Termodinámica UNIDAD 1: CONCEPTOS DE LA TERMODINÁMICA UNIDAD 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA. - Leyes de la Termodinámica: Ley Cero de la Termodinámica 1ª, 2ª y 3ª Ley de la Termodinámica - Sistemas Termodinámicos: Sistema Cerrado, Sistema Abierto. - Formas de energía. - Propiedades de un Sistema. Estado y Equilibrio. - Proceso. - Presión, Medidas de Presión. - Escalas de temperatura. Termodinámica La Termodinámica (del griego, thermos [calor] y dynamis [potencia]) es la rama de la física que estudia la energía; incluyendo su transformación entre sus distintas manifestaciones (como el calor) y su capacidad para producir un trabajo. La termodinámica clásica trata el enfoque macroscópico, para el cual no se requiere conocer el comportamiento de las partículas (moléculas) de una sustancia para determinar sus propiedades. (Ej.: la presión de un gas en un recipiente). La termodinámica estadística es un enfoque más elaborado (microscópico), basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales. Ley Cero de la Termodinámica Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura. 1ª, 2ª, 3ª Ley de la Termodinámica La 1ª ley de la termodinámica establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, la energía interna del sistema variará (principio de la conservación de la energía). La 2ª ley afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales tienden a la disminución de la calidad. La 3ª ley sostiene que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos (no es una noción exigida por la termodinámica clásica). Sistema Termodinámico Un sistema es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores, recibe el nombre de frontera, puede ser fija o móvil, y se considera de espesor cero. Sistema Termodinámico Un sistema es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores, recibe el nombre de frontera, puede ser fija o móvil, y se considera de espesor cero. m = cte. Sistema Cerrado (masa de control) Energía Sistema Termodinámico Un sistema es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores, recibe el nombre de frontera, puede ser fija o móvil, y se considera de espesor cero. m = cte. Sistema Cerrado (masa de control) Energía Sistema Termodinámico Un sistema es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores, recibe el nombre de frontera, puede ser fija o móvil, y se considera de espesor cero. Masa Masa Frontera o Superficie de Control Sistema Abierto (volumen de control) Energía Sistema Termodinámico Un sistema es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores, recibe el nombre de frontera, puede ser fija o móvil, y se considera de espesor cero. Frontera o Superficie de Control Masa Energía Masa Sistema Abierto (volumen de control) Formas de Energía Energía: Capacidad para realizar un trabajo • Térmica • Mecánica • Cinética • Potencial • Eléctrica • Magnética • Química • Nuclear • etc…. Su suma representa la energía total (E) de un sistema, la cual se denota por unidad de masa como: 𝐸 𝑒= 𝑚 (kJ/kg) Formas de Energía Energía: Capacidad para realizar un trabajo • Térmica • Mecánica • Cinética • Potencial • Eléctrica • Magnética • Química • Nuclear • etc…. Su suma representa la energía total (E) de un sistema, la cual se denota por unidad de masa como: 𝐸 𝑒= 𝑚 (kJ/kg) La termodinámica no proporciona información acerca del valor absoluto de la energía total, sólo trata con el cambio de ésta, que es lo importante en los problemas de ingeniería. UNIDAD 1 – Conceptos de la Termodinámica Formas de Energía En equipos de 5 integrantes, investigar en fuentes electrónicas e impresas un proceso termodinámico que involucre diferentes formas de energía y que el ser humano utilice para su beneficio. Posteriormente, presentarlo frente al grupo, considerando un tiempo de 5 min para la exposición y 5 min para preguntas. Formas de Energía Se consideran dos grupos: • Las formas macroscópicas de energía son las que un sistema posee como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior (ej.: energías cinética y potencial). • Las formas microscópicas de energía se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de su actividad molecular, y son independientes de marcos de referencia. Su suma se denomina Energía Interna de un sistema (U). Formas de Energía Se consideran dos grupos: • Las formas macroscópicas de energía son las que un sistema posee como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior (ej.: energías cinética y potencial). • Las formas microscópicas de energía se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de su actividad molecular, y son independientes de marcos de referencia. Su suma se denomina Energía Interna de un sistema (U). U o Energía sensible: Asociada a la energía cinética de las moléculas, sin que se modifique la composición química del sistema (a > T, > Ec,mol, por lo tanto > U). Formas de Energía Se consideran dos grupos: • Las formas macroscópicas de energía son las que un sistema posee como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior (ej.: energías cinética y potencial). • Las formas microscópicas de energía se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de su actividad molecular, y son independientes de marcos de referencia. Su suma se denomina Energía Interna de un