Este documento presenta conceptos y ecuaciones fundamentales de termodinámica, incluyendo: 1) definiciones de moles, masa molar, unidades de presión; 2) ecuación de estado de los gases ideales; 3) capacidades térmicas específicas; 4) procesos reversibles, polítropos y ciclos; y 5) balances de energía y entropía. El documento proporciona información clave sobre los estados y propiedades de las sustancias puras y las aplicaciones de la termodinámica a diversos procesos y
1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
FORMULARIO DE TERMODINAMICA
Moles de una sustancia:
molar
masa
masa
M
m
N
La masa molar se expresa en .
mol
/
.
Kgrs
Newton: 2
s
/
.
m
1
.
kgr
1
N
1
Unidades de presión:
Pascal: 2
m
N
1
MPa
1
.
0
.
kPa
10
m
N
10
bar
1 2
2
5
1 atm=1.011325bar
Temperatura: K
º
273
C
º
0
Calidad:
l
g
g
m
m
m
l
g
l
x
x
x
x
(cuando (x) representa la que sabemos)
Energía interna sistema cerrado: W
Q
U
Entalpía: V
P
U
H
Selección de los datos apropiados de las propiedades.
A menudo los datos incluyen la temperatura o la presión y otro valor de una propiedad como v, u, h o s.
Sistema:
1.- Examinar primero las tablas de saturación. A una P o T dada se utilizan las tablas de saturación para
determinar f
v o g
v .
2.- Si el valor de v cae entre los valores de f
v o g
v el sistema es una mezcla de dos fases.
3.- La temperatura o la presión es la correspondiente a su valor en saturación.
4.- La calidad y otras propiedades se calculan a partir de:
fg
f
g
f
x xu
u
xu
u
)
x
1
(
u
fg
f
g
f
x xh
h
xh
h
)
x
1
(
h
5.- Si f
v
v la sustancia se encuentra en un estado de líquido subenfriado. Si g
v
v es estado
corresponde a vapor sobrecalentado.
6.- Si los datos de entrada son la presión y la temperatura entonces el estado de la sustancia será
generalmente o líquido comprimido (subenfriado) o vapor sobrecalentado.
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FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
Ecuación de estado de gas ideal:
T
R
N
V
P u
La constante universal de los gases u
R :
K
kmol
/
m
bar
08314
.
0 3
K
mol
/
kJ
314
.
8
K
kmol
/
m
kPa
314
.
8 3
La constante específica del gas R:
M
R
R u
T
R
m
V
P
Presión · Volumen = masa · constante de los gases · Temperatura ºK
Las capacidades térmicas específicas de gas ideal a presión cero.
T
c
u v
T
c
h p
R
c
c v
p
Estas ecuaciones son válidas para gases ideales en sistemas cerrados o que circulan por un volumen de
control en régimen estacionario, donde v
p c
/
c
K
º
Kgr
/
kJ
2867
.
0
K
º
mol
/
J
314
.
8
R
Gas monoatómico:
2
R
3
cv
2
R
5
cp 6
.
1
Gas diatómico:
2
R
5
cv
2
R
7
cp 4
.
1
T
c
h p
)
T
T
(
c
m
H 1
2
v
T
c
u v
)
T
T
(
c
m
U 1
2
p
Si :
.
cte
V
1
2
1
2
T
T
P
P
Si :
cte
P
1
2
1
2
T
T
V
V
Si :
.
cte
T 2
2
1
1 V
P
V
P
Reversible adiabático:
v
p
c
c
3. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
2
1
1
2
v
v
P
P
2
2
1
1 V
P
V
P
1
1
2
1
2
P
P
T
T
1
2
1
1
2
V
V
T
T
2
1
u
1
2
u
P
P
ln
T
R
N
V
V
ln
T
R
N
W
Politrópico:
k
c
c
v
p
K
2
2
K
1
1 V
P
V
P
K
2
1
1
2
V
V
P
P
K
/
1
K
1
2
1
2
P
P
T
T
1
K
2
1
1
2
V
V
T
T
Proceso Politrópico:
1
2
1
2
exp
/
comp
v
v
ln
v
P
v
v
ln
c
w
Trabajo de paletas: t
W
W rp
Sistema cerrado: V
P
W exp
/
comp
V
P
U
Q
Flujo volumétrico: velocidad instantánea x superficie A
V
V n
Ciclo cilindro + pistón: proceso a .
cte
P + proceso a .
cte
v
dV
P
W 2
1
0
W 3
2
tq. .
cte
V
3
1
3
1
1
3
V
V
ln
V
P
V
V
ln
c
W
1
3
3
2
2
1 W
W
W
W
Seleccionar datos de las tablas
Agua comprimida: si la temperatura real de un estado es menor que la de saturación para la
presión dada, implica que el estado es el de líquido subenfriado o comprimido.
