2012

TRABAJO DE FIN DE CURSO DE LA ASIGNATURA DE TERMODINÁMICA

Folleto Guía

Ing Gustavo A. Moreno

Elaborado Por:Elba Milagros Rodríguez RiveraFátima Gabriela Rivera Avilés

Katherine Alicia Huete GutiérrezEdwin Antonio Rugama

Grupo:2M1 Agroindustrial

Estelí, 4 De Julio 2012

TERMODINÁMICA

Agradecimiento

Queremos primero agradecer a Dios por haberme dado la vida, y que siempre va guiándonos e iluminando nuestro camino en la vida.

A nuestra carrera de Ingeniería Agroindustrial por darnos la oportunidad de coadyuvar a la formación de profesionales del mañana.

A mi maestro ING Gustavo A. Moreno, ya que gracias a su constante motivación llegamos alcanzar dichos conocimientos

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TERMODINÁMICA

Resumen

Se decidió escribir un texto guía de la materia, para hacer una contribución a la biblioteca a favor de la Carrera de Ingeniería Agroindustrial y que esta se utilice como material de apoyo a los estudiantes que llevan el curso de Termodinámica.

Se ilustran los problemas termodinámicos con situaciones reales, de tal manera que las condiciones en que nos encontramos son diferentes a la del nivel del mar. Es importante que los estudiantes entiendan los fenómenos estudiados desde el punto de vista de la experiencia, así serán capaces de aplicar las leyes básicas de la Termodinámica para resolver los problemas que involucran proyectos de ingeniería.

Este texto incluye problemas que se puede ver en el curso de un semestre, tiene material selecto que puede ser útil en aplicaciones prácticas sobre temas de vapor y gas, combustión y ciclos de refrigeración.

Todos los problemas se realizan en el sistema Internacional de Unidades, de manera que el estudiante esté familiarizado para los repasos o exámenes de Termodinámica.

La Termodinámica Técnica desempeña un papel vital en el diseño de múltiples procesos, dispositivos y sistemas, para su uso tanto en el hogar como en la Industria, no está demás decir que la Termodinámica constituye parte de nuestra vida diaria.

En ingeniería la Termodinámica Técnica resulta ser, además muy importante en la continua búsqueda de soluciones a los problemas relacionados con la crisis energética, la escasez de agua potable, la contaminación atmosférica, la eliminación de la basura y por naturaleza la protección del ecosistema que es vital para la supervivencia del ser humano. Por eso estudiamos con la

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TERMODINÁMICA

mayor importancia en nuestra búsqueda de una mejor forma de vivir.

UNIDAD: 1CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BÁSICOS

OBJETIVOS• Introducir conceptos fundamentales y definiciones usadas en el estudio de la Termodinámica.• Revisar los sistemas de unidades que se utilizarán en el curso.• Explicar los conceptos básicos de la termodinámica, como sistema, estado, equilibrio, proceso y ciclo.

INTRODUCCIÓNLa Termodinámica Técnica es una ciencia que estudia macroscópicamente las relaciones de transformación y transferencia de energía ocasionados por los cambios físicos de la naturaleza. Para el ingeniero el estudiar Termodinámica Técnica es conocer una herramienta analítica, teórica y práctica que le ayuda a interpretar fenómenos naturales desde el punto de vista de las relaciones de materia y energía.

TERMINOLOGÍA TERMODINÁMICALos enunciados de las Leyes de La Termodinámica se expresan con términos referidos al tema como ser: sistema, propiedad, transformación, ciclo, etc. Muchas de las explicaciones se manejan estos términos por lo que es necesario conocer para el avance del curso.

LA TERMODINÁMICA La palabra termodinámica proviene del vocablo griego termos (calor) dynamics (Potencia).Es la ciencia que estudia los cambios de energía y las transformaciones incluida la producción de potencia y la refrigeración.

ASPECTOS IMPORTANTESLey de conservación de energía, establece que la energía en un proceso puede cambiar de forma, pero la cantidad de energía total permanece constante, la energía ni se crea ni se destruye, si no que se transforma.

Aspectos históricos:Desde la creación del universo han existido los procesos termodinámicos, esta aparece como ciencia hasta la construcción de la maquina de vapor en Inglaterra, por Thomas Savery en 1697.

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TERMODINÁMICA

La primera y segunda ley de la termodinámica fueron postulados simultáneos en la década de 1850, por los trabajos de William Ranking, Rudolph Clausius, Lord Kelvin.

El término de termodinámica es utilizado por primera vez en 1849 por Lord Kelvin, en su obra maestra. El primer libro de termodinámica lo escribió William Ranking.

La termodinámica es aplicada en cualquier actividad de ingeniería y en nuestra vida se aplica en la cocina, en el carro, en el refrigerador, en el aire acondicionado.

IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN LA AGROINDUSTRIA.

Todos los procesos para producir industrialmente los productos agrícolas involucran un complejo de equipos que funcionan a base de intercambios de energía en forma de calor, tales como: marmitas, autoclaves, calderas, hornos, calentadores, enfriadores, etc. También equipos de trabajo que transfieren energía en forma de trabajo como turbinas, bombas y compresores.

Cada uno de estos equipos pueden ser analizados, e cuanto al intercambio energético, con los métodos y principios de la termodinámica.

