Termo Clase 1. Repasoo.ppt

TERMODINAMICA
APLICADA
Ing. Miriam Peña

 UNIDAD DE APRENDIZAJE I: Propiedades de Sustancias puras y
Gases ideales.
 UNIDAD DE APRENDIZAJE II: Trabajo y Calor en equipos y procesos
termodinámicos.
 UNIDAD DE APRENDIZAJE III: Primera ley de la termodinámica para
sistemas termodinámicos y volumen de control.
 UNIDAD DE APRENDIZAJE IV: Combustión.
 UNIDAD DE APRENDIZAJE V: Segunda ley de la termodinámica.
 UNIDAD DE APRENDIZAJE IV: Aislamiento térmicos, propiedades y
especificaciones. Fundamentos termodinámicos en el funcionamiento
de máquinas térmicas.
CONTENIDO
TERMODINAMICAAPLICADA

Planificación
Fecha Clases y Exámenes Ponderación
1 10/10/09 Repaso y UNIDAD I
2 17/10/09 UNIDAD I
3 24/10/09 UNIDAD I y II
4 31/10/09 UNIDAD II
5 07/11/09 EXAMEN 1 25 %
6 14/11/09 UNIDAD III
7 21/11/09 UNIDAD III y IV
8 28/11/09 UNIDAD IV
9 05/12/09 EXAMEN 2 25%
10 09/01/10 UNIDAD V
11 16/01/10 UNIDAD V
12 23/01/10 EXAMEN 3 25 %
13 30/01/10 UNIDAD VI
TRABAJO PRÁCTICO
15 %
14 06/02/10 Examen de Recuperación
Talleres 10 %

BIBLIOGRAFÍA
AUTORES RECOMENDADOS.
• Van Wylen. Termodinámica.
• Yunus A. Cengel. Termodinámica.
• Smith, Van Ness. Termodinámica.

1.1.-Sistema de Unidades
1.2.-Fuerza y peso
1.3.-Variables del proceso
1.4.- Análisis y Procesamiento de datos
1.5.-Consistencia Dimensional Transformación
de Ecuaciones.
INTRODUCCIÓN A LOS CÁLCULOS EN
TERMODINAMICA APLICADA

UNIDADES y DIMENSIONES
Dimensión: Propiedad que se puede medir.
Las mediciones se consideran, algunas como
dimensiones básicas y otras como dimensiones
derivadas.
Unidad: Manera de expresar la dimensión en forma
cuantitativa.
Las mediciones se hacen comparando la magnitud de
la dimensión con un patrón.
Sistemas de Unidades

UNIDADES y DIMENSIONES
Unidades Básicas
Sirven de Base para el sistema de
unidades.
Ejemplos: longitud, masa, tiempo,
temperatura y otras.
Múltiplos
Múltiplos o fracciones de unidades
básicas o derivadas ( Kg, mg, y
otras)
Unidades Derivadas
Se obtienen por:
Unidades Compuestas: Producto o división
de unidades básicas (m3, pie/s2 , entre otras).
Definidas: Como equivalentes de unidades
derivadas. (1 watt = 1 Joule/s)

