PROCESOS TERMODINÁMICOS Y BALANCE DE MATERIA
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PROCESOS TERMODINÁMICOS Y BALANCE DE MATERIA
•Yoselin Mazondo López•María Roberto Soto Tapia•Rocio Ruiz Sánchez•Erik Wilfredo Martínez Calderón
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Estado Gaseoso y Propiedades de los Gases Ideales
Los átomos son del mismo tamaño, estructura y forma, se encuentran separadas por grandes espacios; se encuentran unidas por puentes de hidrógeno o enlaces iónicos.
Son elásticos y con movimiento dinámico (se mueven por todo el recipiente que los contiene).
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Estado Gaseoso y Propiedades de los Gases Ideales
Los choques que se suscitan son elásticos y expandibles.
Carecen de masa representativa o volumen propio (deben contenerse en recipientes cerrados)
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Ley General del Estado Gaseoso Ideal
Relación entre variables de estado:Presión, Volumen, Temperatura y Masa:
PV = nRT• La presión es inversamente
proporcional al volumen pero directamente proporcional a la temperatura y a la cantidad de gas.
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Si la Temperatura aumenta, el volumen aumenta, si se mantiene la presión constante
La Temperatura aumenta, la presión también, si se mantiene el volumen constante
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PV=nRT Cuando la llanta gira hay
un calentamiento debido a la fricción entre esta y el pavimento, lo que genera un aumento de temperatura, y como el volumen es constante, el aumento de temperatura provoca un aumento en la presión en la llanta.
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Ley de Charles y Gay Lussac:
El volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (a presión y cantidad de materia constantes)Proceso Isobárico
P= cte=>P1=P2
V1/V2=T1/T2; V a T; V/T=cte
n1=n21 2
V
P
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Ley de Boyle y Mariotte
El volumen de un gas es inversamente proporcional
a la presión que soporta (a temperatura y cantidad
de materia constantes). Cuando la presión aumenta
el volumen disminuye y viceversa.
Proceso Isotérmico
T=cte=>T1=T2P1V1 = P2V2; V a 1/P; PV=cte; n1=n2
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Ley de Avogadro y Amagat
Si el volumen se mantiene constante, la
temperatura y la presión son directamente
proporcionales.
Si aumenta la temperatura aumenta la presión
Proceso Isométrico o Isocórico
V=cte=>V1=V2P2/P2 = T1/T2; T a P; P/T=cte
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Sistemas de UnidadesConstante General del Estado Gaseoso
R = 0.082 atm L/mol KPresión1 atm = 760 mmHg = 1.033 kg/cm2 = 14.7 lb/in2 = 0.988 bar = 14.7 psia
Volumen1 L = 1 dm3 = 1000 cm3 = 1000 ml = 0.001 m3 1 ft3 = 28.32 L1 Gal = 3.8 L1 ml = 1 cm3
Masa1 lb = 454 g = 0.454 kg1 kg = 1000 g = 0.001 ton
TemperaturaK = °C + 273 = ((°F-32)/1.8) + 273°F =1.8 °C + 32
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Metodología para resolver problemas relacionados con las leyes de los gases ideales
1. Leer el problema2. Analizar el problema3. Elaborar el diagrama de variables y
diagrama de procesos4. Realizar todas las conversiones5. Hacer las sustituciones numérica y
dimensional en las ecuaciones generadas
6. Elaborar el diagrama P vs V real7. Resolver las preguntas del problema
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Aplicación de la metodología
Supóngase que 4.50 lb de oxígeno a una temperatura de 284 °F y 973 mmHg de presión se someten a una serie de procesos consecutivos:1. Disminución de volumen a presión constante hasta un volumen de 17.65 ft3.2. Enfriamiento en donde P/T = cte hasta 0.5 bar.3. Proceso en el que la P a 1/V hasta el volumen incial. Con la información anterior determine:a) La cantidad en mol de oxígeno en el sistema.b) La descripción y las características de los proceos
involucrados.c) Todas las variables de estado.d) Elabore el diagrama P vs. V real.
