Termodinmica

Tcnica

Termodinmica Tcnica

Tema 1. Introduccin

Desarrollar los conceptos ydefiniciones fundamentales parael estudio de la TermodinmicaTcnica

Objetivo

Termodinmica Tcnica

En Termodinmica:

Sistema: objeto de anlisis o de estudio.

Sistema: regin o porcin del universoaislada o separada para su estudio.

SISTEMA

Medio circundante

o Alrededores

Frontera

Sistema

Termodinmica Tcnica

Fronteras: Lmites que envuelven a nuestrosistema.

Medio circundante, entorno, alrededores:

Regin que rodea al sistema

SISTEMA

Medio circundante

o Alrededores

Frontera

Sistema

Termodinmica Tcnica

Clasificacin de las fronteras

FRONTERAS

Rgidas

Mviles

Tanque rgido

Gas

Frontera

Gas

Frontera

Cilindro - pistn

Tubera

FronteraFluido

Reales

Imaginarias

Termodinmica Tcnica

Clasificacin de las fronteras

FRONTERAS

Adiabticas

Diatrmicas

Impermeables

Semipermeables

Permeables

No dejan pasar el calor

Dejan pasar el calor

Permiten el paso de materia

No permiten el paso de materia

Permiten el paso de materiaslo hacia un lado

Termodinmica Tcnica

Cerrado o masade control

No intercambia materia con el entorno (masa constante) Slo intercambia energa con el entorno

Sistema cerrado

energaenerga

TIPOS

DE

SISTEMAS

Abierto o volumende control

A travs de su frontera semueve un flujo de masa

masamasa

Sistema abierto

energaenerga

Termodinmica Tcnica

AisladoTIPOS

DE

SISTEMAS

Adiabtico

No intercambia materia, nienerga con el entorno

Sistema aislado

energamasa

No intercambia calor con el entorno

masa

Sistema adiabtico

trabajocalor

Termodinmica Tcnica

Sustancia pura y Fases

Sustancia pura: Aquella quemantiene una composicin qumicauniforme e invariable.

Fase: Cantidad de materia quepresenta una composicin qumica yuna estructura fsica homognea entoda su extensin.

Termodinmica Tcnica

Fases

Un sistema puede contener una o ms fases.

Sistema de gas o de lquido

Ejemplos:

Sistema lquido -vapor

Lmite de fases

V

L

Sistema slido -lquido - vapor

V

L

SLmite de fases

Termodinmica Tcnica

Fases y Mezclas

Mezclas de gases

Siempre una nica fase

gaseosa

Una sustancia decomposicin qumica y fsica homognea.

Mezcla de gases (A y B)

A+B

Termodinmica Tcnica

Fases y Mezclas

Mezclas de lquidos

Pueden tener una o varias fases lquidas

No siempre forman una sustancia decomposicin qumica y fsica homognea.

Mezcla de agua y alcohol

Una fase

Mezcla de agua y queroseno

Dos fases

Termodinmica Tcnica

Cambios de fase

Gas

Lquido

Slido

Condensacin

Solidificacin

Vaporizacin

Fusin

Sublimacin

Termodinmica Tcnica

Propiedades termodinmicas

Parmetros descriptivos del sistema

conocer el estado del sistema

conocer los cambios que han ocurrido

poder realizar los anlisis termodinmicos

Ejemplos: presin, temperatura, densidad, etc.

Termodinmica Tcnica

Clasificacin de las propiedades

termodinmicas

Intensivas Extensivas

Termodinmica Tcnica

Propiedades extensivas

y1y2 y3

i

iyy

son aditivas y son valores totales, que dependen del tamao del sistema

dependen de la masa total del sistema

pueden cambiar en el tiempo

Ejemplos: Masa, volumen, energa, etc.

Termodinmica Tcnica

Propiedades intensivas

y1y2 y3 iyyyyy 321

no dependen del tamao o extensin del sistema. Son independientes de la masa.

pueden variar de punto a punto del sistema en un instante dado

son funcin de la posicin y del tiempo

Ejemplos: presin, temperatura, densidad, etc.