Sistemas de unidades existentes
Una dimensión se puede expresar en unidades diferentes
SISTEMA
MASA FUERZA LONGITUD TIEMPO TEMPERATURA
CONSTANTE
GRAVITACIONAL (gc)
- Americano
Consistente
- Inglés
Gravitacional
Slug Libra (lb) Pie (ft) Segundo (s) Rankine (R) 1slug*ft/lb*s2
- Inglés Absoluto Libra (lb) Poundal (pdl) Pie (ft) Segundo (s) Rankine (R) 1 lb*ft/pdl*s2
- Americano de
Ingeniería
- Inglés de Ingeniería
Libra masa
(lb o lbm)
Libra fuerza (lb
o lbf)
Pie (ft) Segundo (s) Rankine (R) 32,174lbm*ft/lbf*s2
- Giorgi (MKS) Kilogramo (kg) Newton (N) Metro (m) Segundo (s) Kelvin (K) 1kg*m/sbf*s2
- Internacional
(SI)
Kilogramo (kg)
1kg*m/s2
(Newton)
Metro (m) Segundo (s) Kelvin (K) No tiene
- CGS Gramo (g) Dina (din) Centímetro (cm) Segundo (s) Kelvin (K) 1g*cm/din*s2
- Técnico
- Métrico de
ingeniería
Kilogramo (kg)
Kilogramo
Fuerza (kgf) o
(kp)
Metro (m) Segundo (s) Kelvin (K) 9,806kg*m/kgf*s2
- Sistema Técnico
U.T.M
geokilo
Kilogramo
fuerza (kgf)
Metro (m) Segundo (s) Kelvin (K) 1U.T.M.*m/kgf*s2
Tabla: Sistema de Unidades

Conversión de Unidades
• Factor de conversión
Es igual a la unidad, numerador como el
denominador representan la misma extensión
de una dimensión o relación de éstas.
1kg 1000g 1kg = 1000g
1000g 1Kg 1000g 1Kg

FUERZA
Según la 2da Ley de Newton la fuerza es:
a
m
F 

Donde:
F : Fuerza
m : masa
a : aceleración
De tal forma que... ¿Qué tipo de Unidades tiene la fuerza?
Unidades Compuestas
1.2.-FUERZA Y PESO

Para incorporar unidades definidas de Fuerza , la ecuación se
escribe:
Donde 1/gC transforma las Unidades de Fuerza de...
Unidades Compuestas a Unidades Definidas.
c
g
a
m
=
F
Sistema MKS
N
s
m
Kg
gc
2
/
1 

Sistema Americano
Lbf
s
pies
Lbm
gc
2
/
74
,
32 

EL FACTOR gc
Fuerza y Peso

El peso es la fuerza que ejerce la tierra sobre un cuerpo:
g: aceleración de la gravedad.
Sistema MKS
Sistema Americano
c
g
g
m
=
W
g = 9,8066 m/s2  g/gc = 9,8066 N/Kg
Gravedad al Nivel del Mar y 45° de latitud en los diferentes
sistemas de unidades.
g = 32,174pie/s2  g/gc = 1 Lbf/Lm
PESO
Fuerza y Peso

Gravedad al Nivel del Mar y 45° de latitud en los diferentes
sistemas de unidades.
MASA Y PESO
Fuerza y Peso
Masa: Cantidad de materia que tiene un cuerpo y es
un valor constante, independientemente de donde
se encuentre éste.
Peso: Es la fuerza con la cual el cuerpo es atraído
hacia un planeta, y varía de un planeta a otro, e
incluso en un mismo planeta varía de un sitio a otro.

1.3.-VARIABLES DEL PROCESO
Masa
Volumen
Composición
Flujo
Temperatura
Presión

Físico Químico
DEFINICIÓN DE PROCESO
Variables: Proceso
Operación
involucra
Cambio

Representación esquemática de
PROCESO QUÍMICO
Alimentación
Materia Prima
Salida
Productos
deseados,
secundarios,
material de desechos

VARIABLES
Material original Proceso Producto
Extensivas
 Masa
 Volumen
 Moles (Cantidad de Materia)
 Velocidad de Flujo
Intensivas
 Densidad y Volumen Específico
 Composición ó Concentración
 Temperatura
• Presión
Variables del proceso

Cantidad de materia que tiene un cuerpo, es
siempre la misma independientemente de las
condiciones en las que éste se encuentre
Masa
Volumen Espacio ocupado por un cuerpo, varía al variar
las condiciones de presión y temperatura a la cual
se encuentra sometido el material, principalmente si
éste se encuentra en estado gaseoso
Densidad Relación Masa / Volumen :
v
m


