Conceptos basicos Termodinámica

1. Termodinámica
Termodinámica
Primer Cuatrimestre de 2016

2. Unidad 1
Conceptos fundamentales

3. Termodinámica
La termodinámica estudia las transformaciones de energía y sus
f b l i d d d i
Termodinámica
efectos sobre las propiedades de un sistema
Termodinámica
(experimental)
Principio cero 1° Principio 2° Principio 3° Principio
(experimental)
2
Propiedades Energía Entropía Propiedades

4. Magnitudes Dimensiones y Unidades
Magnitudes, Dimensiones y Unidades
M it d fí i l i i d d lid d dibl d
• Magnitud física : cualquier propiedad o cualidad medible de un
sistema físico
• Dimensiones : nombres que caracterizan a las magnitudes físicas
– Longitud
– Tiempo
– Temperatura
etc
– etc.
• Unidades : nombres y valores arbitrarios asignados a las
y g
magnitudes
– Ej. Longitud: metro, cm, pie, pulgadas, millas, etc.
3

5. Factores de conversión de unidades o constantes unitarias
Factores de conversión de unidades o constantes unitarias
Ecuaciones deben ser dimensionalmente homogéneas
g
Las unidades también deben ser homogéneas
• Los constantes unitarias permiten homogeneizar unidades sin afectar el
resultado porque se multiplica o divide por la unidad
resultado porque se multiplica o divide por la unidad
1
1 =
=
i
12
ft
1
;
i
1
seg
60
• Ejemplo de aplicación:
in
12
min
1
j p p
2
2
2
7
1
2
2
min
km
.
m
10
km
*
min
1
s
60
*
s
m
s
m
a 3
2
2
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
=
4
min
m
10
min
1
s
s ⎠
⎝
⎠
⎝

6. Sistemas de Medición
El Sistema Internacional: SI
a)
secundari
(unidad
a
m
F
2
=
2
g
m
Peso =
conversión
de
factor
m
.
kg
s
N
1
1
2
=
2
m/s
9.80665
g =
5
g=9.80665 m/s2 se conoce como gravedad estándar, y es un promedio de la
aceleración de la gravedad de la Tierra al nivel del mar

7. El Sistema Inglés: USCS (United State Customary System)
El Sistema Inglés: USCS (United State Customary System)
Cantidad de sustancia: mollb
Cantidad de sustancia: mollb
M=M kg/kmol=M lbm/mollb
g
m
Peso =
ft/s
32.174
0 3048
ft
1
.
m
9.80665
g
g
m
Peso
2
2
=
=
=
conversión
de
factor
t
f
lb
2.174
m
0.3048
s
2
m
2
1
3
=
6
f
s
.
lb 2
f

8. • Unidades de energía:
SI: Joule (J) = N.m
S.Inglés: BTU (British Thermal Units) = 778.17 lbf.ft
• Conversión de unidades entre ambos sistemas:
1 ft = 12 in = 0.3048 m
1 lb 0 4536 k
1 lbm = 0.4536 kg
1 BTU = 1055.056 J
7

9. Sistema Termodinámico
Sistema Termodinámico
MEDIO AMBIENTE, ENTORNO o ALREDEDORES
SISTEMA
frontera (real o imaginaria)
SISTEMA
SISTEMA + MEDIO AMBIENTE = UNIVERSO
8

10. Clasificación de Sistemas
Clasificación de Sistemas
ƒ En base al intercambio de materia y/o energía
y g
• Abiertos
• Cerrados
• Aislados
medio
• Aislados
ƒ En base al número de fases sistema
frontera
• Homogéneos
• Heterogéneos
ƒ En base al número de componentes
• Monocomponentes
M lti t
El Universo es un sistema aislado
• Multicomponentes
ƒ Teniendo en cuenta la frontera
• Diatérmicos
• Adiabáticos (aislados térmicamente) 9
• Rígidos
• Elásticos

11. Ejemplos de Sistemas Cerrados
Ejemplos de Sistemas Cerrados
10

12. Ejemplos de Sistemas Cerrados
Ejemplos de Sistemas Cerrados
11
Vaciado y llenado?

13. Ejemplos de Sistemas Abiertos
Ejemplos de Sistemas Abiertos
12

14. Sistemas Abiertos o Cerrados?
Sistemas Abiertos o Cerrados?
autoclave
13

15. 1
1
N
1
turbina
N
1
turbina
2
2
5
5
cámara de
mezcla
tobera
cámara de
mezcla
tobera