Termodinmica Tcnica

EstadoEl estado de una sustancia o sistema se define por el valor de sus propiedades

Estado de una sustancia pura

(lquida o gaseosa)

Ejemplo

dos propiedades intensivas

independientes

Todas las dems propiedades de la sustanciaestn fijadas

Siempre que se llegue a ese estado todas laspropiedades tendrn igual valor

Termodinmica Tcnica

Equilibrio termodinmico

Las propiedades sonuniformes en todo elsistema y constantesen el tiempo

p ; T ; m ;

Entorno

uniformesyconstantes

sistema

Equilibrio completo

Equilibrio trmicoEquilibrio mecnicoEquilibrio qumicoEquilibrio de fases

Termodinmica Tcnica

Proceso

Si un sistema abandona el equilibrio

cambios en las propiedades

cambio de estado

PROCESO

Proceso o transformacin cuando el sistema cambia de un estado a otro

Termodinmica Tcnica

Proceso

1

2

p

VV1 V2

El sistema slo cambia de estado si haytransferencia de energa con el mediocircundante

Proceso cuasiesttico o cuasi-equilibrio

Termodinmica Tcnica

Aquel en que los estados inicial y final coinciden

Proceso cclico

p

V

Termodinmica Tcnica

Sistemas de Unidades

En SI para cantidad de sustancia se usa mol (kmol)

Termodinmica Tcnica

Sistemas de Unidades

Tabla. Mltiplos y prefijos de unidades aceptados por el SI.

Mltiplo Prefijo Smbolo Mltiplo Prefijo Smbolo

10-18

atto a 10 deca da

10-15

femto f 102 hecto h

10-12

pico p 103 kilo k

10-9

nano n 106 mega M

10-6

micro m 109 giga G

10-3

mili m 1012

tera T

10-2

centi c 1015

peta P

10-1

deci d 1018

exa E

Termodinmica Tcnica

Sistemas de Unidades

Tabla. Unidades del Sistema del Ingls Absoluto

Magnitud Unidad Smbolo

Longitud pie ft

Masa libra lb

Tiempo segundo s

Fuerza (F = ma) poundal=1lb ft/s2 poundal

1 ft =0,3048 m ; 1 kg=2,20462 lb

Para la cantidad de sustancia se usa lbmol

Termodinmica Tcnica

Sistemas de Unidades

Tabla. Unidades de los Sistemas Tcnicos MKS e Ingls

Sistema MKS Sistema Ingls

Magnitud Unidad Smbolo Unidad Smbolo

Longitud metro m pie ft

Fuerza kilogramo fuerza kgf libra fuerza lbf

Tiempo segundo s segundo s

Masa

(Incompatible)

kilogramo masa kgm libra masa lbm

Termodinmica Tcnica

Densidad ( r )

r

V

m

VpVlim

rV

dVm

V

mdV

V Vmedia rr

1

SI [kg/m3 ], [g/cm3] Sistema ingls [lb/ft3]

funcin continua de la posicin y del

tiempo r=f(x,y,z,t) por tanto, es una propiedad intensiva

Masa Densidad media

Termodinmica Tcnica

Volumen especfico ( v )

r

1v

m

Vv

mediamedio

r

1Mv

n

Vv

[m3/kmol]

[ft3/lbmol]

SI [m3/kg], [cm3/g] Sistema ingls [ft3/lb ]

expresa el volumen ocupado por la unidad de masa es una propiedad intensiva puntual

Vol. esp. medio Vol. esp. molar

Termodinmica Tcnica

Presin

Propiedad intensiva

Fnormal

Fnormal

Fnormal

Fnormal

Fnormal

Ap

Fluido

Vp

A

Fp normal

ApAlim

la presin es la misma en todas las direcciones siempre que el fluido permanezca en reposo

Termodinmica Tcnica

Presin

Unidades

SI 1 Pa=1 N/m2; 1 bar=105Pa

1 MPa=103 kPa=106 Pa

Sistema de Unidades Inglesas

lb/in2

Sistema Tcnico

kg/cm2 ; kg/m2

Termodinmica Tcnica

Presin

Otras unidades

1 atmsfera estndar (atm)

1 atm = 760 mm de Hg =29,92 pulg de Hg

1 atm = 1,01325 bar = 1,033 kg/cm2

=14,696 lb/in2

Termodinmica Tcnica

Presin

En Termodinmica: presin absoluta

patm(abs)

pman

psistema(abs)

pvacio

psistema(abs)

Cero

presin

Presin del sistema mayor que la atmosfrica

Presin del sistema menor que la atmosfrica

Termodinmica Tcnica

PresinMedidores de presin:

Piezoelctricos Diafragma

Manmetro tipo tubo en U Bourdon Barmetros (patm.)