Volumen Específico Relación Volumen / Masa :
m
v
v 
ˆ
MASA, VOLUMEN y DENSIDAD
Variables: Masa y Volumen

referencia
cia
sus
T
Tref
relativa 

 tan

Densidad Relativa (relativa)
3
3
3
3
/
94
,
1
/
45
,
62
/
1
/
1000
/
1 pie
slug
pies
Lb
l
Kg
m
Kg
cm
g
AGUA






Sustancia de Referencia (para líquidos)
AGUA (L, 4°C, 1atm)
También se suele llamar:
• Peso Especifico (PE)
• Gravedad Específica (sg)
Variables: Densidad
Donde:
rs=densidad relativa de la sustancia
s = densidad de la sustancia a la
Temperatura Ts
ref=densidad de la sustancia de referencia
a la temperatura Tref

Masa Molecular o Atómica: Es la masa de una molécula ó un
Átomo de cualquier sustancia expresada en u.m.a.
Masa Molar (M): Es la masa de un MOL de moléculas ó átomos
y es numéricamente igual a su Masa Molecular o Atómica.
Se define, en el S.I., como la cantidad de sustancia (masa) que
contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas u
otras partículas) como átomos hay exactamente en 0,012 kg del
isótopo Carbono-12.
1 mol = 6,022045 x 1023 partículas
Cantidad de Sustancia:
El MOL
Variables: Mol
n= masa/M

En el C.G.S. Un gramo-mol (g-mol) o simplemente Un mol, es
la masa en gramos (g) de 6,02 x 10 23 moléculas ó átomos.
Nota
El factor de conversión utilizado para transformar unidades molares
entre diferentes sistemas, tiene mismo valor numérico que el
utilizado para transformar unidades de masa entre los mismos
sistemas.
En el M.K.S. El Kilogramo-mol (Kg-mol o Kmol) es la masa en
Kg de 1000 x 6,02 x 10 23 moléculas ó átomos.
En el S.A.I. Una Libra-mol (Lb-mol), es la masa en Lbm. de
453,593 x 6,02 x 10 23 moléculas ó átomos.
UNIDADES MOLARES
Variables: Mol
etc.
;
tonmol
ton
X
;
kgmol
kg
X
;
lbmol
lbm
X
;
gmol
g
X

Ejercicio:
Encuentre el número de gmoles contenidos en 50 kg
de ácido sulfúrico.
Solución:
calculamos el valor del peso molecular o masa molar
M= 98 g/gmol, 98 Kg/kmoles, 98 lbm/lbmol
Sabemos que n= masa / M

Indica la proporción en que se encuentran los distintos
componentes de un material.
Composición Másica
mezcla
de
total
masa
componente
iésimo
del
masa
)
m
m
(
xi 
Fracción Másica:
100
mezcla
de
total
masa
componente
iésimo
del
masa
)
m
m
%( 

Porcentaje( m/m):
COMPOSICIÓN
Variables: Composición

Composición Molar
mezcla
de
total
moles
componente
iésimo
del
moles
)
m
m
(
yi 
Fracción Molar:
100
mezcla
de
total
moles
componente
iésimo
del
moles
)
mol
mol
%( 

Porcentaje( mol/mol):
totales
moles
total
masa
M 
Masa Molar Promedio

n
1
=
i
Mi
*
Yi
=
M
A partir de la fracción molar

n
1
=
i Mi
Xi
1
=
M
A partir de la fracción másica
COMPOSICIÓN

Otras formas de Composición
mezcla
de
total
volumen
componente
iésimo
masa
)
v
m
](
[ 
Masa/volumen :
mezcla
de
total
volumen
componente
iésimo
del
moles
)
v
mol
](
[ 
Concentración molar :
Partes por millón: 6
E
10
*
mezcla
de
total
masa
componente
iésimo
del
masa
ppm 

Relación molar o másica:
j
de
masa
o
moles
i
de
masa
o
moles
lación
Re 
COMPOSICIÓN

