FACULTAD DE INGENIERIA EN MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION

TERMODINAMICA

I TERMINO 2011-2012

CAPITULO # 1

INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA

TERMODINAMICA Y ENERGIA - CONCEPTOSTermodinmica: Es la ciencia de la energa y sus transformaciones que incluye: generacin de potencia, de refrigeracin, y relaciones entre propiedades de la materia.

Energa: Es una propiedad termodinmica y tiene capacidad de causar cambios.

TERMODINAMICA Y ENERGIA - CONCEPTOS

Primera ley de la Termodinmica.- Principio de conservacin de la energa: la energa puede cambiar de forma y su cantidad total permanece constante (la energa no se crea ni se destruye solamente se transforma), Ejemplos: una piedra que cae (EP = EC),calentamiento de una sustancia (W=Q).

TERMODINAMICA Y ENERGIA- CONCEPTOS

El cambio en el contenido energtico de un cuerpo o de un sistema, es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energa.

El balance esta expresado:

Eentrada Esalida = E

La Primera Ley de la Termodinmica es una expresin del principio de conservacin de la energa.

Segunda ley de la Termodinmica.- La energa tiene calidad y cantidad. Los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energa.

Ejemplos:Tasa de leche caliente sobre la mesa, con el tiempo se enfra transfiriendo calor al cuarto, pero una tasa de leche fra en el mismo sitio nunca se calienta.La energa de alta temperatura se degrada (se transforma en energa menos til a otra con menor temperatura cuando se ha transferido esa energa al rea circundante).

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICALa interaccin entre energa y materia se dan en todas las actividades.

La termodinmica se encuentra en los sistemas de la ingeniera e inclusive en aspectos de nuestra existencia diaria.

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA

Confort humano: depende de la temperatura y la humedad del medio ambiente.

Calor corporal se transfiere en forma constante al ambiente.

Mediante los principios de la termodinmica se han diseado sistemas de refrigeracin y calefaccin, humidificadores, calentadores de agua, computador, equipo de TV, etc.

APLICACIONES DE LA TERMODINAMICAA otra escala de aplicaciones de la termodinmica se tiene: Motores de aviacin y de vehculos, cohetes, plantas de energa de vapor de agua y de gas, energa nuclear, colectores solares, aeroplanos, intercambiadores de calor, condensadores.

Los edificios inteligentes usan la energa de forma eficiente mediante control por sensores. Para ahorrar energa, el hogar se disea en base a la reduccin de calor en invierno y ganancia de calor en la poca de verano.

DIMENSIONES Y UNIDADES: IMPORTANCIACantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones.

Las magnitudes asignadas a esas dimensiones se denominan unidades.

Dimensiones bsicas (primarias fundamentales):

Dimensiones derivadas (secundarias):Velocidad: vEnerga: EVolumen: V

Masa: kilogramo (kg)Tiempo: segundo (s)Longitud: metro (m)Corriente elctrica: Ampere (A)Temperatura: Kelvin (K)Cantidad luminosa: candela (cd)

SISTEMASSe han creado varios sistemas de unidades y hasta laactualidad se usa el sistema ingles y el sistemainternacional SI o mtrico. Permanecer el sistemaingles hasta que se complete la transicin al sistemaSI.

El sistema SI esta basado en una relacin decimal, eslgico y simple.

Los prefijos usados para expresar los mltiplos de lasdiferentes unidades se muestran en la siguiente Tabla,y se utilizan como estndar para todas. Su uso es muyaplicado.

PREFIJOS EN UNIDADES DEL SISTEMA SI

TERA (T) : 1012GIGA (g): 109MEGA (M): 106KILO (k) : 103HECTO (h): 102DECA (da): 101DECI (d) : 10-1CENTI (c): 10-2MILI (m): 10-3MICRO () : 10-6NANO (): 10-9PICO (p): 10-12

UNIDADES INGLESAS

lbm = 0.45359 kgF = m x aEn el sistema SI (unidad de fuerza es el Newton - N)N = fuerza necesaria para mover 1 kg masa a una aceleracin de 1 m/s2 N = kg m/s2 lbf= 32.174 lbm.pie/s2kgf = 9.81 N

TRABAJOTrabajo es una forma de energa (fuerza x distancia)Unidad: (N*m), denominado Joule (J).