Ir a las tablas:
Si g
f v
v
v
estado bifásico
Si g
v
v vapor saturado
Si f
v
v líquido saturado (comprimido o subenfriado).
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TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
Importante: dado un diagrama Pv tener claro si:
.
cte
V (ejemplo: depósito conteniendo un fluido o gas: .
cte
P )
.
cte
P (ejemplo: cilindro + pistón al comunicarle trabajo o calor: cte
V )
Balance de energía en régimen estacionario 2
1 h
h
w
q
0
Balance de energía para un proceso cuasiestático a presión constante:
h
v
P
u
q
Cuando tenemos vapor sobrecalentado (estamos en la tabla de vapor sobrecalentado) y lo
llevamos a líquido saturado mirar, la temperatura correspondiente a dicho estado está en la misma
tabla en la parte superior.
La constante específica del gas R:
M
R
R u
tq. K
º
kmol
/
kJ
314
.
8
Ru
M
N
m
tq. .
kmol
N y molar
_
masa
M
T
R
N
V
P u
T
R
m
V
P
Presión · Volumen = masa · constante de los gases · Temperatura ºK
T
R
v
P
Procesos a presión constante:
1
2
1
2
V
V
T
T
2
2
2
1
1
1
T
v
P
T
v
P
Variaciones de energía interna y entalpía en sustancias incompresibles.
)
T
T
(
c
u
u 1
2
m
1
2
)
P
P
(
v
)
T
T
(
c
)
h
h
( 1
2
1
2
m
inc
1
2
En estas relaciones: p
v c
c
c
Entropía:
2
1 rev
int,
1
2
T
Q
S
S
S (sistema cerrdao)
dS
T
Q
(internamente reversible)
A
B
Carnot
rev
int,
T
T
1
Balance de entropía en un sistema cerrado:
T
Q
S
S 1
2
T
Q
S
S
T
Q
Balance de entropía para un volumen de control:
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TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
n
1
j
VC
j
j
sal
s
s
ent
e
e
VC
T
Q
s
m
s
m
dt
dS
Producción de entropía asociada con la transferencia de calor:
0
T
1
T
1
Q
A
B
sum
Q
Pérdida de potencial de trabajo asociada a la transferencia de calor:
F
0
pot
T
T
1
Q
W
Q
0
A
F
0
Q
,
per T
T
1
T
1
Q
T
W
Hay que tener claro el sistema por el que se transfiere la energía al sistema para determinar la reversibilidad
o irreversibilidad del proceso.
0
0
0
imposible
_
proceso
reversible
_
ernamente
int
_
proceso
le
irreversib
_
ernamente
int
_
proceso
Ciclos:
El rendimiento térmico de un motor:
sum
sal
,
net
sum
sal
,
net
t
Q
W
Q
W
sum
ced
sum
ent
,
net
sum
MF
Q
Q
Q
W
Q
COP
sum
ced
ced
ent
,
net
ced
BC
Q
Q
Q
W
Q
COP
Si el ciclo es internament reversible y B
A T
T
A
B
rev
int,
,
t
T
T
1
B
A
B
rev
int,
,
MF
T
T
T
COP
B
A
A
rev
int,
,
BC
T
T
T
COP
El rendimiento térmico ideal de los motores térmicos internamente reversibles que reciben calor a A
T y lo
ceden a B
T :
A
B
carnot
,
t
rev
,
t
T
T
1
Variaciones de entropía y balance de entropía en un volumen de control.
Sistema: depósito que transfiere calor al ambiente.
0
comp
depósito
comp
T
Q
S
Las ecuaciones Tds para sustancias simples compresibles son:
Pdv
du
Tds
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TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
vdP
dh
tds
Variación de entropía de un gas ideal
1
2
1
2
m
,
v
v
v
ln
R
T
T
ln
c
s
1
2
1
2
m
,
p
P
P
ln
R
T
T
ln
c
s
En un depósito adiabático 0
Q s
m
S
S 1
2
Variación entropía sustancia simple incompresible:
1
2
m
inc
T
T
ln
c
T
cdT
s
c
c
c v
p
Balance de entropía:
Sistema cerrado
n
1
j
mc
j
j
mc
T
Q
dt
dS
Régimen estacionario
n
1
j
VC
j
j
sal
s
s
ent
e
e
VC
T
Q
s
m
s
m
dt
dS
T
q
s VC
En un intercambiador o condensador :
3
4
2
_
fluido
1
2
1
_
fluido s
s
m
s
s
m
Procesos de mezcla:
2
2
1
1
3
3
VC s
m
s
m
s
m
seg
kgr
/
kJ
Procesos de estrangulamiento:
1
2
VC
,
m
T
T
ln
c
(líquido incompresible)
1
2
P
P
ln
R (gas idal)
Trabajo internamente reversible en régimen estacionario (compresor):
2
1
1
2
2
1
2
2
rev
,
est z
z
g
2
V
V
dP
v
w
dP
v
w rev
,
est (simplificado)
Proceso reversible en sistema cerrado (cilindro + pistón):
dv
P
wrev (no confundir)
Sistema cerrado, proceso politrópico:
1
P
P
1
n
T
R
n
w
n
1
n
1
2
1
exp
/
comp
1
n
T
T
R
n 1
2
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Proceso isoentrópico: adiabático + internamente reversible.
Tabla A.3 valores de p
c y v
c
Proceso isoentrópico proceso politrópico tq.
n
Politrópico:
k
c
c
v
p
1
R
cv
1
k
R
cp
1
K
2
1
1
2
V
V
T
T
K
/
1
K
1
2
1
2
P
P
T
T
K
2
1
1
2
V
V
P
P
Proceso isoentrópico en un cilindro-pistón:
1
T
T
R
1
v
P
v
P
w 1
2
1
1
2
2
isoen
exp,
/
comp
Compresor
1
2
m
,
p
1
2
isoen
,
est T
T
c
h
h
w
1
P
P
1
T
R
w
1
1
2
1
isoen
,
est tq.
molar
_
masa
314
'
8
R
Isoentropía para sustancias incompresibles:
1
2 T
T 0
u 0
s 0
v
Flujo incompresible q
ep
ec
P
v
u
weje
Bomba agua:
ep
ec
P
v
w rev
,
est
Entropía 2
1 s
s p q. 0
j
q
Procesos isoentrópicos usando datos de sobrecalentamiento:
Cilindro + pistón: 1
2
isoen u
u
w
Turbinas, compresores, bombas y toberas:
Balance energía:
ep
ec
h
w
q eje
2
1
2
2
2
1
2
1 z
z
g
2
V
2
V
h
h
w
q
0
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Balance entropía:
n
1
n
m
2
1
j
j
s
s
T
q
0 m
2
1 s
s
0
Turbinas gas:
s
2
1
2
1
sal
,
s
sal
T
h
h
h
h
w
w
tq. 0
ep
ec
1
h y 2
h 0
s
sal
,
s
w
M
1
Kmol
/
kJ kgr
/
kJ
Turbina hidráulica:
2
1
2
1
2
1
sal P
P
v
T
T
c
h
h
w
0
T
T
ln
c
s
s
1
2
1
2
m
2
1
sal
,
s P
P
v
w
P
v
P
v
T
c
w
w
sal
,
s
sal
hidraulica
,
T
tq. 0
ep
ec
Rendimiento adiabático de una tobera (90-95%):
s
2
1
2
1
2
1
2
s
2
2
1
2
2
s
tob
h
h
h
h
2
V
2
V
2
V
2
V
ec
ec
(igual que una turbina)
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
T
T
c
P
P
v
h
h
2
V
V
(corriente incompresible)
Balance de entropía:
1
2
1
2
m
T
T
ln
c
s
s
Cuando la tobera es isoentrópica y la corriente incompresible:
1
2
2
1
2
s
2
P
P
v
2
V
V
1
2
2
1
2
2
tob
P
P
v
2
V
V
B.E.: fluido incompresible, corriente adiabática:
ep
ec
h
w
q eje
2
V
V
P
v
T
c
0
2
1
2
2
Rendimiento adiabático de un compresor 75-85%:
1
2
1
s
2
ent
ent
,
s
c
h
h
h
h
w
w
tq. 0
ep
ec
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TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
Rendimiento adiabático de una bomba 50-90%:
1
2
1
s
2
ent
ent
,
s
B
h
h
h
h
w
w
1
2
1
2
1
2
ent
,
B P
P
v
T
T
c
h
h
w
Casos posibles:
Si no coincide la presión de entrada y de salida
ent
1
2
B
w
P
P
v
Cuando se fijan 1
2 , P
P el proceso es isoentrópico tq ent
,
s
ent w
w
Si cte
went S
P
P
v
w
P P
S
(aumento de la presión isoentrópico)
P
v
T
c
went
(proceso irreversible)
ent
P
w
P
v
Ciclo de Carnot. (motores internamente reversibles o totalmente reversibles)
sum
ced
A
B
Carnot
,
t
q
q
1
T
T
1
1
2
A
12 s
s
T
q
3
4
B
34 s
s
T
q
34
12
net q
q
w
Descarga de un depósito
1
1
1
2
1
2
T
T
m
m
1
1
2
1
2
P
P
T
T
Exergía e irreversibilidad.