sistema (U). U o Energía sensible: Asociada a la energía cinética de las moléculas, sin que se modifique la composición química del sistema (a > T, > Ec,mol, por lo tanto > U). o Energía latente: Asociada con la fase de un sistema, es decir, a un cambio de fase (Ugas > Uliq). Formas de Energía Se consideran dos grupos: • Las formas macroscópicas de energía son las que un sistema posee como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior (ej.: energías cinética y potencial). • Las formas microscópicas de energía se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de su actividad molecular, y son independientes de marcos de referencia. Su suma se denomina Energía Interna de un sistema (U). U o Energía sensible: Asociada a la energía cinética de las moléculas, sin que se modifique la composición química del sistema (a > T, > Ec,mol, por lo tanto > U). o Energía latente: Asociada con la fase de un sistema, es decir, a un cambio de fase (Ugas > Uliq). o Energía química: Asociada con los enlaces atómicos. Formas de Energía Se consideran dos grupos: • Las formas macroscópicas de energía son las que un sistema posee como un todo en relación con cierto marco de referencia exterior (ej.: energías cinética y potencial). • Las formas microscópicas de energía se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de su actividad molecular, y son independientes de marcos de referencia. Su suma se denomina Energía Interna de un sistema (U). U o Energía sensible: Asociada a la energía cinética de las moléculas, sin que se modifique la composición química del sistema (a > T, > Ec,mol, por lo tanto > U). o Energía latente: Asociada con la fase de un sistema, es decir, a un cambio de fase (Ugas > Uliq). o Energía química: Asociada con los enlaces atómicos. o Energía nuclear: Asociada con los enlaces dentro del núcleo del átomo. Formas de Energía Despreciando los efectos magnéticos, eléctricos y de tensión superficial (sistema compresible simple), la energía total de un sistema (E) se compone de las energías cinética (Ec), potencial (Ep), e interna (U) y se expresa como: 2 𝑚𝑉 𝐸 = 𝑈 + 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝 = 𝑈 + + 𝑚𝑔𝑧 2 Propiedades de un Sistema Una propiedad es una característica de un sistema (ej.: presión, temperatura, volumen, masa). Las propiedades se clasifican en: • Intensivas.- Son independientes de la masa de un sistema (ej.: presión, temperatura, densidad). • Extensivas.- Dependen del tamaño o extensión del sistema (ej.: masa, volumen, cantidad de movimiento). Propiedades de un Sistema Una propiedad es una característica de un sistema (ej.: presión, temperatura, volumen, masa). Las propiedades se clasifican en: • Intensivas.- Son independientes de la masa de un sistema (ej.: presión, temperatura, densidad). • Extensivas.- Dependen del tamaño o extensión del sistema (ej.: masa, volumen, cantidad de movimiento). Divididas por unidad de masa se llama específicas. 𝑉 𝑣 = , 𝑚3 /𝑘𝑔 𝑚 𝐸 𝑒 = , 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑚 𝑈 𝑢 = , 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑚 Estado y Equilibrio Un estado son todas las propiedades del sistema, las cuales lo describen por completo. Si el valor de una propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente. La termodinámica estudia los estados en equilibrio. La palabra equilibrio define un estado de balance, en el cual no hay potenciales desbalanceados dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores. Estado y Equilibrio Un estado son todas las propiedades del sistema, las cuales lo describen por completo. Si el valor de una propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente. La termodinámica estudia los estados en equilibrio. La palabra equilibrio define un estado de balance, en el cual no hay potenciales desbalanceados dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores. Tipos de Equilibrio • Equilibrio térmico: Cuando la temperatura es la misma en todo el sistema. • Equilibrio mecánico: Cuando no hay cambio en la presión en ningún punto del sistema con el tiempo. • Equilibrio químico: Cuando no hay cambios en la composición química del sistema con el tiempo. • Equilibrio de Fase: Cuando un sistema se encuentra en dos fases y la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece ahí. Postulado de Estado El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. - Se habla de un sistema compresible simple cuando se desprecian los efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y tensión superficial (insignificantes para la mayor parte de los problemas de ingeniería). - Dos propiedades son independientes si una de ellas puede variar mientras la otra se mantiene constante (ej.: temperatura y volumen específico). Proceso Un proceso termodinámico se define como cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema. A la serie de estados por los que pasa un sistema durante un proceso se le llama trayectoria del proceso. Para describir completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores. Proceso Cuasiestático o Cuasiequilibrio Un proceso cuasiestático, o de cuasiequilibrio, es aquél que se desarrolla de tal manera que el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio todo el tiempo. a) El gas se comprime de forma repentina. Las