Calora (cal): energa requerida para elevar en 1C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 C1 cal= 4.1868 J1 BTU = 1.0551 kJ Unidad mas frecuente en sistema SI: (kJ)Unidad mas frecuente en sistema ingles: BTU

OBSERVACION: Tener presente que en una ecuacin todos los trminos deben tener las mismas unidades.

SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL

< FRONTERA

ALREDEDORES

Sistema: Cantidad de materia o una regin en un espacio seleccionado para anlisis

Regin fuera del sistema: alrededores

Superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores: frontera

Frontera: fija (cuerpo con superficie fija) o mvil (ejemplo un sistema de mbolo)

SISTEMA

SISTEMAS ABIERTO Y CERRADOSistema cerrado o masa de control consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. El volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Ninguna masa entra o sale del sistema cerrado (fig.116).

La energa en forma de calor puede cruzar la frontera

Si no cruza calor por la frontera entonces se trata de un sistema aislado.

SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL Sistema es el gas contenido en el cilindro (tiene fronteras fija y mvil).

(Ver fig. 117 sistema cerrado con frontera mvil)

Todo lo que se encuentra fuera del gas incluso el mbolo y el cilindro se denominan alrededores

SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL SISTEMA ABIERTO o VOLUMEN DE CONTROL: REGION ELEGIDA EN EL ESPACIO

Encierra un dispositivo que tiene que ver con el flujo msico, ejemplos: Tobera, Bomba, Turbina, Compresor. El flujo en estos dispositivos se estudia relacionando la regin dentro del mismo como un volumen de control.

SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROLVer fig. 118 (a) y (b), 119

Sistema cerrado con frontera mvil (mbolo).

Sistema abierto o volumen de control conentrada y salida (calentador de agua).

PROPIEDADES DE UN SISTEMAPropiedad: cualquier caracterstica de un sistema

Propiedad intensiva (con letra minscula con excepcin de P y T): No dependen de la masa de un sistema, ejemplo: temperatura, presin, densidad.

Propiedad extensiva (con letra mayscula, no la masa): dependen del tamao o extensin del sistema, ejemplo: masa total, volumen total, cantidad de movimiento total.

Propiedad especfica: son propiedades extensivas por unidad de masa, ejemplo: Volumen especifico (v= V/m), Energa especfica (e=E/m).

DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVADensidad: Se define como la masa por unidad de volumen, y est relacionada con la siguiente ecuacin: = m/Vrepresenta la masa que correspondera a la unidad de volumen de la sustancia considerada. En el sistema internacional de unidades (SI) es kg/m3La densidad de lquidos y slidos depende mas de la Temperatura que de la Presin.Volumen especfico: se define como el volumen por unidad de masa=1/densidad

PROPIEDADES

Peso especfico: Se define como su peso por unidad de volumen, y esta relacionado por la ecuacin: = mg/V = gSe calcula al dividir el peso de la sustancia entre el volumen que esta ocupa. En el Sistema Internacional de Unidades, es (N/m)

= peso especifico m g = es el peso de la sustancia V= es el volumen que la sustancia ocupa = es la densidad de la sustancia g = es la gravedad terrestre local

DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA

Ejemplo: a 20 C la densidad del H2O cambia de 998 kg/m3 a 1 atm, a 1003 kg/m3 a 100 atm, (cambio de 0.5%).

La densidad del agua cambia de 998 kg/m3 a 975 kg/m3 cuando se calienta de 20C a 75C, (cambio de 2.3%)

La densidad relativa o gravedad especifica: Es el cociente de la densidad de la sustancia entre la densidad de una sustancia estndar a una temperatura especifica (agua =1000 kg/m3 a 4 C)SG = densidad del fluido/densidad del agua (a condiciones normales)

DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA

Peso especifico: Peso de un volumen unitario = densidad x gravedad Unidad: (N/m3)

ESTADO Y EQUILIBRIOESTADO: el estado de un sistema se describe mediante sus propiedades. La termodinmica trata con estados de equilibrioEjemplos: Estado 1 y 2: (fig. 1-23 texto gua)Un sistema est en equilibrio trmico cuando todo el sistema tiene la misma temperatura. Fig 124.