16. Una destilería es también
un sistema abierto
15

17. Ejemplos de sistemas con fronteras adiabáticas o diatérmicas
Ejemplos de sistemas con fronteras adiabáticas o diatérmicas
16

18. Ejemplos de sistemas con fronteras rígidas y elásticas
Ejemplos de sistemas con fronteras rígidas y elásticas
17

19. Preguntas
Preguntas
9 Indique V o F. Un sistema aislado equivale a un sistema cerrado y adiabático.
9 Un colector solar se utiliza para calefaccionar el agua de una piscina.
Un colector solar se utiliza para calefaccionar el agua de una piscina.
Indique si el colector es abierto o cerrado, rígido o elástico, adiabático, diatérmico
o aislado, monocomponente o multicomponente. Idem para el sistema completo.
Identifique energías intercambiadas
f q g
18

20. Definiciones
Definiciones
P i d d d i t
ƒ Propiedades de un sistema:
• Presión, P
• Temperatura, T
p
• Masa, m
• Volumen, V
• Calor específico c
• Calor específico, c
• Densidad, ρ
• Conductividad Térmica, k
todas?
• Energía, E
• Entropía, S
• Etc.
Etc.
ƒ Estado de un sistema:
E l di ió d i t d i t i d d
– Es la condición de un sistema descripta por sus propiedades
19

21. Ejemplo:
Ejemplo:
ρ1 V1
20

22. Propiedades
Propiedades
9 Se definen para estados de equilibrio
9 Característica macroscópica (promediada en el tiempo)
9 Son independientes de la historia del sistema
9 Son independientes de la historia del sistema
21

23. Clasificación de Propiedades
Clasificación de Propiedades
En base a la posibilidad de medir las propiedades de un sistema o
calcularlas en forma indirecta
d l (d ) l íf
ƒ Medibles (directas): P, T, m, V, calor específico
ƒ No medibles (indirectas): densidad ρ, entalpía, entropía
En base a su dependencia de la cantidad de materia del sistema
ƒ Extensivas: m, V, E, S (mayúsculas excepto m)
ƒ Intensivas: P, T, k, c (minúsculas, excepto P y T)
• Propiedades específicas (y=Y/m): v, ρ, e, s
22

24. Equilibrio Termodinámico
Equilibrio Termodinámico
Un sistema está en equilibrio cuando, en ausencia de interacción con el
medio ambiente, no experimenta cambios finitos espontáneos en
sus propiedades
9 propiedad conjunta de sistema y medio
9 no existen cambios macroscópicos en el tiempo
9 no existen cambios macroscópicos en el tiempo
9 no existen flujos netos de masa y energía internos o externos
23

25. Equilibrio Termodinámico
Equilibrio Termodinámico
U i t t ilib i t di á i i ifi
• Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico si se verifica:
Equilibrio térmico
+
Equilibrio mecánico
Equilibrio mecánico
+
Equilibrio químico
+
Equilibrio de fases
• Las interacciones con el medio hacen que el sistema cambie de un estado
de equilibrio a otro
de equilibrio a otro
24

26. Definiciones
Definiciones
m
=
ρ
V
bi
V
V
=
ρ
1
Densidad
l f
n
V
v
:
bien
o
m
V
v =
=
=
ρ
ρ
Volumen específico
D id d l ti
)
C
(
agua
r =
°
ρ
ρ
ρ
4
Densidad relativa o
Gravedad específica
(líquido)
)
T
P
(
)
T
,
P
(
i
r =
ρ
ρ
ρ
Densidad relativa o
Gravedad específica
(gas)
V
Peso
p
)
T
,
P
(
e
aire
=
ρ
(gas)
Peso específico
25
V
pe

27. Presión
Presión
Es una propiedad medible en forma directa
• Definición: fuerza por unidad de área, P = F/A
• Unidades:
SI: Pa = N/m2
S I lé i lbf/i 2 ( )
S.Inglés: psi = lbf/in2 (a o g)
• Presión atmosférica: Es la presión que ejerce la atmósfera local sobre
Presión atmosférica: Es la presión que ejerce la atmósfera local sobre
un sistema
• Presión absoluta: Es la presión que ejerce una sustancia dentro de un
sist m
sistema
• Presión manométrica: Es la diferencia entre la presión absoluta y la
presión atmosférica local
p
Pman = Pabs - Patm
26