moléculas cercanas al émbolo se concentrarán en una pequeña región. Por lo tanto, la presión ahí aumentará (no hay equilibrio). b) El gas se comprime lentamente y las moléculas tienen tiempo para redistribuirse. Por lo tanto, la presión dentro del cilindro será uniforme en todos los lugares. Lo anterior es un caso idealizado. Sin embargo, modelar procesos reales como de cuasiequilibrio es “sencillo” y arroja un margen de error insignificante. Proceso Los diagramas de proceso trazados mediante el empleo de propiedades termodinámicas son útiles para obtener la representación visual del proceso. Sin embargo, hablar de la trayectoria del proceso indica una serie de estados de equilibrio y únicamente tiene importancia para procesos de cuasiequilibrio. y 1 3 1 → 2 : Proceso de cuasiequilibrio 2 → 3 : Proceso real 2 x Proceso Existen diferentes tipos de procesos especiales como: • Proceso isotérmico: La temperatura (T) permanece constante. • Proceso isobárico: La presión (P) permanece constante. • Proceso isocórico (o isométrico): El volumen específico (v) permanece constante. • Proceso adiabático: No hay transferencia de calor. Proceso Existen diferentes tipos de procesos especiales como: • Proceso isotérmico: La temperatura (T) permanece constante. • Proceso isobárico: La presión (P) permanece constante. • Proceso isocórico (o isométrico): El volumen específico (v) permanece constante. • Proceso adiabático: No hay transferencia de calor. • Proceso de flujo estable: Un fluido fluye permanentemente a través de un volumen de control (v.c.). Las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del v.c., pero permanecen constantes durante el proceso. Tiempo: 1 hora Proceso Existen diferentes tipos de procesos especiales como: • Proceso isotérmico: La temperatura (T) permanece constante. • Proceso isobárico: La presión (P) permanece constante. • Proceso isocórico (o isométrico): El volumen específico (v) permanece constante. • Proceso adiabático: No hay transferencia de calor. • Proceso de flujo estable: Un fluido fluye permanentemente a través de un volumen de control (v.c.). nb • Proceso politrópico: Procesos de expansión y compresión que se rigen por PV = cte. Presión La presión se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. - Sólo se emplea para gas o líquido (presión en sólidos = esfuerzo normal). - Sus unidades son pascal (Pa), bar, libra-fuerza por pulgada cuadrada (psi) y atmósfera (atm): 𝑁 1 𝑃𝑎 = 1 2 𝑚 1 𝑃𝑎 = 1 × 10−5 𝑏𝑎𝑟 = 1.45 × 10−4 𝑝𝑠𝑖 = 9.87 × 10−6 𝑎𝑡𝑚 Presión • Presión atmosférica: Peso que ejerce el aire como consecuencia de la gravedad por unidad de superficie. Presión atmosférica estándar (1 atm) → Presión producida por una columna de mercurio de 760 mm de altura a 0°C (ρ = 1.34x10 kg/m ) y aceleración estándar (g = 9.807 m/s ). 4 3 • Presión absoluta: Presión real en una determinada posición y se mide respecto2 al vacío absoluto, es decir, presión cero absoluta. • Presión de vacío: Presión por debajo de la atmosférica. 𝑃𝑣𝑎𝑐í𝑜 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑎𝑏𝑠 • Presión manométrica: Diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Un manómetro sirve para medir la presión de los fluidos (ej.: aire en una llanta). 𝑃𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 − 𝑃𝑎𝑡𝑚 Presión 𝑃𝑣𝑎𝑐í𝑜 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑎𝑏𝑠 𝑃𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 − 𝑃𝑎𝑡𝑚 Presión Es de esperarse que la presión de un fluido en reposo no cambie en la dirección horizontal. Sin embargo, en dirección vertical, la presión se incrementa con la profundidad debido a que una mayor cantidad de fluido descansa sobre las capas más profundas. Si el fluido se encuentra en reposo, la presión a una determinada altura se puede calcular como: 𝑃 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝜌𝑔ℎ Cuando la densidad del fluido es constante, la diferencia de presión se expresa como: ∆𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 = 𝜌𝑔∆ℎ Escalas de Temperatura La temperatura, asociada a las nociones de calor y frío, es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Las escalas de temperatura permiten a los científicos utilizar una base común para medir la temperatura. Se basan en ciertos estados fácilmente reproducibles como los puntos de congelación y ebullición del agua. Las escalas de temperatura usadas actualmente son: • Escala Celsius (°C) en el SI • Escala Farenheit (°F) en el sistema inglés Y las escalas de temperatura termodinámica independientes de las propiedades de las sustancias: • Escala Kelvin (K) en el SI (temperatura mínima 0 absoluto) • Escala Rankine (R) en el sistema inglés. Escalas de Temperatura Relación entre las escalas de temperatura: Punto de ebullición del agua a 1 atm Punto triple del agua 𝑇 𝐾 = 𝑇 °𝐶 + 273.15 𝑇 𝑅 = 𝑇 °𝐹 + 459.67 𝑇 𝑅 = 1.8 𝑇(𝐾) 𝑇 °𝐹 = 1.8 𝑇 °𝐶 + 32 - Cero absoluto Escalas de Temperatura Relación entre las escalas de temperatura: Punto de ebullición del agua a 1 atm Punto triple del agua 𝑇 𝐾 = 𝑇 °𝐶 + 273.15 𝑇 𝑅 = 𝑇 °𝐹 + 459.67 𝑇 𝑅 = 1.8 𝑇(𝐾) - Cero absoluto 𝑇 °𝐹 = 1.8 𝑇 °𝐶 + 32 Debido a que las magnitudes de cada división de 1K y 1°C son idénticas, cuando se trata de una ΔT, el intervalo de T en ambas escalas es el mismo: ∆𝑇 𝐾 = ∆𝑇 °𝐶 ; ∆𝑇 𝑅 = ∆𝑇 °𝐹 ; ∆𝑇 𝑅 = 1.8 ∆𝑇 𝐾