Equilibrio mecnico se relaciona con la presin. Equilibrio cuando la presin sea igual en todo el sistema.

La variacin de la presin como resultado de la gravedad en la mayora de los sistemas termodinmicos es relativamente pequea y se ignora.

ESTADO Y EQUILIBRIOSi en el sistema hay dos fases: Se encuentra en la fase de equilibrio cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece all.

Un sistema esta en equilibrio qumico si su composicin qumica no cambia con el tiempo (no ocurren reacciones)

ESTADOEl estado de un sistema se describe mediante sus propiedades (especificar un cierto numero de propiedades es suficiente para fijar un estado)

ESTADO Y EQUILIBRIOSe requiere que dos propiedades especificas sean independientes para fijar el estado. Son independientes si una de ellas puede variar mientras la otra permanece constante.Temperatura y volumen especifico son propiedades independientes. Las dos propiedades juntas fijan un estado compresible.La Temperatura y Presin son propiedades independientes para una sola fase y son dependientes para sistema multifase.

ESTADO Y EQUILIBRIOEjemplo: El agua hierve al nivel del mar a 100 C, pero a una altitud mayor el agua hierve a menor temperatura.

Por lo tanto T = f(P) durante un proceso de cambio de fase.

Conclusin: La T y P no son suficientes para fijar el estado de un sistema de dos fases.

PROCESOS Y CICLOSProceso: Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso.Trayectoria del proceso: La serie de estados por los que experimenta un sistema durante este proceso de denomina trayectoria del proceso. Para describir completamente un proceso: Especificar sus estados inicial y final, la trayectoria seguida y las interacciones con los alrededores.PROCESO CUASIESTATICO:Es cuando un proceso se desarrolla de tal forma que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca del estado de equilibrio.

PROCESOS Y CICLOS PROCESO CUASIESTATICO O CUASIEQUILIBRIO:Un proceso as se considera lo suficientemente lento como para permitir que el sistema se ajusta internamente de tal forma que las propiedades de una de sus partes no cambien.

Ejemplo: compresin rpida y lenta de un gasCompresin rpida: (concentracin de molculas frente a la pared del embolo, se acercan unas otras, esto implica que esa zona tiene mayor presin)Compresin lenta: (la presin se redistribuye, habr aumento uniforme en todos los lugares del cilindro)

PROCESOS Y CICLOSLas propiedades que se utilizan como coordenadas son T, P, y V o v(volumen especfico), y son tiles para una representacin visual de un proceso.

Ejemplo: compresin de un gas donde intervienen las propiedades independientes P y V. (Ver fig 128 Texto gua)

PROCESO DE FLUJO ESTABLEEstable o uniforme (No hay cambio con el tiempo con la ubicacin en una regin especifica)

Proceso de flujo estable: Proceso durante el cual un fluido fluye de forma estable por un volumen de control. Durante un PFE (V, m, ETOTAL) permanecen constantes.Ejemplo: turbinas, bombas, calderos, condensadores, intercambiadores de calor (radiadores). En compresores de aire reciprocante hay efectos pulstiles que no se consideran estables.

(Ver Fig. 129 -130 Texto gua)

TECNICAS PARA ANALIZAR Y RESOLVER PROBLEMAS Procedimiento formal para el anlisis del problema:Cual es la mc o el VC?. Es til escoger mas de uno? Puede ser til trazar un diagrama del sistema en este punto indicando todos los flujos de calor y trabajo, adems de las fuerzas como las presiones externas.Que se sabe sobre el estado inicial (propiedades)?Que se sabe sobre el estado final?Que se sabe sobre el proceso que se lleva a cabo?Es til trazar un diagrama de la informacin de las etapas 2 a 4?, ejemplo diagramas P-v o T-v?Cual es el modelo termodinmico para el comportamiento de la sustancia (uso de tablas de vapor, de gas ideal)?Cual es el anlisis del problema? Examinar las SC para determinar diversas formas de trabajo, la primera ley, la conservacin de la masa.Cual es la tcnica de solucin? Como se procede para encontrar lo que se busca? Es necesario hacer una solucin por tanteos?

TECNICAS PARA ANALIZAR Y RESOLVER PROBLEMAS No siempre es necesario escribir estas etapas, sin embargo cuando se debe desarrollar un problema nuevo y desconocido, se debe siempre pensar por lo menos siguiendo el conjunto de preguntas para desarrollar la capacidad de resolver problemas cada vez de mayor reto.

