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FUNDAMENTOS DE PROCESOS
INDUSTRIALES
Esteban Camú Macaya
Clase N°1
Unidad 1: Conceptos básicos y Sistemas Termodinámicos.

Unidad 1: Conceptos Básicos y sistemas
Termodinámicos.
1.1 Introducción a la Termodinámica: Energía
1.2 Dimensiones y unidades
1.3 Sistemas y sus propiedades
1.4 Procesos y ciclos
1.5 Escalas de temperatura y Ley Cero de la Termodinámica

1.1 Introducción a la termodinámica: Energía
Termodinámica: Ciencia de la Energía
Energía  capacidad que tiene la materia de producir trabajo
- En particular, estudia los fenómenos en los que existe transformación de energía mecánica
en térmica o viceversa. Cuando la energía (mecánica, térmica, eléctrica, química…) se
transforma de una forma a otra, siempre hay una cantidad que se convierte en calor.
- Aproximadamente, calor significa "energía en tránsito" y dinámica se refiere al
"movimiento", por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la
energía y cómo la energía infunde movimiento.
- Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la
eficiencia de las primeras máquinas de vapor.
“Ley de la Naturaleza”
Principio de Conservación de la Energía

Leyes de la Termodinámica: En Ciencia, ¿Qué es una Ley?
1° Ley: Conservación de la Energía; “La energía es una propiedad termodinámica”
Eentrada – Esalida = ΔE

Leyes de la Termodinámica:
2° Ley: Calidad y Cantidad de energía; “Los procesos reales ocurren hacia donde
disminuye la calidad de la energía”
“Cierra la puerta para que no entre el frio”

La Primera y la Segunda Leyes surgen casi simultáneamente desde 1850. Se basan en
trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y “Lord” Kelvin (William Thomson)
En este curso, la termodinámica tendrá un enfoque macroscópico
“termodinámica clásica”: modo directo y fácil para resolver problemas de ingeniería
Un intercambiador de calor de tubos concéntricos con
pared delgada, de contraflujo, se usa para enfriar
aceite (cp = 2.20 kJ/kg · °C) de 150 a 40 °C, a una razón
de 2 kg/s, usando agua (cp = 4.18 kJ/kg · °C), que entra
a 22 °C, a una razón de 1.5 kg/s. Determine la tasa de
transferencia de calor en el intercambiador y la
temperatura de salida del agua.

Termodinámica?? Energía??
En todas las actividades de la naturaleza existe interacción entre la energía y la
materia (masa)
Algunos ejemplos:
El control del calor en el ser humano… ¿?
Elementos presentes en una casa común y corriente… ¿?
Motores, cohetes, plantas de energía… “Eficiencia Energética”

Cantidad Física  Tiene una DIMENSIÓN, cuya MAGNITUD es una UNIDAD.
• Dimensiones Primarias o Fundamentales:
masa (m), longitud (L), tiempo (t), temperatura (T)
• Dimensiones Secundarias o Derivadas:
velocidad (v), energía (E), volumen (V)
DIMENSIÓN: Propiedad o cualidad física observada en la naturaleza, susceptible de ser
medida y expresada cuantitativamente
MAGNITUD: Tamaño de la medición de una dimensión que se expresa por el número
obtenidoal comparar la variable física con una de referencia definida por el usuario
mediante un sistema de unidades.

Principalmente 2 sistemas de unidades.
Sistema Inglés: United States Customary System (USCS)
Sistema Internacional Métrico: Le Systéme International d’ Unités (SI)

- 2 Sistemas de Unidades -->Transformación de
unidades.

Tener cuidado con la ecuaciones!!!... “Homogeneidad Dimensional”
“Todos los términos de una ecuación deben tener las
MISMAS UNIDADES”
Ej.1: Una escuela paga $0.09/kWh. Para reducir sus costos de energía, la escuela instala una
turbina de viento con una potencia nominal de 30 kW. Si la turbina trabaja 2200 horas por
año a su potencia nominal, determine la cantidad de energía eléctrica generada por la
turbina (en kJ) y el dinero que ahorra la escuela por año.
1kJ/s = 1kW

Sistema: cantidad de materia (masa), región en el espacio elegida para
análisis.
Alrededor (Entorno): materia o región fuera del Sistema.
Frontera (Pared): Superficie real o imaginaria que separa el Sistema de
su Alrededor.

Sistema Cerrado (Masa de Control): No permite la transferencia de
masa (masa constante); pero sí permite la transferencia de energía
(como calor o trabajo) con el entorno
Volumen puede ser variable (no es constante)
Caso especial: Sistema Aislado  No permite transferencia de energía

Sistema Abierto (Volumen de Control): Permite tanto transferencia de
masa como de energía (como calor o trabajo) con el Entorno
(dispositivo que permite flujo másico: compresor, turbina, etc.)
La Frontera se le llama “Superficie de Control”

Propiedades de un Sistema: Cualquier característica del sistema…
Ejemplos: presión P, temperatura T, volumen V y masa m.
Otros: viscosidad, conductividad térmica, módulo de elasticidad,
coeficiente de expansión térmica… incluso velocidad y elevación
Clasificación: Intensivas o Extensivas

Propiedades Intensiva: independientes de la masa del sistema.
Ejemplos: temperatura, presión
Propiedad Extensiva: dependen del tamaño (masa) del sistema
Ejemplos: masa total, volumen total y cantidad de movimiento total
Propiedad Específica: Propiedad Extensiva dividida por la masa
(volumen específico V/m).