SISTEMAEn Termodinámica un sistema se define como cualquier conjunto de materia o cualquier región en el espacio delimitado por una superficie o pared llamada frontera del sistema.

La pared puede ser real, ejemplo un tanque que contiene un determinado fluido, puede ser imaginaria, como la frontera de determinada cantidad de fluido que circula a lo largo de un tubo.

Toda materia que se encuentra fuera de la pared y que interactúan con el sistema en cuestión se conoce como entorno o medio ambiente.

CLASES DE SISTEMA

Cerrado : no existe cambio de masa pero si puede existir de trabajo y energía

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TERMODINÁMICA

Abierto: si hay intercambio de masa y energía.

Aislado : no existe transferencia de energía ni de masa.

Nota: las relaciones y fundamentos termodinámicos aplicables a sistemas cerrados son diferentes a sistemas abiertos, por lo que es importante identificar el tipo de sistema antes de iniciar su estudio y análisis.

PROPIEDADUna propiedad es cualquier parámetro o cantidad que sirve para describir a un sistema. Las propiedades comunes son presión, temperatura, volumen, velocidad y posición; el color es importante cuando se investigan la transferencia de calor por radiación.

Las propiedades termodinámicas se dividen en dos tipos generales, extensivas e intensivas. Una propiedad extensiva es aquella que depende de la masa del sistema, ejemplos; masa, volumen, cantidad de movimiento y energía cinética.

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AguaCalor

Diferente temperatura

HieloAislante

TERMODINÁMICA

Una propiedad intensiva es la que no depende de la masa del sistema, ejemplos; temperatura, presión, densidad y velocidad. Si dividimos una propiedad extensiva entre la masa, resulta una propiedad específica. El volumen específico se define como el cociente del volumen sobre su masa.

Las propiedades de una sustancia pueden dividirse en cuatro clases generales:

Intensivas: son la propiedades que no dependen de la masa, tales como: la presión, la temperatura, la densidad.

Extensivas: varían directamente con la masa, el volumen la energía cinética la cantidad de movimiento, etc.

Especificas: si una propiedad extensiva se dividen por la masa, se obtiene una propiedad que no depende de la cantidad de masa, y se denomina específica.

Molares: si una propiedad extensivas se dividen por el numero de moles de sustancia, se obtiene una propiedad especifica malar; por ejemplo: el volumen especifico molar.

Dimensiones Y UnidadesLas unidades son los medios para expresar las dimensiones, como por ejemplo: pie, centímetro, etc.

La longitud, la masa y el tiempo tienen unidades. Los sistemas de unidades están compuestos por:

Unidades Fundamentales: Se tienen para la masa, longitud, tiempo, temperatura, corriente eléctrica e intensidad luminosa.

Unidades Múltiplos: Son múltiplos o fracciones de las unidades fundamentales.

Unidades Derivadas: Se pueden obtener de dos formas:

1. Compuestas: Multiplicando y/o dividiendo unidades fundamentales y sus múltiplos (m2, m/s, m/s2).

2. Unidades Equivalentes: Son equivalentes definidos de las unidades compuestas (Ej: 1 N ≡ 1 kg·m/s2, 1 erg ≡ 1 g·cm/s2).

Las cantidades físicas se caracterizan mediante dimensiones y las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades

Dimensiones Elementales o fundamentales

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TERMODINÁMICA

Masa (m)Longitud (L)Tiempo (t)Temperatura (T)

Dimensiones secundarias o derivadasVelocidad (v) l/tVolumen (V) L3

Energía (E) w/t

PROPIEDADES DE UN SISTEMA

Densidad (ρ)Representa la cantidad de masa de una sustancia por unidad de volumen, por lo tanto podemos usarla como factor de conversión para relacionar masa y volumen.

Volumen Específico (v) El volumen específico es el inverso de la densidad, es el volumen ocupado por unidad de masa de un material.

V = v/m ó V = 1/ ρPara líquidos la densidad varia con la temperatura y en menor grado con la presión. Para gases y vapores la densidad es función de la temperatura y presión.

La densidad del agua a 4 ºC es 1 g/cm3 ≡ 1000 kg/m3 ≡ 62.43 lbm/pie3.

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TERMODINÁMICA

El volumen específico se expresa en m3/kg en unidades del sistema internacional y pie3/lbm en unidades del sistema ingles.

Peso especificoEs el peso por unidad de volumen. w= W/V

Donde:W: es el pesoV: es el volumen

Sistema termodinámico: es una cantidad de materia o una región de espacio seleccionada para ser estudiada.

Alrededor: es la masa o la región que rodea a un elemento de volumen o sistema. Frontera: es la superficie real o imaginaria que separa a nuestro sistema

con los alrededores, la frontera puede ser fija o móvil.

ESTADO Y EQUILLIBRIO

Estado: son todas las condiciones y propiedades que describen o definen un sistema.

Equilibrio: un sistema esta en equilibrio cuando las condiciones que lo definen no sufren cambio con el tiempo ni el espacio.

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Alrededores

Frontera

Sistema

Temperatura

Tiempo

*20c *20c

2hr 4hr

TERMODINÁMICA

Clases De Equilibrio

En referencia a las condiciones de equilibrio existen infinidad de relaciones de condiciones de equilibrios según las conveniencias para estudiar un proceso entre los más usuales son:

Equilibrio térmico: si la temperatura es igual en todo el sistema.Equilibrio mecánico: si la presión es igual en todo el sistema.Equilibrio termodinámico: cuando el sistema está en equilibrio en relación con cualquier posible cambio de estado.

