Conceptos basicos termodinamica
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El documento presenta conceptos básicos de la termodinámica. Explica que la energía es la capacidad de producir cambios o transferir calor, y que existen diferentes tipos como cinética, potencial y térmica. También define la energía interna de un sistema y los tipos de termodinámica. Finalmente, introduce conceptos clave como procesos, estados de equilibrio y fases de la materia.
![de las dimensiones primarias, por ejemplo
volumen, presión, área.
- En el Sistema [SI] la FUERZA es una
dimensión secundaria.
F=ma
[Kg. m/s2] = [N]
Representa la fuerza necesaria para
acelerar una masa de 1 Kg. En 1 m/s2
- En el sistema [USCS] la FUERZA es
una dimensión primaria.
Esto genera una fuente de confusión
entre lb-m y lb-f
F=
ma
gc
[lb − f / s 2 ]
Donde
g c = Cons tan te de proporcionalidad
g c = 32.174
lb − m ft
s 2 lb − f
gc = 1 En el [SI]
g c = 9.81
Kg − m m
s 2 Kg − f
En el sistema técnico.
Prof. Carlos G. Villamar L.
Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica](https://image.slidesharecdn.com/conceptosbasicostermodinamica-131025123155-phpapp02/85/Conceptos-basicos-termodinamica-5-320.jpg)
![Todos los términos en una ecuación deben
tener homogeneidad dimensional.
PROPIEDADES DE UN SISTEMA.
Es cualquier característica del sistema
observable o no a simple vista.
Propiedades
termodinámica:
importantes
en
Energía [E]
Volumen [V]
Presión [P]
Temperatura [T]
Densidad [ρ]
Masa [m]
Volumen específico [v]
Energía interna [U]
Entalpía [H]
Entropía [S]
Peso específico [g]
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Conceptos basicos termodinamica
- 1. CONCEPTOS BASICOS DE LA TERMODINAMICA. ENERGIA. Es difícil dar una definición precisa de ella. Se podría definir como: - Es la capacidad de producir cambios. - Es la capacidad que tiene un cuerpo de producir trabajo o transferir calor. - Tipos de Energía. Energía Cinética, Potencial, Térmica, Mecánica, Eléctrica, Magnética, Química, Nuclear, Interna. Energía Interna: Asociada a la energía sensible (EC), energía latente (fase), energía potencial (EP) tiene que ver con las interacciones entre las moléculas. Si hay cambio de composición se considera la energía química (enlaces atómicos entre las moléculas) Si hay reacciones nucleares se considera la energía nuclear (enlaces atómicos del núcleo del átomo) Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 2. TERMODINAMICA. -Es la ciencia de la energía. -Es parte de la física, que estudia las interacciones de la energía con los cuerpos y su influencia con sus propiedades. -Tiene como objetivo entender las interrelaciones entre fenómenos mecánicos, térmicos y químicos. - Es la ciencia que estudia las transformaciones de unas formas de energías en otras. Áreas de Aplicación. - Conversión de calor en trabajo o potencia. - Refrigeración, calefacción. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 3. Tipos de Termodinámica. - Termodinámica Clásica: Se aplica un estudio macroscópico de la sustancia, no se requiere conocer el comportamiento individual de cada partícula. Proporciona una manera fácil y directa de resolver problemas de ingeniería. - Termodinámica Estadística: Estudia las sustancias desde un punto de vista microscópico y molecular, este es un enfoque mas elaborado con base al comportamiento promedio de grandes grupos de partículas. Su estudio se basa en la mecánica quántica y la mecánica estadística. Átomos Moléculas Sustancia Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 4. DIMENSIONES Y UNIDADES. • Dimensiones Son nombres arbitrarios utilizados para caracterizar cantidades físicas, las magnitudes asociadas a las dimensiones se llaman Unidades. UNIDADES BASICAS Dimensiones primarias o fundamentales. Dimensión Unidad (SI) Masa Kg Longitud m Tiempo s Temperatura K Corriente A Eléctrica Cantidad de mol Substancia Fuerza ****** Unidad (USCS) lb-m ft S R A mol lb-f Dimensiones Secundarias: Son dimensiones que se expresan en términos Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 5. de las dimensiones primarias, por ejemplo volumen, presión, área. - En el Sistema [SI] la FUERZA es una dimensión secundaria. F=ma [Kg. m/s2] = [N] Representa la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 Kg. En 1 m/s2 - En el sistema [USCS] la FUERZA es una dimensión primaria. Esto genera una fuente de confusión entre lb-m y lb-f F= ma gc [lb − f / s 2 ] Donde g c = Cons tan te de proporcionalidad g c = 32.174 lb − m ft s 2 lb − f gc = 1 En el [SI] g c = 9.81 Kg − m m s 2 Kg − f En el sistema técnico. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 6. Todos los términos en una ecuación deben tener homogeneidad dimensional. PROPIEDADES DE UN SISTEMA. Es cualquier característica del sistema observable o no a simple vista. Propiedades termodinámica: importantes en Energía [E] Volumen [V] Presión [P] Temperatura [T] Densidad [ρ] Masa [m] Volumen específico [v] Energía interna [U] Entalpía [H] Entropía [S] Peso específico [g] Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 7. CLASIFICACION DE LAS PROPIEDADES. - Propiedades Intensivas: Son independientes del tamaño del sistema, por ejemplo la temperatura, presión, densidad. - Propiedades extensivas: Dependen del tamaño del sistema, es decir al variar el tamaño del sistema también cambia la propiedad, por ejemplo la masa, volumen, energía total. - Propiedades especificas: Es una propiedad independiente de la masa del sistema, es una propiedad extensiva dividida entre la masa, se denota con letras minúsculas, por ejemplo el volumen especifico (v), la energía interna especifica (u). Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 8. Todas las propiedades especificas son intensivas pero no todas las propiedades intensivas son especificas, por ejemplo la presión, temperatura, masa. - Propiedad dependiente: La dependencia indica que al variar una propiedad también varía otra. - Propiedad independiente: Son propiedades que no se ven afectadas por el cambio de otra propiedad. • SISTEMA, ALRREDEDORES. FRONTERA, - Sistema es una porción de materia o región del espacio elegida para realizar un estudio. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 9. - La superficie real o imaginaria que delimita el sistema se llama frontera. - Alrededores es la masa o región fuera del sistema. CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS. Masa Constante Abierto Sistema Masa Variable Cerrado Limites Móviles. Sistema (Según el tipo de frontera) Limites Fijos . Limites Reales. Limites Imaginarios Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 10. - Sistema Cerrado (masa de control): Permite el intercambio de energía con los alrededores pero sin intercambio de masa. MASA ENERGIA - Sistema Abierto (volumen de control): Permite el intercambio de masa y energía con los alrededores. * Sistema abierto con masa constante, la masa total dentro del volumen de control permanece constante. Flujo en una tubería. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 11. * Sistema abierto con masa variable, la masa que entra no es igual a la masa que sale del volumen de control. Entrada de Masa Energía Llenado de un tanque. - Sistemas con límites móviles: Son sistemas que tienen límites que varían. - Sistemas con límites Fijos: Son sistemas que tienen limites que no varían pueden ser reales o imaginarios. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 12. - Limites Reales: Son limites que existen físicamente. - Limites Imaginarios: físicamente. No existen Limite Real Móvil Limite Real Fijo Volumen de Control Limite Imaginario - Sistema Aislado: Es un caso especial en el que no existe intercambio de materia ni energía con los alrededores. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 13. EQUILIBRIO, ESTADO, FASE. • Equilibrio: Un sistema se encuentra en equilibrio cuando no tiene tendencia a cambiar de estado por si mismo. Un sistema se encuentra en equilibrio cuando en el no puede ocurrir un cambio espontáneo hacia otro estado sin que ocurra un cambio en los alrededores. El equilibrio termodinámico lo define: • Equilibrio Térmico: Si la temperatura es la misma en todo el sistema. • Equilibrio Mecánico: Cuando la presión es la misma en todo el sistema. • Equilibrio Químico: Si su composición química no cambia con el tiempo. • Equilibrio de fases: Cuando la masa en cada fase alcanza su nivel de equilibrio y permanece ahí. El sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si satisface todas estas condiciones. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 14. - Estado: Es una condición de la sustancia que esta definida por sus propiedades. - Fase: Es una condición homogénea de la sustancia, existe sólida, líquida y gaseosa. Cantidad de materia homogénea en composición química y estructura física. POSTULADO DE ESTADO. El estado de una sustancia lo definen sus propiedades, pero no se requiere especificar todas sus propiedades para fijar un estado, una vez que se conoce cierto número de propiedades las demás se pueden determinar. El estado de un Sistema Puro, Simple Compresible se define completamente con dos propiedades intensivas e independientes. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 15. SISTEMA SIMPLE COMPRESIBLE. Es aquel sistema que no esta sujeto a efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, tensión superficial. Estos efectos se deben a campos de fuerza externos. PROCESO. Es cualquier cambio que experimente el sistema de un estado de equilibrio a otro. Procesos comunes: Isotérmico Isobárico Isocórico o Isométrico Isoentálpico Isentrópico Adiabático TRAYECTORIA. Es la serie de estados de equilibrio por el cual pasa un proceso, es el camino recorrido, este debe responder a un patrón de cambio. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 16. PROCESO CUASIESTATICO CUASIEQUILIBRIO. O Es aquel que ocurre a través de sucesivos estados de equilibrio, realmente no existe es ideal o teórico. Son procesos que ocurren suficientemente lentos que permiten al sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte del sistema no cambien mas rápido que en otras partes. Proceso 1-2 2 Trayectoria 1 1=2 Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 17. • PROCESOS CICLICOS. Son procesos cualesquiera que regresan al punto de partida, el estado final es igual al estado inicial. Por lo tanto ⎛ d(Pr opiedad) ⎞ =0 ⎜ ⎟ dt ⎝ ⎠CICLO Proceso 1-2 2 Trayectoria 1 Ciclo 1=2 Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 18. PRESION. Es la fuerza por unidad de área ejercida por un fluido sobre una superficie. F P= A En un fluido en reposo la presión es la misma en todas las direcciones. La presión en un tanque que contiene gas es la misma en todo el tanque ya que el peso del gas es muy pequeño para hacer alguna diferencia apreciable. La presión en un recipiente con líquido aumenta con la profundidad como resultado del peso del fluido. La presión atmosferica es la fuerza ejercida por el aire sobre los cuerpos en la superficie terrestre. Patm= 101300 N/m2 = 101300 Pa = 101.3 Kpa ≈ 1 bar Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 19. Patm= 14.6959 psia ≈ 14.7 psia Tambien podemos expresar la presión como el peso de una columna de fluido V = h A (Volumen = Altura * Area) m ρ= → m=ρ V V F=m g Por tan to / F mg ρVg ρhAg P= = = = / A A A A P = ρ g h=γh La expresión anterior representa la presión en el fondo de una columna de fluido. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 20. Escala de Presiones. P manométrica P absoluta Patm P vacío P absoluta de vacío Patm 0 absoluto - Presión absoluta: Se mide con respecto al vacío absoluto o cero absoluto, se mide con barometros. - Presión manométrica: Mide la presión con respecto a la atmosfera, se mide con manometros. - Presión de vacío: Mide la presión por debajo de la atmosferica, se mide con vacuometros. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 21. Pabs = Patm + Pman Patm Pa P a medir = ρ g h + P atm medir h Ecuación de un manómetro en U P indicada = P manométrica = P relativa P abs = P indicada + P atm P abs = P indicada + P exterior Pa medir Ecuación de un manómetro de Bourdón o tubo en C Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 22. TEMPERATURA. No es fácil definirla exactamente. Es una propiedad intensiva que indica el nivel de energía es decir actividad molecular, que tiene un cuerpo. Es la única propiedad suficiente para determinar si dos cuerpos están en equilibrio térmico. Se mide observando el cambio de una propiedad con la temperatura de un cuerpo patrón, se debe definir una escala de temperatura y poner los dos cuerpos en contacto. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 23. Escalas de Temperaturas Temperatura de ebullición del agua a 1 atm °C °F R 100 Temperatura de Fusión del agua a 1 atm K 373 212 672 0 273.15 ≈ 273 32 491.67 ≈ 492 - 273 0 K = °C + 273 ∆K = ∆°C °F = 1.8 °C + 32 °C = (°F – 32) / 1.8 R = 1.8 K K = R / 1.8 R = 1.8 °C + 492 - 460 0 R = °F + 460 ∆R = ∆°F Escala Relativa Escala Relativa Escala Absoluta Escala Absoluta Escala Absoluta Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
- 24. LEY CERO DE LA TERMODINAMICA. Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre si. A A B C Si A se encuentra en equilibrio térmico con B y C B C B y C están en equilibrio térmico. Dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura, incluso si no se encuentran en contacto. Prof. Carlos G. Villamar L. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica