Termodinamica.ppt
- 1. FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA DE INGENIERIA AGRICOLA TERMODINAMICA APLICADA ING. CARLOS CASTAÑEDA ESQUEN MECANICO - ELECTRICISTA
- 2. PRIMERA SEMANA CAPITULO I: DEFINICIONES Y LEY CERO DE LA TERMODINAMICA
- 3. CONTENIDO 1. Introducción 2. Aplicación 3. Unidades 4. Sistemas 5. Propiedades Termodinámicas 6. Estado 7. Equilibrio termodinámico 8. Función de estado 9. Proceso o transformación 10. Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica 11. Densidad y Volumen Específico 12. Presión 13. Ecuaciones de Estado
- 4. ¿Por qué necesitamos estudiar TERMODINAMICA? La Termodinámica es esencial para la química. Explica por qué las reacciones tienen lugar y nos permite predecir la cantidad de calor que liberan y el trabajo que pueden realizar. Forma parte de nuestras vidas, ya que las grandes cantidades de energía extraída de los productos naturales y los recursos energéticos aportados por los alimentos que ingerimos, están gobernados por Principios termodinámicos. Porque como ingenieros nos interesa el optimo aprovechamiento de la energía para fines que sirvan a la humanidad (electricidad, calefacción, combustión, refrigeración) y para optimizar el uso de la energía debemos conocer las leyes que rigen su transformación 1. INTRODUCCION
- 5. Lavoiser 1743- 1794 Carnot 1796-1832 Joule 1818-1889 Kelvin 1820-1907 Clausius 1822-1888 Gibbs 1839-1903 S. XVIII S. XIX S. XXI Ley conservación de la materia Análisis de las máquinas térmicas Entropía Escala de temperaturas Ecuaciones fundamentales entre propiedades Equivalencia entre calor y trabajo
- 6. CONCEPTOS BASICOS 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.
- 8. Termodinámica Es la ciencia que estudia la energía y las diversas formas en que ésta se manifiesta Su nombre proviene de dos vocablos griegos: thermos (calor) y dynamic (potencia) Las leyes que rigen las transformaciones de unas formas (de energía) en otras son: Ley de la conservación de la masa Ley de la conservación de la energía Ley de la degradación de la energía
- 9. Termodinámica Clásica y Estadística Termodinámica Clásica: enfoque macroscópico, el estudio no requiere un conocimiento del comportamiento individual de las partículas. Proporciona una manera directa y fácil para resolver problemas de ingeniería. Termodinámica Estadística: el estudio se basa en el comportamiento promedio de grandes grupos de partículas individuales, es un enfoque microscópico, su estudio se basa en la mecánica quántica y mecánica estadística.
- 10. 2. AREAS ESPECIFICAS DE APLICACION • Motores • Turbinas • Centrales eléctricas • Sistemas de propulsión para aviones y cohetes • Sistemas criogénicos de separación y licuefacción de gases
- 11. APLICACIONES • Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. • Sistemas de energías alternativas (células de combustible, dispositivos termoeléctricos y termoiónicos, sistemas solares, sistemas geotérmicos) • Aplicaciones biomédicas (sistemas de apoyo a la vida, órganos artificiales)
- 12. 3. UNIDADES • SISTEMA INTERNACIONAL (SI) Masa (Kg) Longitud (m) Tiempo (Seg) • SISTEMA INGLES Masa (lbm) Longitud, pie (ft) Tiempo (seg)
- 13. 4. Sistema Termodinámico Sistema: Es una porción del universo (una cantidad de materia o una región en el espacio), separada del resto con propósitos de estudio. Alrededores o Entorno: Es la masa o región fuera del sistema ( el resto del universo ). Frontera: Superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores. La frontera puede ser fija o móvil, matemáticamente tiene espesor cero y por ello no tiene masa ni volumen. •Un sistema interactúa con sus alrededores intercambiando masa y/o energía
- 14. Tipos de sistemas Materia Energía Abierto Materia Cerrado Materia Energía Aislado Puede intercambiar
- 16. 4.1 Sistema cerrado También llamado masa de control : es aquel que no intercambia masa con sus alrededores Tiene masa constante, pero el volumen cambia.
- 17. NO calor entra al sistema SI el sistema realiza trabajo Q (+), W (+), La masa no puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado (masa de control), pero se puede agregar o eliminar calor o trabajo (energía). Un SISTEMA CERRADO con frontera móvil, el sistema puede realizar trabajo de expansión (+), la masa permanece constante, pero el volumen cambia
- 18. 4.2. Sistema abierto También llamado volumen de control ; es aquel que intercambia masa con sus alrededores. A la frontera de un sistema abierto se le llama superficie de control Por lo general encierra a un dispositivo/equipo: compresor, turbina, intercambiador de calor.
- 19. Tanto la masa como la energía (calor y trabajo) pueden cruzar las fronteras de un volumen de control. Un SISTEMA ABIERTO (un VOLUMEN DE CONTROL (VC)) con una entrada y una salida SI SI
- 20. 4.3. Sistema aislado Aquel que no intercambia ni masa ni energía con sus alrededores Un sistema aislado, puede cambiar como consecuencia de fenómenos espontáneos que ocurren internamente cuando propiedades como temperatura y presión evolucionan hacia valores uniformes Ejm: dos bloques sólidos que inicialmente están a diferente temperatura, y que luego de un tiempo determinado alcanzan la misma temperatura SISTEMA AISLADO NO NO
- 21. SISTEMA ADIABATICO NO SI No entra calor del exterior, Q=0 El sistema si realiza trabajo, hay expansión (+ W) o compresión del sistema (– W) SI
- 22. El proceso tiene lugar demasiado rápido como para que el calor perdido sea reemplazado desde el entorno, por lo que la temperatura desciende. Emisión de aerosol por un pulverizador. Motores de automóviles, presentan fenómenos adiabáticos
- 23. Clasificación de fronteras F R O N T E R A S Rígidas Móviles Adiabáticas Diatermanas Impermeables Semipermeables Permeables No dejan pasar el calor Si dejan pasar el calor Permiten el paso de sustancias No permiten el paso de sustancias Sólo permiten el paso de sustancias hacia un lado de la pared Diatérmicas
- 24. Pared permeable Pared semipermeable Pared impermeable
- 25. 60ºC 40ºC 60ºC 40ºC 60ºC 40ºC Pared adiabática 50ºC 50ºC Pared diatérmica
- 26. Y1 Y2 Dividimos el sistema en dos partes por una superficie imaginaria y => magnitud cualquiera Extensivas y = y1 + y2 Intensivas y = y1 = y2 •Energía •Masa •Volumen •Presión •Temperatura •Densidad Son características macroscópicas que sirven para describir el estado de un sistema. Propiedades 1.Extensivas 2.Intensivas Dependen de la masa No dependen de la masa 5. Propiedades Termodinámicas
- 27. 3. Propiedad Específica Si dividimos una propiedad extensiva entre la masa, resulta una propiedad específica. m S s específica entropía m H h específica entalpía m V v específico volumen Nota: Utilizaremos una letra mayúscula para representar una propiedad extensiva (excepción: m por masa) y una minúscula para indicar la propiedad intensiva asociada)
- 28. 6. Estado Termodinámico Expresa la condición de un sistema en un instante dado; dicha condición está definida por un conjunto de propiedades Estado Estacionario: cuando los valores de las propiedades del sistema no cambian con el tiempo Estado no Estacionario ó Estado Transitorio: cuando las propiedades del sistema tienen valores que cambian con el tiempo
- 29. Un sistema en dos estados diferentes
- 30. Un sistema en estado de equilibrio está descrito cuando los valores de sus propiedades termodinámicas son uniformes en todo el sistema. La termodinámica estudia sistemas en equilibrio (procesos reversibles) Equilibrio mecánico Equilibrio térmico Equilibrio químico Equilibrio de fases Presión Temperatura Composición química Fases uniformes sistema 7. Equilibrio termodinámico
- 31. Equilibrio térmico Temperatura constante en todos los puntos del sistema Equilibrio mecánico Todas las fuerzas están equilibradas, P = Cte. No hay cambio en la presión en ningún punto del sistema con el tiempo Equilibrio químico No hay cambios en la composición química del sistema, no ocurren reacciones químicas Equilibrio de fases La masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio
- 32. 8. FUNCIONES DE ESTADO 1) Son relaciones matemáticas entre las propiedades de estado que se obtienen por cálculos 2) Cuando cambia el estado de un sistema, los cambios de dichas funciones sólo dependen de los estados inicial y final del sistema, no de cómo se produjo el cambio. DX = Xfinal –Xinicial Si X es función de estado se cumple ( , , ....) X f a b c , ... , ... ...... b c a c X X dX da db a b Altura = función de estado No distancia recorrida
- 33. Definición de proceso 9. Proceso termodinámico -Es el cambio que experimenta el sistema cuando cambia de un estado a otro. -La sucesión de estados por los que pasa el sistema durante el proceso se llama trayectoria •Proceso cíclico Aquel en que los estados inicial y final coinciden P V 1 2 P V V1 V2 Trayectoria del proceso
- 34. Trayectoria = Camino o ruta seguida para el cambio de estado PROCESO termodinámico Tipos de procesos • Isotérmico (T = cte) • Isobárico (P = cte) • Isocórico (V = cte) • Adiabático (Q = 0) Durante el proceso el sistema cambia los valores de sus propiedades (por lo menos una):
- 35. 9.1 Tipos de Procesos termodinámicos En función de la trayectoria seguida por el proceso termodinámico durante un cambio de estado, puede ser reversible e irreversible 1. Proceso reversible El cambio de estado se realiza por intermedio de un número infinito de estados de equilibrio (en un número infinito de etapas). Es un proceso idealizado, que sirve como patrón de referencia de los procesos reales. Observaciones: • La velocidad del proceso reversible es muy pequeño, por lo tanto es un proceso lento (Proceso cuasiestático) que se realiza en largo tiempo • Durante el proceso, el sistema no pierde energía, por lo tanto el sistema puede regresar al estado inicial por la misma trayectoria (Proceso reversible) • Durante el proceso reversible el sistema efectúa un trabajo máximo • Ejemplo: Procesos de expansión y compresión de gases en una máquina de combustión interna Procesos Reversible (a) e Irreversible (b)
- 36. 2. Proceso Irreversible Es cuando el cambio de estado se realiza en un número finito de estados de equilibrio, generalmente es un cambio brusco. Ejemplo: Procesos de combustión OBSERVACIONES: • Durante el proceso irreversible, el sistema pierde energía, por lo tanto el estado no puede regresar solo al estado inicial • Los procesos irreversibles se realizan en un solo sentido, sin intervención externa, por lo que se les llama procesos espontáneos
- 37. 10. TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINAMICA Es una medida del grado de agitación de las partículas que constituyen la materia Es una propiedad intensiva fácil de medir, y muy importante por cuanto muchas propiedades de las sustancias (materia) cambian al cambiar la temperatura Cuando un sistema está a la misma temperatura que otro sistema (o que su entorno), se dice que dicho sistema está en equilibrio térmico con aquella parte del universo
- 38. Escalas de Temperatura: T (k) = T (°C) + 273 T (R) = T (°F) + 460 T (F) = 1.8 T (°C) + 32 Comparación de escalas de temperatura Cero absoluto Punto Triple del agua Punto de ebullición del agua a 1 atm
- 39. SISTEMA 1 SISTEMA 2 SISTEMA 3 Equilibrio térmico Equilibrio térmico Equilibrio térmico Principio cero de la termodinámica Principio cero Cuando dos sistemas 1 y 2 están en equilibrio térmico con un tercero 3. 1 y 2 también están en equilibrio térmico entre si
- 40. 11. DENSIDAD, VOLUMEN ESPECIFICO I S m Kg v m . 3 Densidad: La densidad es una propiedad intensiva. Es la relación entre la masa y el volumen de una sustancia La densidad para gases varía con la presión y la temperatura del gas. La densidad de los líquidos y sólidos depende más de la temperatura que de la presión
- 41. Volumen Específico: Es una propiedad intensiva. Es la inversa de la densidad, es decir la relación entre el volumen y la masa I S Kg m m V . 3
- 42. 12. Presión Es la fuerza que ejerce un fluido (líquido ó gas) por unidad de área La unidad de presión en el SI es el Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 1 kPa = 103 Pa = 103N/m2 1 MPa = 106 Pa 1 bar = 105Pa = 0,1 MPa = 100 KPa 1 atm = 101325Pa = 101,325Kpa= 1,01325 bar = 760 mm Hg
- 43. PABS = PATM + PMAN PABS = PATM - PVACIO P MAN = PABS - PATM
- 44. La presión absoluta, manométrica atmosférica son cantidades positivas y se relacionan entre si P manométrica = P absoluta - P atmosférica P absoluta = P atmosférica + P manométrica P vacío = P atmosférica – P absoluta
- 45. 12.1 EL MANOMETRO Es un instrumento que mide una diferencia de presión en función de la altura de una columna líquida. Se usa para medir de pequeñas a medianas diferencias de presión. Consiste en un tubo de plástico o de vidrio en forma de U y que contiene en su interior uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite Pman = Pabs - Patm Manómetro básico Patm 1 2
- 47. 12.2 EL BAROMETRO La presión atmosférica se mide con un dispositivo llamado BAROMETRO; por lo que se le conoce como PRESION BAROMETRICA Patm = ρ g h = densidad Hg g = aceleración gravitacional h = altura de la columna Barómetro básico
- 48. Gases Ideales Están formados por moléculas que se mueven a altas velocidades, presentan forma y volumen indeterminado Se pueden comprimir o expandir facilmente, debido a que sus moléculas se encuentran muy separadas, existiendo entre ellas un gran espacio A bajas presiones y altas temperaturas, los gases presentan un comportamiento ideal El comportamiento de un gas ideal está determinado por la presión, temperatura, volumen y por el número de moléculas Se consideran nulas las interacciones de atracción y repulsión molecular, no existen fuerzas atractivas intermoleculares 13. ECUACIONES DE ESTADO
- 49. 13.1 un gas ideal es aquel que cumple con la formula Pv = nRT por lo tanto cumple con la ley de Boyle -Mariotte , Chrales y Gay Lussac
- 51. R = Constante universal de los gases Unidades: K mol cm atm K mol L Hg mm K Kmol KJ K Kmol m KPa K mol m Pa K mol L atm R . . 057 , 82 . . 44 , 62 . 314 , 8 . . 314 , 8 . . 314 , 8 . . 082 , 0 3 3 3
- 52. ) ( tan int , ; ) )( ( : ___ 2 __ __ __ ___ 2 tablas gas de tipo cada de dependen tes cons son b y a gas del moléculas las por ocupado volumen b res ermolecula atracción de fuerzas V a moles de número n molar volumen V n V V RT b V V a P Walls der Van de Ecuación 13.2 GASES REALES El gas real es un conjunto de moléculas, que están siendo atraídas por la fuerza de atracción, esta presente en la naturaleza. Este gas no se expande infinitamente, hay una fuerza llamada las Fuerzas de Van der Waals, este se manifiesta el comportamiento del gas, este gas suele concordar mas con el comportamiento ideal cuanto mas sencilla sea su fórmula química y cuanto menor sea su reactividad.