Unidad 1

1 UNIDAD 1

Unidad I
Conceptos básicos Termodinámica y
mecánica de los fluidos

T oda ciencia posee un vocabulario único y la
termodinámica y mecánica de fluidos no son la
excepción. La definición precisa de los conceptos
básicos constituye un fundamento íntegro para el
desarrollo de una ciencia y evita equivocaciones. En
esta unidad se inicia con un panorama de la
termodinámica y de los sistemas de unidades,
seguido de una exposición de conceptos básicos
tales como sistema, estado, postulado de estado,
equilibrio, proceso, energía y las diversas formas de
energía.

También se analizan la temperatura y las
escalas de temperatura. En seguida el concepto de
presión, que es la fuerza ejercida por un fluido por
unidad de área, y se explican las presiones absoluta
y manométrica, la variación de la presión en relación
con la profundidad y los diversos aparatos para su
medición, tales como los manómetros y barómetros.

El estudio cuidadoso de estos conceptos es
indispensable para una buena interpretación de los
temas tratados en las siguientes unidades. Al final
se presenta una técnica intuitiva útil para la solución
sistemática de problemas, que puede usarse como
modelo en la solución de problemas de ingeniería

…

Apuntes para TERMOFLUIDOS, Mayo-Julio 2010

TERMOFLUIDOS: Conceptos básicos Termodinámica y mecánica de los fluidos 2

NOTAS:

TERMODINAMICA: Ciencia de la energía

ENERGÍA: Capacidad para producir
cambios

Planta Ramón Laguna de Enelven

Profesor: Gustavo Tudare

3 UNIDAD 1

NOTAS:
Planta Termozulia

Sistema de bombeo.



NOTAS:


5 UNIDAD 1



Ejemplo para sistema de unidades:

La velocidad de un bote puede ser calculado por la fórmula:

Donde LWL es la longitud de la marca de agua, medido en metros y Mass es la masa
total del bote, medida en kilogramos. C1, C2, y C3 son las constantes.
¿Cuáles son las unidades de las tres constantes?

Respuesta:
• Para este tipo de problema una las consideraciones básicas es que las suma de
variables pueden realizarse solo si tienen las misma unidades de medición.
• También debe observarse que a un número natural solo se le puede sumar otro de la
misma naturaleza (por ejemplo un valor adimensional).
• Se pueden realizar productos o divisiones con variables que contengan cualquier unidad
de medición.
• Siempre se debe estar atento a cual es el resultado que se desea llegar.

Consideraciones:
a) La velocidad V debe resultar en Km/hr.

b) Al dividir entre ; debe resultar Km/hr.
c) Para poderse sumar deben tener la mismas unidades, como “1” es
adimensional por ser un numero natural, por lo tanto el producto de multiplicar
, debe arrojar un resultado adimensional;
como Mass es en [kg]
C3 debe ser [1/kg] para que se cancele kg.
Así el resultado será adimensional y se podrá sumar con un numero natural,
adicionalmente se puede elevar a cualquier factor sin afectar las unidades del problema
en general,
d) Debido a lo anterior, las unidades resultantes en Km/hr serán determinadas en este

ejercicio por el numerador; por lo tanto ( ) debe expresarse en Km/hr, por
lo tanto:
C1 debe medirse en [Km/hr] C1 = [Km/hr]
y el producto de debe expresarse [Km/hr] = [Km/hr]
2
midiendose LWL en m, si se sustituye C2 *m el resultado es [Km/hr], por lo
tanto C2 = [Km/hr.m2]

e) Las unidades para las tres constantes son:


7 UNIDAD 1

NOTAS:



NOTAS:


9 UNIDAD 1

NOTAS:



Ejemplo para utilizar las propiedades de densidad, masa y volumen:

Una computadora de escritorio es enfriada por un ventilador en
una ciudad donde la elevación es alta y la densidad del aire es
0,7 kg/m3 (mas baja comparada con la densidad del aire a nivel
del mar). El flujo volumétrico máximo que puede manejar el
ventilador es 0,34 m3/min y sabiendo que por razones de ruido,
la velocidad del aire máxima permitida a través del ducto de
suministro de aire del ventilador no debe ser mayor de 110
m/min.
Determine: a) el flujo másico de aire que circula a través del
ventilador y b) el diámetro del ducto de suministro de aire hacia
el ventilador.

Solución:
Suposiciones:
El flujo de aire a través del ventilador es constante, permanente y estable.

Propiedades:
La densidad de aire para este ejercicio es 0,7 kg/m3.