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n=m/PM = 2034 g/32 g/mol = 63,84 mol
V1= ((63,84 mol)(0,082 atm L/mol K)(413 K))/1.28 atm =1689 L
T2=((599L)(413K))/1689 L = 122,3 K
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Aplicación de la metodología
Supóngase que 4.50 lb de oxígeno a una temperatura de 284 °F y 973 mmHg de presión se someten a una serie de procesos consecutivos:
1. Disminución de volumen a presión constante hasta un volumen de 17.65 ft3.
2. Enfriamiento en donde P/T = cte hasta 0.5 bar.
3. Proceso en el que la P a 1/V hasta el volumen inicial.
Con la información anterior determine:a) La cantidad en mol de oxígeno en el sistema.b) La descripción y las características de los procesos
involucrados.c) Todas las variables de estado.d) Elabore el diagrama P vs. V real.
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COMPONENTES DEL SISTEMA
Ecuación de estado Grados de libertad Vecindad o alrededores del sistema sistema en estudio Pared aislante Pared adiabática
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Representación de paredes adiabáticas:
A) Adiabática. B) Diatérmica.
Sistema 1
Sistema 2Sistema 2
Sistema 1Sistema 1
Sistema 2
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Sistemas termodinámicos
Abiertos Cerrados Aislado Homogéneo Heterogéneo Sistema reversible Sistema irreversible
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Primera ley de la termodinámica o principio de equivalencia del calor en trabajo mecánico
La ley relaciona la energía interna, el trabajo y el calor; establece que si sobre un sistema con determinada energía interna se realiza un trabajo o se transfiere calor durante un proceso, la energía interna del sistema varia.
La diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de trabajo es el calor que es la energía transferida del sistema a un potencial térmico.
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Ecuación general de la conservación de la energía
E entra - E sale = E f, sistema - E i, sistema
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Convención de signos para el trabajo y el calor según entrada y salida en un sistema termodinámico
Salida Entrada
Calor - +Trabajo + -
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Calor y capacidad calorífica a presión o volumen constante.
El calor es considerado como un potencial térmico ocasionado por la energía.
dQ = nCxdT CX= Capacidad calorífica del sistema = Cantidad
de calor absorbente del sistema por cada grado de incremento en la temperatura
Qp = nCp dT y Qv= nCvdT
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Diferencias entre calor y temperatura
CALOR TEMPERATURA
ES una forma de energía Medida de energía cinética
Depende se la cantidad de materia presente
No depende de la materia presente
La cantidad de calor se puede medir con un calorímetro
SE mide con un termómetro, termopar o pirómetro
Puede transformarse en otra forma de energía
No es transformable
Se mide en calorías o joule Se mide en grados Celsius, Fahrenheit, kelvin o Rankin
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Tipos de calor en un sistema
Calor sensible
Calor latente
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Entalpia o calor a presión constante
Es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor durante una transformación a presión constante en un sistema termodinámico
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Variables del ciclo termodinámico Proceso efectuado Variable
termodinámica característica
Propiedades del proceso
Expansión isobárica P = cte V2>V1´P1=P2´ calentamiento
Expansión isotérmica T = cte V3>V2´P1<P3´ disminución de presión
Enfriamiento isocórico o isométrico
V = cte PV=Energía P1V2<P1V3´P4<P3
Comprensión isobárica
P = cte V1<V3´Enfriamiento
Compresión adiabática
Q = O T1<T5
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Tipos de procesos
Procesos isotérmicos: la temperatura no cambia.
Procesos isobáricos: la presión no varía.
Procesos isócoros: volumen permanece constante.
Procesos adiabáticos: sin transferencia de calor alguna.
Procesos diatérmicos: pasa el calor fácilmente.
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Ciclos termodinámicos
Un ciclo termodinámico se define como la serie de procesos consecutivos que retornan al equilibrio inicial o a las condiciones de las que originalmente se partió
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CICLOS TERMODINÁMICOS
C. de Otto
C. de Rankine
C. de Brayton o
Joule
C. de Atkinson
C. Stirling
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El ciclo de Otto es un ciclo termodinámico ideal que se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. Éste ciclo consta de cuatro procesos:
Ciclo de Otto
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PROCESO ADIABÁTICO: Es aquel en el que no hay intercambio de energía térmica ∆Q entre un sistema y sus alrededores [TIPPENS:2001]
Ciclo de Otto
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Hay cuatro procesos en el desarrollo de éste ciclo. Su principal aplicación se observa en plantas termoeléctricas.