Procesos Cualquier cambio que experimenta un sistema de un estado a otro se denomina proceso por ejemplo. Proceso de calentamiento, fermentación, compresión, entre otros.

Clasificación de los procesos

Proceso isotérmico: se realiza a temperatura constante. Proceso isobárico: se realiza a presión constante. Proceso isocoro o isotérmico: se efectúa a volumen constante. Proceso isoentálpico: se realiza a entalpía constante. Proceso isotrópico: se realiza a entropía constante. Proceso adiabático: ocurre sin transmisión de calor. Procesos reversibles o cíclicos: cuando las condiciones iniciales y finales de un proceso son iguales y no se observan cambio. El caso contrario es el irreversible.

Proceso cuasiequilibrioEs un proceso ideal en el cual los cambios de las propiedades son tan pequeños que puede considerarse que todos los estados por los que pasa el sistema son estados en equilibrio.

Proceso en desequilibrioEs aquel en el que se produce en cambio brusco de un estado a otro y no puede identificarse cada estado a través del cual pasa el sistema.

CicloSi un sistema a partir de un estado inicial dado, pasa por varios cambios finalmente vuelve a su estado inicial se dice que ha experimentado un ciclo.

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TERMODINÁMICA

UNIDAD: 2PRESION Y TEMPERATURA

Presión Las mediciones de presión son las más importantes que se hacen en la industria; sobre todo en industrias de procesos continuos, como el procesamiento y elaboración de compuestos químicos. La cantidad de instrumentos que miden la presión puede ser mucho mayor que la que se utiliza en cualquier otro tipo de medidor.

La presión se define como la fuerza normal que se ejerce sobre una unidad de área. El concepto de presión se emplea cuando se trata de un líquido o un gas. P= F A

Donde:P: presión en unidades de fuerza por unidad de área F: Fuerza perpendicular al área A: área

Variación de la Presión con la alturaEsta está representada por la siguiente ecuación: P = Patm+ρ ghManométrica= ρ gh

Donde: ρ es la densidad del fluido g es la gravedad, 9.807 m/s

•La presión de un fluido no cambia en dirección horizontal sin embargo esta se incrementa con la profundidad y lo hace de forma lineal.

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TERMODINÁMICA

•La variación de presión con el peso es insignificante para los gases debido a su baja densidad.•La variación de la densidad de los líquidos es insignificante, igualmente para los gases si la elevación es moderada. Sin embargo cuando tenemos cambios de temperatura no es así.

Presión Hidrostática Es la presión ejercida por el peso de la columna de altura h de fluido en un lugar donde la aceleración de la gravedad vale g, se determina mediante la siguiente ecuación:

P= ρXgXhgc

Donde: ρ: densidad del fluido h: altura del fluido g: aceleración de gravedadgc: constante gravitacional

Presión Atmosférica: La presión del aire y del medio atmosférico que nos rodea y que varía día con día.

Presión Barométrica: Igual a la presión atmosférica, llamada “presión barométrica” debido a que se emplea un barómetro para medir la presión atmosférica.

Presión Absoluta: una medición de la presión con respecto a una presión de cero.

Presión Manométrica: la presión expresada como una cantidad medida a partir de la presión atmosférica o alguna presión de referencia.

Presión de Vacío: presión cuyo valor es menor a la atmosférica.

En un fluido en reposo, la presión en un punto es la misma en todas las direcciones. La presión de un fluido aumenta con la profundidad, esto se debe a que a niveles más bajos soporta más peso que el fluido a niveles más altos pero no vacía horizontalmente.

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TERMODINÁMICA

La presión de un tanque que contiene un gas se considera uniforme porque el peso es demasiado pequeño para hacer una diferencia apreciable.

La presión atmosférica se ha estandarizado como la presión producida por una columna de mercurio de 760mm de altura a 0 ºC en un lugar donde la aceleración de gravedad es de 9.8 m/s2 a estas condiciones la presión atmosférica permanece constante a diferencia de la presión barométrica.

Figura. Barómetro

Unidades de Presión más Comunes 1Pa=1N/m21kPa=1000Pa 1MPa=1*106 Pa 1psi=1lbf/plg2 1atm=101325 Pa = 14.697psia 1 bar=1*105 Pa = 0.9869atm = 14.5psia

Ejercicios Propuestos Un gas está contenido dentro de un cilindro émbolo vertical. El émbolo tiene

una masa de 3 kg y un área de sección transversal de 30cm2, si la presión atmosférica es de 95 kPa. Determine la presión dentro del cilindro.

Un manómetro que contiene aceite (ρ=850 kgm/m3) se conecta a un tanque lleno de aire si la diferencia de nivel del aceite entre ambas

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TERMODINÁMICA

columnas es de 45cm y la presión atmosférica es 98 kPa. Determine la presión absoluta del aire en el tanque.

Temperatura Es una propiedad que aun cuando se está muy familiarizado con ella, resulta difícil de definir. El concepto de la temperatura surge de la necesidad de cuantificar las sensaciones de frío y caliente. Hoy en día se conoce la temperatura como una medida del movimiento y del estado vibracional de las moléculas de una sustancia en equilibrio térmico. A mayor energía mayor temperatura. Una sustancia se encuentra en equilibrio térmico cuando su temperatura permanece constante e igual en cada uno de sus puntos.

