Conceptos Fundamentales de Termodinamica g1

Ing. M.Sc. MARCO ANTONIO ARDILA BARRAGAN

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

ESCUELA DE INGENIERIA METALURGICA

TUNJA 2015

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE TERMODINAMICA

CONTENIDO

19/02/2015 2 Ing. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B

INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS Definicin y datos histricos Termodinmica y energa Dimensiones y unidades. Sistemas cerrados y abiertos. Propiedades de un sistema. Densidad y densidad relativa. Estado y equilibrio. Procesos y ciclos. Temperatura y ley cero de la termodinmica. Presin y Manmetro. Barmetro y presin atmosfrica. Resolucin de problemas.

TERMODINMICA Y ENERGIA TERMODINAMICA: Cencia de la energa.

ENERGA: Capacidad para producir cambios.

Therme (calor) Dynamis (fuerza) Primeros esfuerzos por convertir el calor en energa. transformacin e interaccin de la energa para lograr cambios de estado en

la materia.

Describe el comportamiento de la materia en equilibrio y los cambios desde un estado de equilibrio a otro.

Esta ciencia es una teora fsica, basada en:

Los conceptos de: ENERGA y ENTROPA

Los principios de: la PRIMERA y SEGUNDA Ley de la termodinmica


DATOS HISTRICOS

Aunque los mayores avances de la termodinmica datan de principios del siglo XVIII, la operacin de las primeras mquinas de vapor (T. Savery en 1695, y la de Newcomen en 1712) marcan el verdadero nacimiento de esta ciencia.

En 1695 GW Leibnizt presenta una declaracin formal de la primera ley de la termodinmica, demostrando que la suma de las energas cintica y potencial, se mantiene constante en un sistema aislado.

En el siglo XVIII, Joseph Black aport las definiciones de calor especfico, calor latente de transformacin y la teora calrica; a partir de estos conceptos, se establecieron la PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA, en el siglo XIX.

El fsico alemn Rudolf Clausius (1822 - 1888) estableci el concepto de ENTROPA para describir cuantitativamente las prdidas de energa til disponible en procesos que ocurren de forma natural.


reas de aplicacin de la Termodinmica

19/02/2015 Ing. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B 5

Fuente: [2]

Fuente: [1] Fuente: [1]



Fuente: [3]

Dimensiones y Unidades


Fuente: [1]

UNIDADES Prefijos para formar los mltiplos y submltiplos del sistema internacional de unidades

Unidades bsicas del sistema internacional de unidades

Dimensiones fundamentales y unidades bsicas del sistema ingls


Homogeneidad dimensional


En ingeniera, las ecuaciones deben ser dimensionalmente homogneas. Es decir, cada trmino de una ecuacin debe tener la misma unidad. Si en alguna etapa de un anlisis se est en posicin de sumar dos cantidades que tienen unidades distintas, es una indicacin clara de que se ha cometido un error en una etapa anterior. As que comprobar las dimensiones puede servir como una herramienta valiosa para detectar errores.

EJEMPLO : Generacin de potencia elctrica mediante una turbina elica Una escuela paga $0.09/kWh. Para reducir sus costos de energa, la escuela instala una turbina de viento con una potencia nominal de 30 kW. Si la turbina trabaja 2 200 horas por ao a su potencia nominal, qu cunta energa elctrica es generada por la turbina y cunto dinero ahorra la escuela por ao. Solucin: Se instala un aerogenerador para generar electricidad. Se deben determinar la cantidad de energa elctrica que se genera y el dinero que se ahorra por ao. Anlisis: La turbina de viento genera energa elctrica a razn de 30 kW, o 30 kJ/s. Entonces, la cantidad total de energa elctrica generada por ao es: Energa total = (Energa por unidad de tiempo)(Intervalo de tiempo): = (30 kW)(2 200 h) = 66 000 kWh La cantidad que se ahorra por ao es el valor monetario de esta energa determinada como: Dinero ahorrado = (Energa total)(costo unitario de energa) = (66 000 kWh)($0.09/kWh)= $5 940 EJERCICIO: La produccin anual de energa elctrica tambin se podra determinar en kJ