Análisis:
a) El flujo másico del aire en circulación es:

mair = ρVair = (0,7 kg/m3 )(0,34 m 3 /min) = 0,238 kg/min = 0,0040 kg/s
& &
b) Si la velocidad del aire es 110 m/min, el diámetro del ducto viene dado por:

πD 2
4V& 4(0,34 m 3 /min)
V = AV =
& V → D= = = 0,063 m
4 πV π (110 m/min)
Por lo tanto, el diámetro del ducto debe ser al menos 63 cm para asegurar que la
velocidad de media no excede 110 m/min.

Comentario: Este problema muestra que los sistemas de ingeniería son dimensionados
para satisfacer ciertas restricciones y consideraciones.


11 UNIDAD 1

NOTAS:



NOTAS:


13 UNIDAD 1

NOTAS:

Ejemplo para comparar masa y peso:

Determine la masa y el peso del aire contenido en un cuarto cuyas dimensiones son 6 m
por 6 m por 8 m. Suponga que la densidad del aire es 1,16 kg/m.

Solución:



NOTAS:


15 UNIDAD 1

NOTAS:



NOTAS:


17 UNIDAD 1

Ejemplo para calcular altura de presión:

Suponiendo un hipotético tubo vertical abierto a la
atmósfera conectado con la vena en el brazo de
una persona, determine la altura en la que la
sangre se levantará en el tubo.

Solución:

Suposiciones
a) La densidad de sangre es constante.
b) La altura de presión manométrica de la sangre es 120 mmHg.

Propiedades
La densidad de la sangre es dada con un valor de ρ = 1.050 kg/m3.

Análisis

Utilizando la misma ecuación de presión para ambos fluidos, la relación
P = ρgh

puede ser expresado para la sangre y el mercurio como P = ρ sangre ghsangre
y P = ρ mercurio ghmercurio , respectivamente.
Para resolver el problema, la presión de la sangre se iguala a la altura de presión
manométrica de la sangre (P=120 mmHg ), por lo tanto:

P = ρsangre ghsangre = ρ mercurio ghmercurio
Despejando, sustituyendo y calculando, se obtiene la altura de hipotetica de la sangre
en el tubo:
ρ mercurio 13,600 kg/m3
hsangre = h = (0,12 m) = 1,55 m
ρsangre mercurio 1050 kg/m3

Comentario
La sangre puede levantarse aproximadamente un metro y medio si un tubo se
conectara a la vena. Esto explica por qué deben ser puestos a gran altura los
recipientes para forzar los fluidos medicinales hacia la vena de un paciente.



NOTAS:


19 UNIDAD 1

Ejemplo para ilustrar las escalas de temperatura:

Un cambio de temperatura es dado en 27 ºF debe ser expresado en ºC, K, y R.

Solución:

Análisis
Este problema trata sobre los cambios de temperatura, que son idénticos que Rankine y
Fahrenheit adaptan.

Por lo tanto,
∆T (R) = ∆T (ºF) = 27 R

Las escalas de cambios de temperatura en Celsius y Kelvin son también idénticas, y
están relacionadas con los cambios en Fahrenheit y las escalas de Rankine por:

∆T (K) = ∆T (R)/1,8 = 27/1,8 = 15 K
y

∆T (ºC) = ∆T (K) = 15 ºC.



RESUMEN

Esta unidad presenta y analiza los conceptos básicos de la termodinámica. La
termodinámica es la ciencia que estudia principalmente a la energía. La primera ley
de la termodinámica es una expresión simple del principio de la conservación de la
energía y afirma que la energía es una propiedad termodinámica, la segunda ley de
la termodinámica sostiene que la energía tiene calidad, así como cantidad, y que los
procesos reales tienden a la reducción de la calidad de energía.

Un sistema de masa fija se llama sistema cerrado o masa de control, y un sistema
que implica transferencia de masa por sus fronteras, recibe el nombre de sistema
abierto o volumen de control. Las propiedades de un sistema, dependientes de la
masa se llaman propiedades extensivas, y las demás propiedades intensivas. La
densidad es masa por unidad de volumen y el volumen específico es volumen por
unidad de masa.

La suma de todas las formas de energía de un sistema se denomina energía total, a
la cual componen las energías interna, cinética y potencial. La energía interna
representa la energía molecular de un sistema y puede existir en las formas sensible,
latente, química y nuclear.

Se afirma que un sistema está en equilibrio termodinámico si mantiene el equilibrio
térmico, mecánico, de fase y químico. Cualquier cambio de un estado a otro recibe
el nombre de proceso. Un proceso con estados inicial y final idénticos, se denomina
ciclo. Durante un proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio el sistema permanece
prácticamente en equilibrio todo el tiempo. El estado de un sistema compresible
simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas
independientes.
…

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. CENGEL Yunus A. Termodinámica. Mcgraw-hill, 2006, 5ª edición, México DF.

2. CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mcgraw-hill, 2004, 2ª edición, México
DF.

3. CENGEL Yunus A. Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones. 2006, 1ª
edición, México DF.

…


21 UNIDAD 1

ACTIVIDADES PROPUESTAS
1. Un gas es contenido en un dispositivo Figura ejercicio 5.
cilindro-embolo vertical sin fricción. El CARGA
h
embolo tiene una masa de 4 kg. Y un 500 kg

área de sección transversal de 35 cm2.
1.2 m 1 cm
Un resorte comprimido ejerce sobre el
embolo una fuerza de 60 N. Si la presión
atmosférica es 95 kPa, determine la
presión dentro del cilindro. (Respuesta
P=123,4 kPa.). 6. Se conoce que la presión de un
medicamento líquido y la de la sangre se
2. La mitad inferior de un recipiente cilíndrico equilibran cuando la botella está en cierta
de 10 m de altura se llena con agua (p = altura. Determinar a) la presión manométrica
de la sangre en la vena (en Pascal) para que
1000 kg/m3) y la mitad superior con
exista ese equilibrio de presiones cuando el
aceite que tiene una densidad relativa de nivel superior del líquido está a 1,2 m sobre
0.85. Determine la diferencia de presión el nivel de la vena y b) La altura en el nivel
entre la parte superior y el fondo del superior del líquido con respecto a la vena,
cilindro. Respuesta: 90.7 kPa para mantener una presión manométrica de
20 kPa en el líquido en contacto con la vena.
Respuesta: a) 12 Pa, b) 2 m.
Patm
Recipiente

1.2 m

3. La temperatura de un sistema aumenta en
60°F durante un proceso de
calentamiento. Exprese este aumento de 7. Un tanque rígido de Volumen V=1m3
temperatura en R, K y ° (60 R, 33,3 K, contiene aire inicialmente en condiciones
C.
33,3 °
C). atmosféricas. El tanque está conectado con
una cadena de suministros, donde aire es
permitido entrar en el tanque hasta que la
4. La eficiencia de un refrigerador aumenta densidad aumenta desde 1,18 kg/m3 hasta
3% por cada ° en la temperatura 7,20 kg/m3. Determine la masa de aire que
C
mínima en el dispositivo. Cual es el entró en el tanque. Respuesta: 6,02 kg
aumento de la eficiencia por cada K, °
C,
° y R, de aumento de temperatura?
F

5. Una carga en un elevador hidráulico
requiere ser levantada vertiendo aceite
de un tubo fino. Calcular la altura de
aceite en el tubo necesaria para levantar
ese peso. Respuesta: 0,567 m.



Términos en Termodinámica
Termofluidos
Términos de termodinámica aplicada a la ingeniería

Autoevaluación: marque el numero que corresponda con su caso
1 = No tengo idea que representa en el contexto de termodinámica esta palabra
2 = He escuchado el uso de esta palabra, pero no estoy seguro sobre lo que representa
3 = Puedo comprender esta palabra en el contexto, pero no puedo definirla
4 = Yo puedo definir esta palabra

Sistema 1 2 3 4
Volumen de control (abierto) 1 2 3 4
Cerrado 1 2 3 4
Aislado 1 2 3 4
Alrededores 1 2 3 4
Frontera (superficie de control) 1 2 3 4
1 2 3 4
Microscópico 1 2 3 4
Microscópico 1 2 3 4
Molecular 1 2 3 4

Estado 1 2 3 4
Proceso 1 2 3 4
Reversible 1 2 3 4
Irreversible 1 2 3 4
Ejemplo de procesos: 1 2 3 4
Adiabático 1 2 3 4
Isotérmico 1 2 3 4

Propiedad (como una función de estado) 1 2 3 4
Extensiva 1 2 3 4
Intensiva 1 2 3 4
Ejemplo de propiedades termodinámicas 1 2 3 4
Temperatura 1 2 3 4
Presión 1 2 3 4
Volumen 1 2 3 4
Energía Interna 1 2 3 4
Entropía 1 2 3 4
Entalpía 1 2 3 4

Equilibrio 1 2 3 4

Trabajo 1 2 3 4
Calor 1 2 3 4

Sustancia pura 1 2 3 4
Fase 1 2 3 4

Calor sensible 1 2 3 4
Calor latente 1 2 3 4

Punto critico 1 2 3 4
Punto triple 1 2 3 4

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