganizada Energía organizadadifícil
Por medio de dispositivos llamados máquinas térmicas
Motores de automóviles y plantas de energíaPRESA
Energía cinética macroscópica
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El calor (Q)
•Es una energía expresada en (J) o (kcal)
•A la escala microscópica, es una energía adquirida bajo forma desordenada por agitación molecular (choque entre moléculas en movimiento)
•Siempre pasa de una fuente caliente a una fuente fría
•El calor no es una función de estado
Se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de T.
Cantidad de calor
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SISTEMA ADIABATICO
Q=O
Aislamiento
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SistemaQ>0 Q<0
Calor absorbidoo recibido por el sistema
Calor cedido por el sistema
Convenio de signos
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Se distinguen dos tipos de calor:
a) El calor sensible:- Ligado a una variación de la temperatura ∆T del sistema- es proporcional a la masa y a la diferencia de temperatura
a) El calor latente:- Calor necesario en un 1 kg de materia para cambiar de estado a T
constante- está asociado a un cambio de estado y puede ser liberado o absorbido.
Ejs. Fusión, vaporización, sublimación, etc
En ocasiones es deseable conocer la rapidez de transferencia de calor en lugar del calor total transferido durante cierto tiempo.
La transferencia de calor por unidad de masa de un sist. se denota por qy se determina
mQq = kJ/kg
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Cuando permanece constante durante el proceso, la relación anterior se reduce a
Q&
tQQ ∆= & (kJ)
Donde ∆t = t2-t1 es el intervalo de t durante el cual ocurre el proceso
La tasa de transferencia de calor se denota con , donde el punto significa una derivada con respecto al tiempo, sus unidades son kJ/s, que es equivalente a kW. Cuando varia con el tiempo, se determina integrando sobre el intervalo de tiempo del proceso: ∫=
2
1
t
tdtQQ & (kJ)
Q&
Q= 30 kJm= 2 kg∆t= 5 s
Q = 6 kWq= 15 kJ/kg
30 kJ calor
Relaciones entre q, Q y Q&
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SistemaW<0 W>0
Trabajo realizado Sobre el sistema
Trabajo realizado por el sistema
Convenio de signos
TrabajoEs cualquier cantidad que fluye a través de la frontera de un sistema durante un cambio de estado y que puede usarse por completo para elevar un cuerpo en el entorno.
El trabajo:-Solo aparece en la frontera de un sistema-Solo aparece en un cambio de estado-Se manifiesta por su efecto en el entorno-Cantidad de trabajo es igual a mgh-El trabajo es una cantidad algebraica:
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H2O liq. 10 gP=1 atmT=25°C
H2O liq. 100gP=1 atmT=90°C
Se sumerge hasta que los 100 g disminuyen 1°C a 89°C y se retira
Han fluido 100 unidades de calor desde el medio externo pues los 100 g experimentan disminución de T de 1°C
H2O liq. 10 gP=1 atmT=35°C
Estado final
M
h
Mismo sistemaH2O liq. 10 gP=1 atmT=25°C
H2O liq. 10 gP=1 atmT=35°C
Estado final, la T aumenta hasta 35°C
La masa cae y hace girar las paletas
En cual hay flujo de trabajo y en cual de calor??
Exp. Joule: “equivalente mecánico de calor”
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El calor y el trabajo dependen del proceso y por lo tanto de la trayectoria que une los edos. final e inicial. (son FUNCIONES DE TRAYECTORIA)
TRABAJO DE EXPANSION
M
T1, P1,V1
S S
S’ S’ M
T2, P2,V2
S S
S’ S’
La frontera se expande durante el cambio para encerrar un V mayor
Se ha producido W: se ha elevado una masa M una distancia vertical h contra la fuerza de gravedad gW=Mgh
Si el área del pistón es A la P que actúa hacia abajo sobre el pistón es (Mg)/A = Pop (presión que se opone al movimiento del pistón), en consecuencia: Mg=PopA Sustituyendo: W=PopAh
Pero Ah es el V adicional encerrado por la frontera en el cambio de estadoAh=V2-V1= ∆V Sustituyendo: W=Pop∆V o
h
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P
V
Pop
Isoterma del gas
P1,V1
P2,V2
V1 V2
0 Pop P2
Representación grafica del trabajo de expansión producido
≤ ≤ El signo de W estará definido por ∆VEn expansión ∆V = + y W = +
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P
V
Isoterma del gas
P2,V2
P1,V1
V2 V1
Representación grafica del trabajo de compresión
El signo de W estará definido por ∆VEn conpresión ∆V = - y W = -
P2
P1