Exergía: potencia neta útil. Trabajo útil menos trabajo realizado por la atmosfera).
VC
0
VC
0
0
sal ent j
0
j
e
e
0
2
s
s
0
2
T
dt
S
T
V
P
E
d
T
T
1
Q
m
s
T
gz
2
V
h
m
s
T
gz
2
V
h
u
W
Si el proceso es internamente reversible 0
T VC
0
La irreversibilidad sistema
0
0 s
m
T
T
I
10. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
Estado muerto: K
º
15
.
298
T y .
atm
01325
.
1
P
La exergía de un sistema cerrado: )
S
S
(
T
)
V
V
(
P
U
E 0
0
0
0
0
Variación de exergía s
T
v
P
u
m
Exergía específica
0
0
0
0 s
s
T
v
v
P
u
e
m
Cilindro + pistón:
v
m
P
W
W 0
u
trabajo útil
S
T
V
P
U
W 0
0
u
,
rev
trabajo reversible
mc
0 s
T
q
Ciclo de Carnot:
F
0
T
T
1
Q
Irreversibilidad de un proceso:
I
W
m
m u
Q
ent
e
e
sal
s
s
I
Wu
Q
mc
tq. 0
Q
si es un sistema adiabático y
0
u
W si no se comunica trabajo
Para un volumen de control en régimen estacionario: 0
W
Q
Si es adiabático también podemos usar:
s
m
T
T
i 0
VC
VC
La exergía de una corriente
)
ep
ep
(
)
ec
ec
(
s
s
T
h
h
s
T
e
h
s
T
e
e
h 1
2
1
2
0
0
0
0
0
0
p
0
0
p
c
Balance de exergía en un volumen de control en régimen estacionario:
VC
real
Q
1
2 i
w
s
T
s
T
h
s
T
h
i 0
2
0
2
1
o
1
2
1
VC
Compresor adiabático; régimen estacionario:
2
V
V
s
s
T
h
h
w
2
1
2
2
1
2
0
1
2
rev
,
est
1
2
0
real
,
est
rev
,
est s
s
T
w
w
Turbina adiabática:
11. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
FACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA – I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
n
1
j j
0
j
1
0
1
2
1
1
2
0
2
2
2
2
rev
,
est
T
T
1
q
s
T
gz
2
V
h
s
T
gz
2
V
h
w
s
T
h
w 0
rev
,
est
0
2
0
0
2 s
s
T
h
h
Rendimiento exergético:
carnot
real
,
t
rev
real
pot
w
w
Rendimiento exergético para un proceso en régimen estacionario:
Compresor o bomba:
ent
,
real
Q
ent
,
real
e
s
B
c
w
i
1
w
ent
,
real
ent
,
real
ent
,
real
e
s
B
c
w
i
w
w
(proceso adiabático)
Turbina:
s
e
Q
s
e
sal
,
real
T
i
1
w
Turbina adiabática:
i
w
w
w
sal
,
real
sal
,
real
sal
,
real
T
Tobera adiabática:
1
1
1
2
Tob
i
tq. i
2
1
Estrangulamiento:
1
1
1
2
miento
estrangula
i
Cambiador de calor:
3
4
c
1
2
f
m
m
Balance de exergía del cambiador: VC
3
4
c
1
2
f i
m
m
0
Mezcla:
3
2
c
1
3
f
m
m
Balance de exergía: VC
2
2
1
1
3
3 i
m
m
m
0