Escalas de temperaturas Las escalas de temperaturas permiten a los científicos utilizar una basa común para las mediciones de las mismas, están basadas en escalas absolutas y escalas relativas.

El punto cero de las escalas absolutas corresponde a la temperatura más baja a la cual es hombre puede existir o imaginar. A este punto corresponde en la escala absoluta Kelvin, el valor 0 K y 0 R en la absoluta Rankine y a - 273.15 ºC en la escala relativa Celsius y -459.6 ºF en la relativa Fahrenheit.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICAEsta establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre sí. Si sustituimos ese tercer cuerpo por un termómetro diríamos quedos cuerpos están en equilibrio si indican igual temperatura aunque no se encuentren en contacto.

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TERMODINÁMICA

Ejercicios propuestos El medidor de temperatura de un agua contenida en un recipiente indica que la temperatura es de 50 ºC. ¿A cuántos Fahrenheit, Kelvin y Rankine equivale esta temperatura?

Realice las siguientes conversiones

45 °F a °R

23 °C a °R

768 °R a K

985 °R a °C

El reporte del tiempo indica que la temperatura del día es -40 °F. A cuántos Celsius, Kelvin y Rankine equivale esta temperatura.

La temperatura de un sistema disminuye 27 ºF durante un proceso de enfriamiento. Exprese esta reducción de temperatura en ºC, °R, K.

La capacidad calorífica del vapor de agua a 1600 ºC es 10,54 Cal/ (gmol*ºC) exprese este valor en J/gmol*K) y en Btu/ (lbmol*°F).

Ejercicios propuestos 1. Se sabe que la masa de aire contenida en un recipiente de 3x5x20 m es

de 350 kg. Obténgase la densidad, el volumen especifico y el peso especifico.

a) En unidades de SI.b) En unidades de Sistema Ingles.

2. A temperatura ambiente, un metro cubico de agua pesa 9800 N en un lugar donde g: 9.80 m/s2 ¿cuales son su peso especifico y su densidad donde g: 9.77m/s2 ?

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

OBJETIVOS• Presentar la superficie tridimensional para una sustancia pura, con los diagramas proyectados.• Introducir las tablas necesarias para obtener propiedades de sustancias que cambian de fase.• Presentar problemas de práctica que ilustran los conceptos estudiados.

Sustancia pura

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TERMODINÁMICA

Es aquella que tiene mas condiciones químicas fijas por ejemplo agua, helio, nitrógeno, dióxido de carbono. Una mezcla de varias sustancias puras se puede catalogar como tal, pero si están en estado homogéneo.

Una fasees un arreglo molecular diferente, homogéneo en todas sus partes y que separa de las otras fases por fronteras identificables por las condiciones de estado por ejemplo: el agua a temperatura ambiente es líquida pero si la temperatura aumenta se convierte a gas y si la temperatura baja se convierte a sólido

Cambio de fase: desde el punto de vista termodinámico para estudiar los cambios de fase no es indispensable conocer la estructura molecular de una sustancia, pero si es muy útil entender el fenómeno molecular que se da en cada fase. Por ejemplo: Los enlaces fuertes se dan en los sólidos y los más sencillos se dan en un gas. Las fuerzas intermoleculares se dan más fuertes en un sólido que en un gas. La energía interna se da mayor en los gases después en los líquidos y por último los sólidos.

Análisis, Antes de condensar un gas porqué se debe liberar una gran cantidad de energía.

Sustancia simple comprensible: es una sustancia en la cual los efectos magnéticos eléctricos y de superficie no tienen importancia. Fase de equilibrio Vapor-liquido-solidoConsidérese como un sistema cierta masa de agua contenida en un cilindro, el embolo contiene la presión constante. Una vez que se transmite calor al agua a temperatura aumentara de manera considerable y el volumen especifico aumenta ligeramente.

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Sólido

Líquido

Gas

Presión

Temperatura

TERMODINÁMICA

Cuando la temperatura alcanza 100ºc el agua comenzara a evaporizarse la adición de calor no producirá cambio en la temperatura (calor latente). Pero el volumen específico aumentara considerablemente.

Cuando toda el agua se ha vaporizado el suministro de calor se produce aumento de temperatura.

Diagrama T- V

El proceso de calentamiento de agua realizado a una presión atmosférica se puede graficar realizando una variación en la presión, obteniendo el grafico (T-V)En este diagrama se puede observar lo siguiente: La temperatura de ebullición es alta Volumen de liquido saturado es menor Volumen de vapor saturado es menor

Tanto es así, que los tramos de volumen específico de líquido saturado y vapor saturado se encontraran formando un punto, denominado el punto crítico.Este punto crítico ocurre para el agua a 22,09 Mpa y es donde el volumen de líquido saturado y vapor saturado son idénticos, es aquí donde la presión y la temperatura reciben el nombre .temperatura crítica, Tc, presión crítica Pc, volumen crítico Vc.

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TERMODINÁMICA

Ver tablas de valores de propiedades críticas de algunas sustancias…

Nota: a presiones mayores de la crítica no existirá cambió ni distribución de fase y no se distingue el aumento de volumen específico.

Temperatura de saturación Es la temperatura en la cual se efectúa la evaporización a una presión dada.

Presión de saturación Es la presión a la cual se produce la evaporización a una temperatura dada. Para una sustancia pura existe una relación definida entre la presión de saturación y la temperatura de saturación.

La curva que representa esta relación se llama: curva de presión de vapor.

Liquido SaturadoSustancia que esta a punto de evaporarse, es decir se presenta pequeñas trazas de vapor y gran cantidad de fase líquida.

Líquido Comprimido O Sub EnfriadoPor ejemplo cuando se tiene agua a temperatura de 20C y presión de una atmósfera, el agua estará en estado líquido, ahora si se pasa a un pistón y se comprime continuara en estado líquido o subenfriado, es decir que no se logrará el punto de evaporación.

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AGUA (liquido) AGUA (liquido+ vapor)

T = 100cP= 1 atm

TERMODINÁMICA

Vapor SaturadoSustancia que se encuentra en vapor pero que esta a punto de condensar, es decir que se encuentra una mezcla de gas y líquido

Calidad (X)Cuando existe una sustancia en una forma líquida y la otra como vapor a la temperatura de saturación se define como: “la proporción de la masa de vapor entre la masa total”.

X=mg M

Vapor SobrecalentadoEs aquella sustancia en la cual a pesar de que disminuya la temperatura no condensa.

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AGUA (liquido) AGUA (liquido)

T = 20cP= 1 atm

AGUA (vapor + liquido) AGUA (liquido)

T >= 100cP= 1 atm

AGUA (vapor) AGUA (vapor)

T > 20cP= 1 atm

TERMODINÁMICA

Este proceso se da a presión constante con variación de temperatura yen un diagrama de temperatura vs presión se puede representar de la siguiente forma:

Procesos De Cambio De Fase De Una SustanciaExisten varias situaciones prácticas en que dos fases de una sustancia pura existen en equilibrio. Por ejemplo: En un condensador agua (liquida) y agua (vapor) En un refrigerador agua (solidad) y agua (liquida)

DIAGRAMAS DE CAMBIO DE FASELas variaciones en las propiedades de una sustancia durante los cambios de fases, se estudian y comprenden mejor en los diagramas de fases, algunos diagramas de fase son por ejemplo: (T – V, P- V, y P-T)

Diagrama T- V

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Liquido

VaporSobrecalentado

ntado

Liquido +vapor

Temperatura

Presión

1

2

4

3

TERMODINÁMICA

El proceso de calentamiento de agua realizado a una presión atmosférica se puede graficar realizando una variación en la presión, obteniendo el grafico (T -V).En este diagrama se puede observar lo siguiente:A) La temperatura de ebullición es altaB) Volumen de liquido saturado es menorC) Volumen de vapor saturado es menor

Tanto es así, que los tramos de volumen específico de líquido saturado y vapor saturado se encontraran formando un punto, denominado el punto crítico.

Este ocurre para el agua a 22,09 Mpa y es donde el volumen de líquido saturado y vapor saturado son idénticos, es aquí donde la presión y la temperatura reciben el nombre .temperatura crítica, Tc, presión crítica Pc, volumen crítico Vc.

Ver tablas de valores de propiedades críticas de algunas sustancias…

Nota: a presiones mayores de la crítica no existirá cambió ni distribución de fase y no se distingue el aumento de volumen específico.

Diagrama P – VEste diagrama es similar al (T- V), pero las líneas constantes de temperatura presentan tendencias hacia abajo, y el procesos es similar si la presión es

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TERMODINÁMICA

constante en ambos casos se registra un aumento en el volumen especifico del agua.

Temperatura Rocío= temperatura a la cual el vapor puede condensarTemperatura Burbuja = temperatura a la cual el liquido puede evaporar (formar las primeras burbujas de vapor)

Presión de Vapor sobrecalentado= región se puede apreciar la fracción de vapor o la fase de vapor, aquí la temperatura y la presión es independiente en este puntoP < PsatT> TsatV>Vg a una P o TU> Ug a una P o Th>hg a una P o T

DIAGRAMA DE FASE PARA SÓLIDOSLos diagramas de fase para líquido y vapor son y se pueden extender para los sólidos, es así que tendremos las regiones de sólido vapor, y sólido liquido.La mayoría de las sustancias se contraen durante los procesos de solidificación por ejemplo el congelamiento.

Pero el agua es una de las sustancias se expande al congelarse, el que el hielo no contraiga tiene sus ventajas no se va al fondo del océano, es liviano y los rayos del sol lo penetran fácilmente.

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TERMODINÁMICA

DIAGRAMA PVT El estado de una sustancia descrito por las variables P- V- T, que representan una superficie en el espacio de las composiciones z= f(x, y), y para su estudio se hace mejor en sistemas bidimensionales.

TABLAS DE PROPIEDADES

Las propiedades para algunas sustancias de uso común y cotidiano en la industria, por la complejidad de sus funciones que se tiene para calcularse, se han consignado en tablas de propiedades definiéndose los estados de equilibrio de líquido y vapor saturado, a diferentes presiones y temperatura.Se obtienen las propiedades para el vapor de agua, propiedades como lo son:

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TERMODINÁMICA

Volumen especifico de líquido saturado vfVolumen específico de vapor saturado vgVolumen específico de vaporización vfg = vg – vf

T Pat Vf VgC kpa m3/kg m3/kg85 57,83 0,001033 2,82890 70,14 0,001036 2,36195 84,55 0,001040 1,982

Ejercicio1Uso de la tabla de propiedades de vapor

Un tanque de almacenamiento contiene 50 Kg. de agua líquida a 90c se desea determinar la presión en el tanque y el volumen de este. Puesto que el agua esta a 90c se encontrara como agua saturada, Ptanque =Psaturación = 70,14 kpa vf = 0,001036 m3/kg El volumen del tanque total es V= v*m = 50kg*0,001036 m3/kg = 0,0518 m3

Ejercicio2.Un cilindro contiene 2 pie 3 de vapor de agua a 50 psia, determine la temperatura de vapor y la mas a de vapor dentro del cilindro.T = Tsat = 281, 03 FVg= 8, 518pie3/lbmV= v*m despejando m = V/v = 2pie3/8,518pie3/lbm = 0,235lbm

MEZCLA SATURADA DE LÍQUIDO VAPOR

Durante un proceso de evaporación se da una mezcla de líquido y vapor, de la cual debemos conocer las proporciones de líquido y de vapor, por lo que se hace necesario definir la calidad.

Calidad es la relación de la masa de vapor y la masa total.X= m.vapor / m.totalm.total= m.liq + m.vapor = mf + mg

La calidad tiene una importancia para líquidos saturados o vapor saturados su valor desde (0 – 1) por lo anterior:

V= vf + vgV= m.total + v.total = mfvf + mgvgm.total = mf + mg mf = m.total – mg

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TERMODINÁMICA

LÍQUIDO COMPRIMIDO

Para los líquidos existen muy pocos datos pues, los líquidos son función y=f (T) más de la presión y la que más se ve afectada es la entalpía, y se suele tratar como un líquido saturadoh= hf + vfP (P – Psat)

Un líquido comprimido se caracteriza por presiones de saturación. más alta que la presión de trabajo.

Psat > P A una presión baja la temperatura de saturación es mayor q la temperatura de operación.

Tsat > T Volúmenes de líquidos mayores que los específicos de trabajo vf > v.

Ejercicio1Un tanque contiene 10kg de agua a 90c, si 8 kg, de agua están en la forma líquida y el resto vapor, determine la presión en el tanque y el volumen ocupado por cada fase:

Temperatura de 90C = P=Psat = 70,14 kpa vf , y vg , entonces V= vf +vgo por calidad X=mgas/m.total = 2kg/8kg = 0,2v = vf + xvfg = 0,001 + 0,2*0,0034=0

Ejercicio 2Determine la temperatura del agua a P= 0,5 Mpa, h = 2890 kj/kghg = 2748,7 kj/kg puesto h >hg, es vapor sobrecalentado.Interpolando se obtiene:T (C), H kj/kg200 2855,4

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TERMODINÁMICA

X 2890250 2960 x= T =216,4C

Ecuaciones De Estado De Gas IdealUna ecuación de estado es una ecuación que relaciona, para un sistema en equilibrio termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general:

No existe una única ecuación de estado que describa el comportamiento de todas las sustancias para todas las condiciones de presión y temperatura.

Ecuación de estado de un gas ideal.La ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando este se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta.

En estas condiciones la densidad del gas es muy baja, por lo que pueden hacerse las siguientes aproximaciones:

No hay interacciones entre las moléculas de gas. El volumen de las moléculas es nulo.

La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llama ecuación de estado de un gas ideal. Es el resultado de combinar dos leyes empíricas validas para gases muy diluidos: la ley de Boyle y la ley de Charles.

Ley de BoyleLa ley de Boyle da una relación entre la presión de un gas y el volumen que ocupa a temperatura constante. Dicha ley establece que el producto de la presión por el volumen de un gas a temperatura constante es constante. Matemáticamente:

Ley de Charles Establece que a presión constante, el cociente entre el volumen que ocupa un gas y su temperatura, expresada en kelvin (K), es una constante.

Matemáticamente, la ley de charles se expresa:

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TERMODINÁMICA

Combinado en una sola ecuación la ley de Boyle y la ley de Charles se obtiene:

Para un mol de gas, la constante que aparece en el Segundo miembro de la ecuación anterior es la constante universal de los gases ideales R, por lo que la ecuación de estado de un gas ideal es:

Donde n es el número de moles.El valor de R en el sistema internacional es:

Isotermas de un gas idealLa ecuación de estado de un gas ideal depende de tres variables ((p, V, T), pero es posible representarla en dos dimensiones con ayuda del diagrama de clapeyron o diagrama p-V. Si en la ecuación de un estado de un gas ideal se fija el valor de la temperatura, la ecuación resultante es:

Que es la ecuación de la hipérbola. Gráficamente

Cada valor de la temperatura sustituido en la ecuación de estado da lugar a una hipérbola. Por construcción, todos los puntos de una misma hipérbola corresponden a estados en el que el gas ideal se encuentra a la misma temperatura, por lo que se denominan isotermas. Cuanto mayor es la temperatura, más arriba en el diagrama de capearon se encontrara su isoterma correspondiente.

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TERMODINÁMICA

Ecuación de estado igual a cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se denomina ecuación de estado.

Robert Boyle P = P (T/V)Gay lussac PV = RT a bajas presionesDonde en esta relaciónP= presión absolutaT = temp. AbsolutaR = const. De los gases ideales

NOTA: Los valores de la constante de gas ideal R son:8,314 kj/kmol K8,314 kpa m3/kmol k0,08314 bar m3/kmol k1,986 Btu/lbm R10,73 psia pie3/lbm R1575 pie lbf/lbmol R

Los gases a temperatura alta y presiones bajas tratan de comportarse como un gas ideal y son ellos por ejemplo el O2, N2, H2, CO2.

Pero el vapor de agua y gases de refrigeración que son gases densos no deben tratarse como gases ideales, deben calcularse sus propiedades utilizando las tablas de propiedades utilizando las tablas de propiedades u otras ecuaciones de estado.

UNIDAD: 3FUNCIÓN DE ESTADO Y ECUACIÓN DE ESTADO

FACTORES DE COMPRESIBILIDAD Es un factor que corrige la desviación del comportamiento ideal, es cuando un gas está muy cerca de la temperatura crítica o de la temperatura de vapor – saturado

La ecuación queda de la siguiente forma:PV = ZRTDonde Z =1 para gases ideales

Z> 1 o Z< 1 para gases reales

Análisis: un gas se comporta como un gas ideal a temperatura alta y presión baja, pero en realidad esto depende de la presión critica, temperatura critica de un gas, y cuando se encuentra lejos de estas propiedades, pero experimentalmente se dice que se comporta de la misma manera a temperaturas y presiones normalizadas, respecto a su TC y Pc.

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TERMODINÁMICA

Presión reducida es la relación de Presión con la presión crítica PR=P/Pc

Temperatura reducida es la relación de la temperatura con la temperatura crítica

TR= T/Tc

Conocidas estas condiciones se puede utilizar la grafica para sustancias puras, para calcular el factor de compresibilidad Z,

EjercicioDetermine el volumen específico para vapor de agua a 1Mpa,A) Utilizando las tablas de vaporB) La ecuación de estado de gas idealC) La ecuación de estado involucrado el factor de compresibilidadD) Calcule el error en los ítems b y c.R/ el valor de z real es 0,78

EjercicioDetermine la presión del vapor de agua a 600 F, y 0,514 pie3/lbm, empleando:a) las tablas de vaporb) la ecuación de gas idealc) la ecuación de gas ideal utilizando Z,d) calcule el error para las casos b y c

ECUACIONES DE ESTADOEs necesario para manejar sustancias y mezclas de sustancias utiliza otras ecuaciones de estado que más garanticen resultados en ambas fases ( L y V ), y para zonas e intervalos de trabajo más amplio de T y P.

Ecuación de Vander Waals

Tiene en cuenta la fuerza de atracción intermolecular y el volumen ocupado por las propias moléculas

UNIDAD: 4PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

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TERMODINÁMICA

OBJETIVOS• Aplicar la primera ley a un proceso que comprenda un sistema.• Introducir los conceptos de entalpía y calores específicos.• Presentar problemas de aplicación con la primera Ley de la Termodinámica.

INTRODUCCIÓNEl consumo energía es uno de los parámetros para medir el progreso y bienestar de una sociedad. América Latina es la parte del mundo que más depende del petróleo. Pero esta fuente de energía se agota en el mundo.

El Potencial de energía eólica, geotérmica y de biomasa es enorme en América central y del sur.

Cuan importantes serán las energías renovables en el futuro, se estima que hasta el año 2020 el consumo de electricidad aumentará anualmente entre un 3,2 % y un 5,6 %.

En la actualidad se sigue buscando otras formas de energía que no conduzcan problemas consigo, como la contaminación, el aumento del efecto invernadero y la perforación de la capa de ozono, precisamente se apuntan a las energías alternativas.

No solo la energía solar puede ser empleada para generar electricidad utilizando el efecto fotoeléctrico, sino en paneles solares domésticos que calienta el agua para las duchas. Con ello se ahorran unos metros cúbicos de gas natural y se evitan la emisión de toneladas de anhídrido.

Primer Principio De La Termodinámica

Este principio o ley de la conservación de la energía expresa lo siguiente:“La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma”.

Más modernamente se enuncia como primer principio de la termodinámica al siguiente postulado:“El trabajo que un sistema intercambia con el medio en una transformación adiabática, depende del estado inicial del que parte y del estado final a que llega; con independencia de los estados intermedios por los que el sistema pasa”.

Ecuación De Energía De Sistemas Cerrados Sin Flujo

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TERMODINÁMICA

Un sistema es cerrado y sin flujo cuando está contenido en un recinto cerrado por paredes de modo que no existe intercambio de masa con elmedio exterior. La expresión matemática de la energía que se define es.Q = dU+ W

Si suponemos ahora que el sistema cerrado que consideramos, ha descrito un ciclo. Es decir que el estado final coincide con el inicial será U2=U1 y la ecuación se reduce a:dQ = dWLa anterior ecuación será en consecuencia la expresión matemática del primer principio para el caso de un sistema cerrado que describe un ciclo termodinámico.

Ya hemos descrito la energía interna como una consecuencia del estado molecular de un sistema dado de un fluido. Ahora bien aceptada la primera ley, demostraremos que como una consecuencia de ella existe la energía interna y es una propiedad.U2 – U1 = ∫(dQ – dW)

ENERGÍA INTERNA.

La energía interna es una función de estado y como tal su variación solo depende del estado inicial y del estado final y no de la trayectoria o camino seguido para realizarlo.