Homogeneidad dimensional


EJEMPLO : Obtencin de frmulas a partir de consideraciones de unidades Se llena un depsito con aceite cuya densidad es r=850 kg/m3. Si el volumen del depsito es V=2m3, determine la cantidad de masa m en el depsito. Solucin: Se tiene el volumen del depsito y se va a determinar la masa del aceite. Suposiciones El aceite es una sustancia no compresible y, por lo tanto, su densidad es constante. Anlisis: No se conoce la frmula que relaciona la masa con la densidad y el volumen; sin embargo, se sabe que la unidad de la masa es el kilogramo. Es decir, sin importar los clculos que se realicen se debe obtener al final la unidad de kilogramos. Entendiendo mejor la informacin proporcionada, se tiene:

r= 850 kg /m3 y V = 2 m3

Entonces: M =1850(kg/m3)(2 m3 )= 1 700 kg

EJERCICIO: Calcular las dimensiones del tanque cilndrico necesario para almacenar la cantidad de aceite del ejercicio anterior. Tener en cuenta que el dametro debe ser igual a 0.75 veces la altura.

SISTEMAS Y ALREDEDORES

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

Entorno o Alrederores del Sistema: Ambiente o medio que rodea al sistema.

Sistema Termodinmico. Regin en el espacio o cantidad de materia contenido

dentro de volumen prescrito para anlisis. Este volumen puede ser mvil o fijo, ya sea real o imaginario.


Universo. Sistema y entorno.

Frontera del Sistema. Envoltura imaginaria que encierra al sistema y lo separa del entorno; permite la interaccin de un modo especfico entre el sistema y su ambiente.


Tipos de Sistemas Termodinmicos

Sistema aislado: La cantidad de masa y energa permanece igual Las fronteras no permiten transferencia de masa, de calor y trabajo. (el sistema no puede intercambiar materia ni energa con su entorno).

Sistema cerrado: La cantidad de masa permanece contante, pero la cantidad de energa puede cambiar. Las fronteras permiten transferencia de calor y el trabajo, pero no transferencia de masa. (el sistema slo puede intercambiar energa con su entorno, pero no materia).

Sistema abierto: La cantidad de masa y energa puede cambiar. Las fronteras permiten transferencia de masa, calor y trabajo. (el sistema puede intercambiar materia y energa con su entorno).


Identificar los siguientes Sistemas Termodinmicos


PROPIEDADES DE UN SISTEMA


Algunas propiedades muy familiares son presin P, temperatura T, volumen V y masa m., viscosidad, conductividad trmica, mdulo de elasticidad, coeficiente de expansin trmica, resistividad elctrica e incluso velocidad y elevacin, entre otras. Propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presin y densidad. Propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamao o extensin del sistema. Ejemplos: masa total, volumen total y cantidad de movimiento total. Comnmente, las letras maysculas se usan para denotar propiedades extensivas (con la importante excepcin de la masa m) y las minsculas para las intensivas (con las excepciones obvias de la presin P y la temperatura T). propiedades especficas. Propiedades extensivas por unidad de masa, ejemplos: volumen especfico (v V/m) y la energa total especfica (e E/m).

DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA


Densidad se define como la masa por unidad de volumen : r=m/V = (kg/m3)

Volumen especfico v: Es el recproco de la densidad es decir, volumen por unidad de masa.

V=V/m = 1 /r

Gravedad especfica, o Densidad Relativa, se define como el cociente de la densidad de una sustancia, entre la densidad de alguna sustancia estndar a una temperatura especificada (normalmente agua a 4 C, para la que rH2O = 1 000 kg/m3).

DR = r/rH2O

Densidades relativas a 0 C Sustancia DR Agua 1.0 Sangre 1 1.05 Agua de mar 1.025 Gasolina 0.7 Alcohol etlico 0.79 Mercurio 13.6 Madera 0.3-0.9 Oro 19.2 Huesos 1.7-2.0 Hielo 0.92 Aire (a 1 atm) 0.0013

Peso Especfico. Peso de un volumen unitario de una sustancia, se expresa como:

Peso especfico: s = g donde g es la aceleracin gravitacional.

Estados de Equilibrio Un sistema est en equilibrio cuando la suma del efecto de cada una de las variables que actan sobre ste, es cero.

Equilibrio Termodinmico. Un sistema est en equilibrio termodinmico si no

puede realizar un cambio finito de forma espontnea a otro estado, sin que se presente un cambio finito en el estado de los alrededores. Todas las propiedades termodinmicas tienen el mismo valor en todos los puntos del sistema.

Equilibrio Trmico. No hay variacin de temperatura en el sistema, de forma interna o con sus alrededores.

Equilibrio Mecnico. No hay aceleracin en el sistema. La sumatoria de las fuerzas que actan sobre el sistema, es igual a cero.

Equilibrio Qumico. El sistema no puede someterse a una reaccin qumica. La materia que conforma el sistema se considera inerte.

Equilibrio Interno. Cuando en un sistema aislado no se presenta ningn tipo de cambio.

Equilibrio Externo. En un sistema cerrado , el intercambio de energa con los alrededores, es cero. 19/02/2015 21 Ing. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B

PROCESOS TERMODINAMICOS


PROCESO: Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema, y la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso. Para describir completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial y final, as como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.

DIAGRAMAS DE PROCESO. Representan la interaccin de propiedades termodinmicas del proceso en forma de coordenadas. Pueden ser: temperatura T, presin P y volumen V (o volumen especfico v).

Ejemplo: Diagrama del proceso de compresin de un gas en un sistema cilindro pistn, donde se puede observar el comportamiento de la presin con respecto al cambio de volumen.

Proceso Quasi-Esttico. Durante este proceso el sistema internamente debe estar infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio local en todo momento.

Proceso Isobrico. Proceso que se lleva a cabo a presin constante.

Proceso Isotrmico. Proceso que se lleva a cabo a temperatura constante.

Proceso Isomtrico. Proceso que se lleva a cabo a volumen constante.

Proceso Adiabtico. Proceso en el que no se transfiere energa en forma de calor.

Proceso Isentrpico. Proceso en el cual no se presentan cambios de entropa.

Proceso Politrpico. Toda la serie procesos que se realizan a pVn constante

Proceso Reversible e Irreversible. En un proceso reversible es posible de algn modo regresar el sistema y los alrededores a sus estados iniciales. Un proceso que no cumpla con esta condicin es un proceso irreversible.


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 tercero, estn en equilibrio trmico entre s.

ESCALAS DE TEMPERATURA

CO

NV

ERSI

N

DE

TEM

PER

ATU

RA



EJEMPLO : expresar el aumento de temperatura en diferentes unidades. Durante un proceso de calentamiento, la temperatura de un sistema aumenta en 10 C. Expresar el incremento de temperatura en K, F y R. Anlisis Los cambios de temperatura, son idnticos en las escalas Kelvin y Celsius; entonces, Los cambios de temperatura en las escalas Fahrenheit y Rankine tambin, y se relacionan con los cambios en las escalas Celsius y Kelvin.

Comprobar las respuesta con diferentes valores de temperatura y sobre las escalas grficas

PRESIN

Fuerza normal que ejerce un fluido (gas o lquido) por unidad de rea.

Unidades:

1 Pa = 1 N/m2

1 bar = 105 Pa = 0.1 MPa = 100 kPa

1 atm = 101,325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bars

1 kgf/cm2 = 9.807 N/cm2 = 9.807 104 N/m2 = 9.807 x 104 Pa

= 0.9807 bar

= 0.9679 atm


La presin es la fuerza de compresin por unidad de rea y da la impresin de ser un vector. Sin embargo, la presin en cualquier punto de un fluido es la misma en todas direcciones, es decir, tiene magnitud pero no direccin especfica y por lo tanto es una cantidad escalar.


PRESIN ABSOLUTA. Se mide respecto al vaco absoluto (es decir, presin cero absoluta). NOTA: La mayor parte de los dispositivos para medir la presin se calibran a cero en la atmsfera. PRESIN MANOMTRICA. Diferencia entre la presin absoluta y la atmosfrica local. PRESIONES DE VACO. Presiones por debajo de la presin atmosfrica y se miden mediante medidores de vaco que indican la diferencia entre la presin atmosfrica y la presin absoluta. NOTA: La presin absoluta, la presin manomtrica y la presin de vaco son positivas y se relacionan de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

19/02/2015 Ing. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B

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

Representacin grfica de la presin absoluta, la presin manomtrica y la presin de vaco.

EJEMPLO: Calcular la presin absoluta de una cmara de vaco Un medidor de vaco conectado a una cmara marca 5.8 psi en un lugar donde la presin atmosfrica es de 14.5 psi. La presin absoluta se puede determina a partir de la siguient ecuacin:


Variacin de la Presin con la profundidad

La presin de un fluido en reposo aumenta con la profundidad.

la presin de un fluido se incrementa de forma lineal con la profundidad.