Ciclo de Rankine
Éstos procesos son:
A-b. Expansión isoentrópicaB-c. Calentamiento isobáricoC-d. Compresión isoentrópicaD-a. Enfriamiento isobárico
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A-b. Expansión isoentrópicaB-c. Calentamiento isobáricoC-d. Compresión isoentrópicaD-a. Enfriamiento isobárico
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Ciclo de Rankine
Diagrama del ciclo de Rankine
Éstos procesos son:
1-2. Expansión isoentrópica2-3. Calentamiento isobárico3-4. Compresión isoentrópica4,5,6-1. Enfriamiento
isobárico
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Se denomina así a un ciclo termodinámico de compresión, calentamiento y expansión de un fluido compresible, generalmente aire, que se usa para producir trabajo neto y su posterior aprovechamiento como energía mecánica o eléctrica.
Ciclo de Brayton o Joule
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Ciclo de Atkinson
Pionero de los motores híbridos
Éstos procesos son:
1-2: Compresión isotérmica2-3: Calentamiento isométrico o isocórico 3-4: Expansión isobárica4-5: Expansión adiabática5-6: Enfriamiento isométrico o isocórico
•6-1: Compresión isobárica
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Éste ciclo es un ciclo termodinámico del motor “Stirling” el cual busca obtener el máximo rendimiento. Por ésta razón , es semejante al ciclo de “CARNOT”. Ésta máquina esta constituida por dos DIABÁTICAS REVERSIBLES Y DOS ISOCÓRICAS.
El ciclo de Stirling ideal consiste en cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:
Ciclo de Stirling
1-2: Compresión Isotérmica2-3: Calentamiento isocórico. Qr.3-4: Expansión Isotérmica .4-1: Enfriamiento Isocórico.Qr.
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Procesos reversibles para gases ideales, sistemas cerrados con valores de Cv Y Cp medios
Isotérmico Isobárico Isométrico Adiabático
Relación
P,V,T
Boyle
T1=T2
P1V2
Charles
P1=P2
V1/T1=V2/T2
Gay-Lussac
V1=V2
P1/T1=P2/T2
P1V1ɤ=P2V2
λ
T2/T
1= (V1/V2) ɤ-
1
= (P2/P1) ɤ-1/
ɤ
T4/T3
= (P4/P3)R/Cp
= (V4/V3)R/Cv
Trabajo W=nRT In P2/P1
=nRT In V2/V1
Wirrev-Pop(V2-V1)
Wrev=∆H-∆E
W=0 WIRRE
=P(V2-V1)Wrev
=-∆E
Cambio de energía interna
∆E=0 ∆E=nCv∆T ∆E=nCv∆T ∆E=nCv ∆T
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Isotérmico Isobárico Isométrico Adiabático
Cambio de entalpia
∆H=0 ∆H=nCp∆T ∆H=nCp∆T ∆H=nCp∆T
Calor Q = nRT In V2/V1
= nRT In P1/P2
Qp=∆H Qv=∆E Q=0
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Metodología para resolver problemas de termofísica
Aqui lo importantes es que el calor que cede el sistema lo absorbe el entorno y viceversa.
El agua que sirve como principal regulador de la temperatura de los sistemas al ponerse en contacto indirecto con los reactivos, productos o sustancias involucradas en el proceso mediante una pared diatermica; esta agua pasa atravez de tuberias que rodean los tanques o reactores.
Estos dispositivos son los equipos de transferencia de calor que pueden ser de calentamiento o enfriamiento.
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Autos hibrídos
Auto eléctrico hibrído: es un vehiculo en el cual la energía electríca que lo impulsa proviene de baterias y alternativamente de un motor de combustion interna que mueve un generador.
El motor térmico es la fuente de energía que se utiliza como ultima opcion y se dispone de un sistema electrico para determinar que motor usar y cuando hacerlo.
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Desempeño de los autos hibridos
La clave del hibrido es que el motor de combustible puede ser mucho más pequeño que el de un auto convencional por lo tanto más eficiente.
En el motor pequeño la eficiencia puede ser mejorada utilizando partes más pequeñas y livianas, reduciendo el numero de cilindros y operando el motor cerca de su max potencia.
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Razones por las cuales los motores pequeño son más eficientes que los grandes.
Los motores grandes son más pesados que los pequeños, necesitando energia adicional al acelerar o en una subida.
Pistones y componentes internos son más pesados, requiriendo más energia cada vez que se mueven en el motor.
El desplazamiento de los cilindros es más largo, se requiere más combustible para moverlos.
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