28. Cambio de presión con la altura
Cambio de presión con la altura
• La diferencia de presión en una columna depende de la sustancia y de su
La diferencia de presión en una columna depende de la sustancia y de su
altura en la columna
Si la densidad permanece constante:
P2= 1 atm
P2= 1 atm
z
g
P
P
P Δ
−
=
−
=
Δ ρ
1
2
El signo negativo indica que P y z
aumentan en sentidos contrarios
z
La variación de la presión con la altura
puede despreciarse en sistemas de
p qu ñ ltu
pequeña altura.
27
P1= 1.966 atm P1= 1.0012 atm

29. Balance de fuerzas en un diferencial de volumen de fluido en la columna
dz
g
dP ρ
−
=
(P+dP) A
z
z
dz
2
∫
−
=
−
=
Δ
z2
z1
dz
g
P
P
P ρ
1
2
si ρ es constante:
A
1
si ρ es constante:
m g=ρ (A dz) g
P A
P
P
P Δ
Δ z
g
P
P
P Δ
−
=
−
=
Δ ρ
1
2
28

30. Ejemplo
P P + h
P2=Patm + ρ g h
29

31. 30

32. Instrumentos para medir la presión
Instrumentos para medir la presión
B ó
• Barómetro
Mide la presión atmosférica en base a la altura de la
columna de líquido.
La presión atmosférica estándar (o presión
barométrica estándar) es la presión ejercida por
barométrica estándar) es la presión ejercida por
una columna de Hg de 760 mm de altura a 0°C y
bajo la aceleración de la gravedad estándar
(g=9.80665 m/s2, 32.174 ft/s2)
(g , )
9 Demuestre que la presión atmosférica
á d
Barómetro de Torricelli
(1644)
estándar es:
1 atm =1.013 bar= 101325 Pa = 14.696 lbf/in2 (psia)
31
(1644)

33. Instrumentos para medir la presión
Instrumentos para medir la presión
M ó t
• Manómetro
Mide la diferencia de presión entre la presión
del sistema (presión absoluta, Pabs) y la P2
presión atmosférica (Patm).
z
g
P
P Δ
+
= ρ
2
1
Δz
z
P
P
P
P
atm
abs
=
=
2
1
P1
z
g
P
P
P
P
man
atm
abs
man
atm
Δ
=
−
=
ρ
2
Pabs y Patm son variables positivas, en tanto que
Pman puede ser positiva o negativa (presión
z
g
Pman Δ
ρ
Pman puede ser positiva o negativa (presión
de vacío). Qué significa esta última
afirmación? 32
Manómetro de
tubo abierto

34. 9 En una gomería la presión del
manómetro indica 32 lbf/in2
manómetro indica 32 lbf/in2.
Cuál es la presión real del neumático
en Sistema Inglés y en SI?
(1 psi= 6875 Pa)
(1 psi= 6875 Pa)
33

35. Instrumentos para medir la presión
Instrumentos para medir la presión
M ó t dif i l
• Manómetro diferencial
Mide la diferencia (caída) de presión entre 2
puntos especificados de un mismo
dispositivo de flujo
h)
(a
g
P
P
P
P
A
B
A
1
1 ρ +
+
=
=
h
g
)
(
P
P
h
g
a
g
P
P
h)
(a
g
P
P
2
B
A
2
1
1
2
1
2
1
1
ρ
ρ
ρ
ρ
ρ
−
=
−
+
+
=
+
+
h
g
)
(
P
P2 2
1
1 ρ
ρ
=
Caída de presión en una tubería
34

36. Efecto del peso de un émbolo sobre la presión en un cilindro
Efecto del peso de un émbolo sobre la presión en un cilindro
Balance de fuerzas (émbolo en equilibrio)
35