Ejercicio 1: Composiciones (relaciones)
Una mezcla líquida contiene los compuestos A, B y
C, conteniendo 10 kg de A, 25% molar de B y 1,5
moles de C por mol de B. Las masa molares de A,
B y C son 56, 58 y 72 respectivamente. Calcule:
a)Los moles totales de la mezcla.
b) Composición molar (fracción y porcentaje).
c) Masa Molar promedio de la mezcla

FLUJO Y VELOCIDAD DE
FLUJO
Existen entradas y salidas de material,
la cantidad que entra o sale del proceso en una
unidad de tiempo
Flujo Volumétrico (Volumen/tiempo)
Flujo másico (masa/tiempo)
Flujo molar (moles/tiempo)
En Tuberías se utiliza la velocidad o velocidad de flujo
(Longitud/tiempo)
l
Transversa
sección
la
de
Area
o
Volumétric
Flujo
=
Velocidad

Ejercicio
 
 
h
m
21,22
Flujo
del
Velocidad
m
1,257.10
h
m
2,667.10
flujo
del
Velocidad
c.
m
1,257.10
al
transvers
Area
1m
cm
100
cm
4
*
4
ransversal
Asección t
h
m
2,667.10
vol.
F.
1m
kg
1000
*
20
,
1
1
*
h
kg
32
co
volumétri
Flujo
b.
h
kg
32,0
másico
Flujo
1000g
1kg
*
gmol
g
40
*
h
gmol
800
másico
Flujo
a.
2
3
-
3
2
-
2
3
-
2
2
3
2
-
3























Se alimenta un proceso con un compuesto A de Peso molecular
40 y densidad relativa 1,20 con un flujo molar de 800 gmol/h a
través de una tubería de 4 cm de diámetro interno. Calcule:
a. Flujo másico (kg/h).
b. Flujo volumétrico (m3/h).
c. Velocidad del flujo (m/h).
Solución:

De ella dependen:
• La densidad de cada sustancia
• El estado de equilibrio del sistema
• La velocidades de reacción de cada componente
• La dirección del flujo de calor . . . entre otras
Entonces ... ¿Qué es la temperatura?
TEMPERATURA
Variables: Temperatura

Según la teoría cinética molecular :
Gas
Es una medida de la Energía Cinética Promedio que poseen
las moléculas que forman la sustancia.
Líquido
Sólido
La Temperatura
DEFINICIÓN DE TEMPERATURA

ABSOLUTAS
Toma como
primer estado de referencia
el Cero Absoluo
(ausencia de temperatura)
el segundo estado de
referencia es arbitrario
RELATIVAS
Escala Kelvin (K)
Escala Rankine (°R)
Toma dos (2)
estados de referencia
arbitrarios
Escala Celsius (°C)
Escala Farenheit (°F)
ESCALAS DE TEMPERATURA

ESCALA CELSIUS (°C)
1er Estado de Referencia
Punto de fusión Normal del Agua:
Se le asigna el valor de CERO
2do Estado de Referencia
Punto de ebullición Normal del Agua:
Se le asigna el valor de CIEN

ESCALA KELVIN (K)
Estados de Referencia
Asigna al CERO ABSOLUTO el valor de CERO, conservando la
misma magnitud de intervalo que la escala Celsius.
La relación entre la escala Celsius y Kelvin viene dada por:
1  º C  1  K
Válida para transformar
intervalos de Temperatura
T(K) = T(ºC) + 273,15
valores de temperatura

ESCALA FARENHEIT (°F)
Para los estados de referencia de la escala Celsius, en la escala
Farenheit se tiene que:
• El punto de fusión normal del agua es 32 °F
• El punto de ebullición normal del agua es 212 °F
Por lo que la relación entre la escala Celsius(°C) y Farenheit(°F)
viene dada por:
1ºC  1,8ºF
T(ºF) = 1,8*T(ºC) +32
valores ed temperatura

ESCALA RANKINE (°R)
Estados de Referencia
Asigna al CERO ABSOLUTO el valor de CERO, conservando la
misma magnitud de intervalo que la escala Farenheit.
La relación entre la escala Farenheit y Rankine viene dada por:
1  º F  1  °R
T(°R) = T(ºF) + 459,67