Ejemplo Un recipiente tiene un volumen de 5 m3 y contiene 0.05 m3 de agua liquida saturada y 4.95 m3 de vapor de agua saturada a 0.1 MPa. Se transfiere calor hasta que el recipiente se llena con vapor saturado. Determine la transferencia de calor para este proceso.Solucin:mc: toda el agua dentro del recipienteEstado inicial: presin, vol. liquido, vol. de vapor (estado 1 esta fijo)Estado final: algn punto a lo largo de la curva de vapor saturado; el agua se calent por lo que P2 > P1 (estado 2)Proceso: volumen y masa constantes, entonces el vol. especifico es constanteModelo: tablas de vapor

Ejemplo Ecuacin general de la energiaQ1-2 = U2 U1 + EC+ EPEC = 0EP=0

Estado 1U1 = m1liq u1liq + m1vap uvapm1liq = V1liq/vf = 0.05/0.001043 = 47.94 kgmvap = Vvap/vg = 49.5/1.6940 = 2.92 kgmtot = m1liq + m1vap 47.94 + 2.92 = 50.86 kg

Ejemplo Estado 2 (segn el grfico dado en el aula)Volumen especifico v2=Vtot/mtot 5/50.86 = 0.0983 m3/kg

Con vol. especifico v2 se determina por interpolacin utilizando las tablas de vapor, en condicin de vapor saturado (estado 2), que corresponde a P2 = 2.03 MPa.

Por lo tanto, u2 en este estado 2 es = 2600,5 kJ/kgU2= 2600,5 * 50.86 = 132261 kJQ1-2 = 132261 27326Q1-2 = 104935 kJ

DIMENSIONES Y UNIDADES

TEMPERATURA (Escalas)

PRESION

TEMPERATURACuando un cuerpo se pone en contacto con otro que esta a una temperatura diferente, el calor (Q) se transfiere del que esta mas caliente al frio hasta que alcanzan la misma temperatura (el equilibrio trmico). En ese instante cesa el flujo de calor (Q = 0)

Ley Cero de Termodinmica: Dos cuerpos se encuentran en equilibrio trmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura, incluso si no hay contacto.

(Ver Fig. 131 Texto gua)

TEMPERATURA: Escalas Temperaturas bases:Punto de congelamiento (punto de hielo): cuando una mezcla de agua y hielo esta en equilibrio con aire saturado con vapor a 1 atm.)

Punto de ebullicin (punto de vapor): cuando una mezcla de agua y vapor, sin aire, esta en equilibrio a 1 atm.)

ESCALAS: Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine

TEMPERATURAEQUIVALENCIAS

T (K) = T(C) + 273.15

T (R) = T(F) + 459.67

T (F ) = 1.8 T(C) + 32

PRESIONFuerza normal que ejerce un fluido (gas o liquido) por unidad de rea.UNIDADES P = F/AF = NA = mP = N/m = Pa1 bar = 10 Pa1 atm = 1.01325 bars1kgf/ cm = 9.8 N/ cm = 9.8 x 10 Pa

PRESIONPresin absoluta: presin real con respecto al vacio absoluto.Presin manomtrica: presin calibrada a cero con la atmsferaPman = Pabs PatmPvacio = Patm - Pabs

Variacin de presin con la profundidad:

P2- P1 = g Z = Z; = peso especifico del fluido

MANOMETRIAPor medio de un manmetro se mide diferencias de presin pequeas y moderadas a travs de una columna que puede contener uno o mas fluidos (mercurio, aceite, alcohol).

Para medir grandes diferencias de presin en manmetros de tamaos manejables, se utiliza el Hg.

P2 = P1 + g Z (columna de liquido de densidad y de altura Z.

Ejemplo: Presin en el fondo de una columna de fluido de altura Z.P1 = Patm; Pman = g Z

Tarea # 1.

1-6C; 1-14; 1-16C; 1-19C; 1-22C; 1-23E; 1-31; 1-36C; 1-37C; 1-39C;

Tarea # 2. 1-41E; 1-42; 1-48; 1-52; 1-53; 1-61; 1-69; 1-73; 1-75

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