37. Principio Cero de la Termodinámica
Temperatura
Temperatura
• La temperatura de un sistema es una medida de la Energía Cinética
M di d T l ió d l lé l l f
Media de Traslación de las moléculas que lo forman.
C C
B
C C
B
equilibrio térmico entre A y C equilibrio térmico entre B y C
A está en equilibrio térmico con B
Principio Cero: Dos cuerpos en equilibrio térmico con un tercero
36
Principio Cero: Dos cuerpos en equilibrio térmico con un tercero
se encuentran en equilibrio térmico entre sí

38. Termómetros
Termómetros
S i t t it di t t
Son instrumentos que permiten medir temperaturas en
base al cambio de una propiedad termométrica
Propiedad Termométrica:
cualquier propiedad que cambie con la temperatura. Por
ejemplo: volumen de sólidos, líquidos y gases, presión de
j p , q y g , p
gases a volumen constante, resistencia de sólidos, etc.
El primer termómetro fue diseñado por Galileo Galilei en
El primer termómetro fue diseñado por Galileo Galilei en
1592
E 1641 s st ó l im t móm t il
En 1641 se construyó el primer termómetro capilar
graduado con alcohol como fluido termométrico.
T (1592)
En 1717 Fahrenheit introdujo el termómetro de mercurio.
37
Termoscopio (1592)

39. Escalas de Temperatura
Escalas de Temperatura
• Centígrada y Fahrenheit: t(°F) = 1.8 t(°C) + 32
• Temperaturas absolutas: Kelvin y Rankine: T(K) = t (°C) + 273.15
T(R) = t (°F) + 459.67
38

40. Definiciones
Definiciones
T f ió bi d t d d l i t (d d t d d
• Transformación: cambio de estado del sistema (desde un estado de
equilibrio a otro), como consecuencia de un proceso
• Proceso: vinculación entre sistema y medio que produce una
transformación en el sistema
• Cuando una de las propiedades permanece constante durante el
proceso, la transformación del sistema se clasifica en :
– Isotérmica (T=constante)
Isotérmica (T=constante)
– Isobárica (P=constante)
– Isométrica o Isocórica (V=constante)
f
• Otras transformaciones :
– Adiabática (la transformación ocurre sin transferencia de calor)
– Politrópica (verifica la relación P v n= constante y contiene a todas
p ( y
las transformaciones anteriores)
39

41. Procesos y Transformaciones
Procesos y Transformaciones
En las figuras (a) y (b), un
mismo sistema sufre una
transformación debido a
i dif t
mecanismos diferentes que
lo vinculan con el medio
externo (una rueda de
p l t s un c rri nt
paletas y una corriente
eléctrica)
40

42. Camino de la transformación
Camino de la transformación
2
• Los estados 1 y 2 son estados de equilibrio
• Los estados intermedios pueden ser o no
estados de equilibrio
1
• Si sólo los estados extremos son de equilibrio
(el camino se indica con línea de puntos), las
propiedades están definidas sólo para los
estados 1 y 2 1≡2
41

43. Transformación Cuasiestática
Transformación Cuasiestática
• Transformación de un sistema a través de una sucesión de estados de
equilibrio
• El concepto de Transformación Cuasiestática es una idealización de Sadi
Carnot (1812). 2
9 Todos los estados son estados de equilibrio
9 Las propiedades son uniformes en el espacio (sistema)
1
p p p ( )
9 El camino se indica con una línea continua
1≡2
42

44. Ejemplo de transformación cuasiestática:
Ejemplo de transformación cuasiestática:
Si : tiempo equilibrio interno << tiempo de cambio del sistema, el
mismo puede ser tratado como cuasiestático

45. Transformaciones no estáticas vs cuasiestáticas
Transformaciones no estáticas vs. cuasiestáticas
• Transformación No estática: el sistema cambia de un estado de
equilibrio a otro a través de estados de no equilibrio
Transformación
Transformación
Cuasiestática
No estática
44

46. Clasificación de magnitudes termodinámicas
F i d E t d (P i d d ) S i d di t d l i
• Funciones de Estado (Propiedades): Son independientes del camino
∫
2
∫ = 0
dy
Y
Y
Y
dY
y
y
y
dy
Δ
=
−
=
Δ
=
−
=
∫
∫
1
2
2
1
1
2
2
1
y
m
Y
:
con =
∫ 1
2
1
• Funciones de Proceso: dependen del
camino de la transformación
12
2
1
Z
Z =
∫ δ
y, x son propiedades intensivas del sistema
45