T(ºF) = 1,8*T(ºC) +32
T(K) = T(ºC) + 273,15
T(°R) = T(ºF) + 459,67
T(ºR) = 1,8 T(K)
Válidas para transformar
1  º C  1  K
1  º F  1  °R
1 ºC  1,8 ºF
1 K  1,8 ºR
Válidas para transformar
TRANSFORMACIONES DE
TEMPERATURA

Ejercicio:
Transforme l80ºF a las siguientes escalas de temperatura:
a. Temperatura en ºR b. Temperatura en ºC c. Temperatura en K
ecuaciones
las
de
deducción
la
en
hechas
ones
aproximaci
las
a
debe
se
valores
estos
entre
diferencia
ligera
La
355,55K
T(K)
R
º
1,8
K
º
1
*
R
640º
T(K)
:
forma
siguiente
la
de
calcular
puede
se
También
355,22K
T(K)
C
º
1
K
º
1
*
C)
273º
C
(82,22º
T(K)
c.
C
82,22º
C)
T(º
F
º
1,8
C
º
1
*
F)
32º
-
F
(180º
C)
T(º
b.
R
640º
T(R)
F
º
1
R
º
1
*
F)
460º
F
º
180
(
T(R)
a.






















Solución:

Por Definición
Area
Fuerza
P 
En los gases:
Se debe al choque de las
moléculas contra las paredes del
recipiente.
En los líquidos y sólidos:
Se debe al peso ejercido por las
moléculas del mismo.
PRESIÓN
Variables: Presión

Unidades Compuestas 2
2
2
,
,
m
N
cm
dinas
m
kg
Unidades Definidas atm, mmHg, bar, pa, psi
UNIDADES DE PRESIÓN
Variables: Presión

Presión ejercida por una columna de líquido. es la relación
entre la fuerza perpendicular que se ejerce sobre una
superficie y el área de la misma
Líquido
Densidad =
Area = A
h
C
g
g
h
P 



PRESIÓN HIDROSTÁTICA
Variables: Presión
Vacío F = m*g / gc
h
*
A
=
V
;
V
*
=
m
;
g
*
m
=
Fg 
Area
Fuerza
P 

• Ejercida por la atmósfera terrestre.
• También conocida como Presión Barométrica.
• Sobre el nivel de mar es :1 atm = 760 mmHg
• Toma valores diferentes dependiendo de la
altura con respecto al nivel del mar.
Presión Atmosférica
TIPOS DE PRESIÓN
Variables: Presión

Presión Absoluta
Es la Presión Neta que ejerce un fluido. Pabs
Presión Manométrica
Es la presión medida tomando como
Referencia la presión atmosférica.
pabs
Pman (+)
patm
Pabsoluta = Pmanométrica + Patmosférica
TIPOS DE PRESIÓN
Variables: Presión

Patm
Referencia
Presión= CERO
Pabs
Pman < 0
Pabs
Pman < 0
TIPOS DE PRESIÓN
Variables: Presión
Nota: A las presiones manométricas se les asigna signo
negativo (Presión de vacío) si la presión absoluta es inferior a
la presión ambiental (presión de ref.)
y signo positivo si la presión absoluta es mayor a la presión
ambiental (presión de ref.)

Extremo Cerrado Extremo Abierto
MANÓMETROS EN U
Variables: Presión

MANÓMETRO
Variables: Presión
A
f
Z1 h
h
A
f
Patm
Si el fluido es un gas entonces f << m
Principio de la Hidrostática:
2 ptos de un fluido en reposo, mismo nivel, Comunicados por
mismo fluido Misma Presión.

Consistencia Dimensional
Transformación de Ecuaciones
Principio de Homogeneidad dimensional
Ecuaciones dimensionalmente consistentes
Unidades(izq) = Unidades (derecha)

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