• Densidad:
• Volumen específico:
• Densidad relativa:

Si suponemos un SISTEMA donde no se producen cambios, entonces
podemos calcular sus PROPIEDADES
Este conjunto de propiedades permite describir por completo el
ESTADO de un SISTEMA

Termodinámica: Estudio de los ESTADOS de EQUILIBRIO.
EQUILIBRIO: Estado de Balance (no hay cambios en el sistema, y
este sistema tampoco experimenta cambios cuando se AISLA del
entorno)
Tipos de Equilibrio:
Térmico: todo el sistema se encuentra a la misma temperatura.
Mecánico: no hay cambio de presión en algún punto del sistema.
Fases: cuando un sistema está compuesto por dos o más fases, y
cada fase tiene una masa para alcanzar el equilibrio.
Químico: composición química no cambia en el tiempo, es decir,
no hay reacciones químicas.

El Estado de un Sistema se describe por sus propiedades… Pero
no es necesario conocerlas todas para conocer el Estado.
El número de Propiedades requeridas para conocer o fijar el
Estado de un Sistema se indica según el siguiente postulado:
“El Estado de un Sistema Compresible Simple se conoce por
completo con sólo dos Propiedades Intensivas Independientes”
Son independientes si una de ellas puede variar, mientras la otra
se mantiene constante

Sistema Compresible Simple: No existen efectos eléctricos,
magnéticos, gravitacionales, de movimiento, ni tensión
superficial.
Estos efectos son de carácter externo e insignificantes: No
son relevantes en problemas de Ingeniería

1.4 Procesos y Ciclos
Proceso: Cambio de un Estado de Equilibrio a otro (de un
Sistema)
Trayectoria del Proceso: Serie de estados por los que pasa el
Sistema durante el Proceso

Un proceso se describe completamente si se conocen el estados inicial y
final, la trayectoria y las interacciones que el sistema puede tener con el
entorno.
Proceso Cuasiestático (Cuasiequilibrio): Es aquel que sucede de tal
forma que el Sistema esta “muy muy” cerca del Equilibrio.
Un ejemplo: Un proceso muy lento (permitiendo que las propiedades de
unos puntos no cambien tan rápido respecto a otros puntos)

Aunque un proceso cuasiestático es un caso IDEAL, no es REAL.
Sirve para resolver problemas de Ingeniería, al realizar modelos de
procesos en esas condiciones de cuasiequilibrio, con pequeños errores
en las soluciones.
Sirven como estándares con los que se comparan los procesos REALES
(pues los sistemas o dispositivos operan con mejor rendimiento en
procesos cuasiestáticos)

• Diagramas de Procesos: Uso de gráficos con las propiedades en las
coordenadas, útiles para representación visual de un proceso…

Prefijo “iso”: Para indicar que una propiedad permanece
constante en un proceso…
Isotérmico: Temperatura constante
Isobárico: Presión constante
Isocórico (o Isométrico): Volumen (específico) constante
Ciclo: Si un sistema regresa a su estado inicial al final del
proceso (estados inicial y final son iguales)

Estacionario: No hay cambio con el tiempo.
Transitorio (o Transiente): Si hay cambio con el tiempo
Uniforme: Ningún cambio con la ubicación (en un región dada)
Dispositivos de Flujo Estacionario: dispositivos (procesos) que
operan por largos periodos bajo las mismas condiciones
(propiedades)
“… proceso durante el cual un fluido fluye de manera
estacionaria por un volumen de control…”
(las propiedades del fluido cambian de un punto a otro, pero en un punto fijo no cambian)

1.5 Escalas de Temperatura y Ley Cero
Las “sensaciones” de calor o frío no sirven en Ingeniería…
¿Silla metálica más “fría” que una de madera?
Las propiedades de los materiales cambian con la temperatura de
manera REPETIBLE y PREDECIBLE  TERMÓMETRO
Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro a distinta
temperatura, el calor se transfiere del “caliente” al “frío”, hasta que
ambos cuerpos alcanzan las misma temperatura (Equilibrio Térmico):
Se detiene la transferencia de calor (igualdad de temperaturas)

1.5 Escalas de Temperatura y Ley Cero
La Ley Cero de la Termodinámica indica:
“Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un
tercero, entonces estos dos cuerpos están en equilibrio
térmico entre sí”
Sirve como base para la validez de la medición de la
temperatura… El tercer cuerpo es el termómetro!!!

Ejercicios
¿Por qué un ciclista acelera al ir pendiente abajo, aun cuando no esté pedaleando? ¿Viola eso
el principio de la conservación de la energía?
Un oficinista dice que una taza de café frío en su escritorio se calentó hasta 80 °C, al tomar
energía del aire que lo rodea, que está a 25 °C. ¿Hay algo de verdad en su aseveración? ¿Viola
ese proceso alguna de las leyes de la termodinámica?
¿Cuál es la magnitud de la fuerza neta que actúa sobre un automóvil que va a la velocidad
constante de 70 km/h a) en un camino horizontal y b) en un camino de subida?
Mientras resuelve un problema, una persona termina con la ecuación E = 25 kJ + 7 kJ/kg en
cierta etapa. Aquí, E es la energía total, y tiene la unidad de kilojoules. Determine cómo
corregir el error, y explique lo que puede haberlo causado.

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