Termodinmica Tcnica

Temperatura

Temperatura es una medida de la energacintica media de traslacin de las molculasdel cuerpo

Teora cintico molecular

1.Este acercamiento microscpico desde el punto de vista prctico ingenieril es muy limitado.

2.Temperatura es difcil, sino imposible de definir a partir de otros conceptos definidos independientes.

?

Termodinmica Tcnica

Temperatura

A B

Se ponen en contacto y seaislan del entorno Interaccionan hasta que laspropiedades dejan de variar yse mantienen constantes Equilibrio trmico

Conclusin: Existe una propiedad que determinacuando los cuerpos estn en equilibrio trmico.

Igualdad de temperaturas entre cuerpos

A BA y B, uno ms caliente que el otro (sensorial)

Temperatura A y B en equilibrio TA=TB

Termodinmica Tcnica

SISTEMA1

SISTEMA2

SISTEMA3

Equilibriotrmico

Equilibriotrmico

Equilibriotrmico

Ley cero de la Termodinmica

Termodinmica Tcnica

Temperatura

Ley Cero de la Termodinmica

Cada T est asociada a unvalor de otras propiedadesdel sistema, como V, Reltrica,etc.

permiten medir la T por medio de los termmetros

Termodinmica Tcnica

Temperatura

Termmetros: dispositivos que emplean unasustancia (termomtrica) que posee por lo menosuna propiedad variable con la temperatura

Lquido en bulbo (volumen): muy preciso Gas a volumen constante (H2, He) (presin); Termopares (fem); Termistores y termmetros de resistencia

(resistencia elctrica);

Pirmetros (radiacin trmica)

Tipos de termmetros

Termodinmica Tcnica

TemperaturaKelvin (K) Celsius (oC) Rankine (oR) Fahrenheit (oF)

-459,67

32,00

212,00

0,00

491,67

671,67

0,00

273,15

373,15

-273,15

0,00

100,00Punto de vapor

Punto de hielo

Cero absoluto

Termodinmica Tcnica

Temperatura

Celsius T(C) = T(K) - 273,15

Rankine T(R) = 1,8.T(K)

Fahrenheit T(F) = T(R) - 459,67T(F) = 1,8.T(C) + 32

Conversin

Termodinmica Tcnica

Factores de ConversinSI Sistema Ingls

Masa y Densidad

1 kg = 2,2046 lb

1 g/cm3 = 103 kg/m3

1 g/cm3 = 62,428 lb/ft3

1 lb = 0,4536 kg

1 lb/ft3 = 0,01602 g/cm3

1 lb/ft3 = 16,018 kg/m3

Longitud 1 cm = 0,3937 in

1 m = 3,2808 ft

1 in = 2,54 cm

1 ft = 0,3038 m

Velocidad 1 km/h = 0,62137 milla/h 1 milla/h = 1,6093 km/h

Volumen

1 cm3 = 0,0611024 in3

1 m3 = 35,315 ft3

1 l = 10-3 m3

1 l = 0,0353 ft3

1 in3 = 16,387 cm3

1 ft3 = 0,02832 m3

1 gal = 0,13368 ft3

1 gal = 3,7854.103 m3

Fuerza1 N = 1 kg.m/s2

1 N = 0,2248 lbf

1 lbf = 32,174 lb.ft/s2

1 lbf = 4,448 N

Presin

1 Pa = 1 N/m2 = 1,4504.10-4

lbf/in2

1 bar = 105 Pa

1 atm = 1,01325 bar

1 lbf /in2 = 6894,8 Pa

1 lbf/in2 = 144 lbf/ft2

1 atm = 14,696 lbf/in2

Termodinmica Tcnica

Energa

1 J = 1 N.m = 0,73756 lbf.ft

1 kJ = 0,9478 Btu

1 kJ/kg = 0,42992 Btu/lb

1 lbf.ft = 1,35582 J

1 Btu = 778,17 lbf.ft

1 Btu = 1,0551 kJ

1 Btu/lb = 2,326 kJ/kg

1 cal = 4,1868 J

Calor

Especfico

1 kJ/kg.K = 0,238846 Btu/lb.R

1 kcal/kg.K= 1 Btu/lb.R

1 Btu/lb.R = 4,1868

kJ/kg.K

Potencia1 W = 1 J/s = 3,413 Btu/h

1 kW = 1,341 hp

1 Btu/h = 0,293 W

1 hp = 2545 Btu/h

1 hp = 550 lbf.ft/s

1 hp = 0,7457 kW