Si se considera que el punto 1 est sobre la superficie libre de un lquido abierto a la atmsfera, donde la presin es la presin atmosfrica-Patm, entonces la presin a la profundidad h desde la superficie libre se convierte en:

MANMETRO


Dispositivo basado en una columna de fluido para medir diferencias de presin y comnmente se usa para medir diferencias de presin pequeas y moderadas. Los fluidos ms usados, son mercurio, agua, alcohol o aceites.

La columna diferencial de fluido de altura h est en equilibrio esttico y se halla abierta a la atmsfera; por lo tanto, la presin en el punto 2 es:

EJEMPLO : Se usa un manmetro para medir la presin en un recipiente. El fluido que se emplea tiene una densidad relativa de 0.85 y la altura de la columna del manmetro es de 55 cm. Si la presin atmosfrica local es de 96 kPa, determine la presin absoluta dentro del recipiente.

BARMETRO Y PRESIN ATMOSFRICA


BARMETRO . Dispositivo para medir la presin atmosfrica o presin baromtrica.

La presin en el punto B es igual a la presin atmosfrica, y la presin en C se puede considerar como cero puesto que slo hay vapor de mercurio arriba del punto C y la presin es muy baja en relacin con Patm.

la longitud y el rea de la seccin transversal del tubo no causan efecto en la altura de la columna del fluido de un barmetro


EJEMPLO: Determinar la presin atmosfrica en un lugar donde la lectura baromtrica es 740 mm Hg y la aceleracin gravitacional es g 9.81 m/s2. Suponga que la temperatura del mercurio es de 10 C, a la cual su densidad es 13 570 kg/m3.

EJEMPLO: Efecto del peso de un mbolo sobre la presin en un cilindro La masa del mbolo de un dispositivo vertical de cilindro-mbolo que contiene un gas, es de 60 kg y su rea de seccin transversal es de 0.04 m2. La presin atmosfrica local es de 0.97 bar y la aceleracin gravitacional es 9.81 m/s2. Determinar: a) La presin dentro del cilindro. b) Si se transfiere el calor al gas y se duplica su volumen, esperara un cambio en la

presin interna del cilindro? Considerar friccin mbolo cilindro, insignificante.

19/02/2015

Ing. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B

35

Solucin:

19/02/2015

Ing. M.Sc MARCO ANTONIO ARDILA B

36

EJEMPLO: Presin hidrosttica en un estanque solar con densidad variable Los estanques solares son pequeos lagos artificiales de pocos metros de profundidad que se usan para almacenar energa solar. Para evitar que el agua caliente suba a la superficie se agrega sal al fondo. En un estanque solar caracterstico con gradiente salino la densidad del agua se incrementa en la zona gradiente, por tanto la densidad es:

donde r0 es la densidad en la superficie del agua, z es la distancia vertical medida hacia abajo desde la parte superior de la zona gradiente y H es el espesor de la zona gradiente. Para H 4 m, r0 1 040 kg/m3 y un espesor de 0.8 m para la zona superficial. Calcular la presin manomtrica en el fondo de la zona gradiente.


El cambio diferencial en la presin hidrosttica en una profundidad dz, es:

La diferencia de presin entre z=0 y z, es:

El cambio de la presin manomtrica entre z=0 y z, est dado por:

La presin en P2, es:

Referencias Bibliogrficas


ENGEL, YUNUS A. y BOLES, MICHAEL A. TERMODINMICA. Edit. McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. Mxico, D.F., 2011. Look Jr. Dwight C. And SAUER, Jr Harry. Engineering Thermodynamics. PWS Engineering, Bostn, 1986. David R. Gaskell, Introduction to the Thermodynamics of Materials, Taylor & Francis, 3 edicin, 1995. Hoyos, Alonso y Meja, Marta. Fundamentos de termodinmica clsica para ingeniera. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medelln; Coleccin Facultad de Minas 120 aos. ISBN: 978-958-728020-3 Primera edicin, Medelln. G. S. Upadhyaya, Problemas de Termodinmica y Cintica en Metalurgia, Genrinis, Buenos Aires, 1979. David R. Gaskell, Introduction to Metallurgical Thermodynamics, McGraw-Hill, 1973. Gurry R. y Darken L., Physical Chemistry of Metals, McGraw-Hill, N.Y., 1953.

https://www.google.com.co/imghp?hl=en&tab=wi&ei=5XjmVJWqIIyfggT9p4OQCg&ved=0CAQQqi4oAg

Conceptos Fundamentales de Termodinamica g1

Documents

Transcript of Conceptos Fundamentales de Termodinamica g1