La energía interna de un sistema es una función de estado, pero el calor y el trabajo no lo son. El calor y el trabajo desarrollados en un proceso son

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TERMODINÁMICA

función de la trayectoria que siga el proceso. Calor y trabajo no son propiedades del sistema, son solo formas de modificar la energía del mismo.

Un sistema posee un determinado contenido energético debido a las características del mismo, como pueden ser la velocidad de sus moléculas, la vibración y rotación de los átomos, la distribución de los núcleos y los electrones. Este contenido energético se conoce con el nombre de ENERGÍA INTERNA.

PRIMERA LEY APLICADA A UN PROCESO

La primera ley de termodinámica se aplica con frecuencia a un proceso cuando el sistema cambia de un estado a otro.

LA ENTALPÍA

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TERMODINÁMICA

La Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste ppuede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción.

En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización.

En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf J.E. Clausius en 1850. Matemáticamente, la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen. H se mide en joule.

H = U + pV

Cuando un sistema pasa desde unas condiciones iniciales hasta otras finales, se mide el cambio de entalpía ( Δ H).

ΔH = Hf – Hi

La entalpía recibe diferentes denominaciones según el proceso, así: Entalpía de reacción, entalpía de formación, entalpía de combustión, entalpía de disolución, entalpía de enlace, etc; siendo las más importantes:

ENTALPIA DE REACCIÓN:

Es el calor absorbido o desprendido durante una reacción química, a presión constante.

ENTALPÍA DE FORMACIÓN:

Es el calor necesario para formar un mol de una sustancia, a presión constante y a partir de los elementos que la constituyen.

Ejemplo: H2 (g) + ½ O2 (g) = > H2O + 68.3Kcal

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TERMODINÁMICA

Cuando se forma una mol de agua (18 g) a partir de hidrógeno y oxígeno se producen 68.3 Kcal, lo que se denomina entalpía de formación del agua.

ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN:

Es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema un mol de sustancia.

Ejemplo: CH4 (g) + 2O2 (g) => 2CO2 (g) + 2H2O (l) ΔH = -212.8 Kcal

Lo que significa que cuando se queman 16 g de metano se desprenden 212.8 Kcal.

Estas entalpías se determinan normalmente a 25°C y 1 atm. Para determinar la entalpía estándar de formación de las sustancias, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

1. La entalpía estándar de formación de los elementos puros, libres y tal como se encuentran en su estado natural es cero.

Por ejemplo: H2 (g), O2 (g), N2 (g), Cl2 (g), Na (s), etc, tienen

ΔHf25° = 0, donde Δ Hf25

° es la entalpía estándar de formación.

2. El carbono se presenta a 25°C 1 atm de presión y en el estado sólido, de varias formas: diamante, grafito, antracita, hulla, coke, etc, pero su estado estándar se define para el grafito, o sea ΔHf25

° del grafito es igual a cero.

3. El azufre se presenta en dos estados alotrópicos, el rombico y el monocíclico; su entalpía estándar se define para el rómbico o sea ΔHf25

° del rómbico es igual a cero.

ENTALPÍA ESTÁNDAR DE UNA ECUACIÓN GENERAL:

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TERMODINÁMICA

Se calcula restando las entalpías estándares de formación de los reactivos de las entalpías estándares de formación de los productos, como se ilustra en la siguiente ecuación:

Capacidad calorífica: se definen las capacidades caloríficas a volumen

constante (Cv) y a presión constante (Cp) y respectivamente.

También se utiliza el término calor específico para indicar la capacidad calorífica expresada con base a la unidad de masa, para rangos no demasiado amplios de temperatura se puede considerar a las capacidades caloríficas como independientes de la temperatura. Para líquidos y sólidos Cv y Cp se pueden considerar prácticamente iguales. Para los gases ideales Cp = Cv +R.Con objeto de dar un significado físico a la capacidad calorífica, se puede pensar que representa la cantidad de energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia.

Si consideramos la dependencia de la capacidad calorífica a presión constante Cp, con la temperatura y teniendo en cuenta que casi todas las ecuaciones para Cp de sólidos y líquidos son empíricas, se expresa mediante una serie de potencias, con constantes a, b, c, etc. por ejemplo:

Cp = a + bT + cT2 + dT3

CALORES LATENTES

Los calores latentes son una medida del calor intercambiado cuando varía la variable de deformación o la fuerza generalizada en un proceso isotermo. Las expresiones son las siguientes: para el calor latente variando la variable

de deformación   , para el calor latente variando la fuerza

generalizada   .

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TERMODINÁMICA

CALORES LATENTES DE TRANSICIÓN

Hasta ahora hablamos de sistemas en una sola fase, pero puede suceder que al intercambiar energía térmica el sistema cambie de fase (por ejemplo de sólido a líquido) detectable por la variación de sus variables físicas. En un sistema hidrostático las transiciones de fase tienen lugar a presión y temperatura constantes, mientras dura la transición el agua pasa a hielo sin que varíe ni la temperatura ni la presión del sistema. El calor latente de transición es el calor intercambiado por unidad de masa mientras dura la transición:

ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE DE ENERGIA

La ecuación general del balance de energía se expresa de la siguiente forma:

Acumulación de energía = transferencia de energía _ transferencia de energía

Dentro del sistema a través de la frontera fuera de la frontera

del sistema

+ energía generada dentro - energía consumida dentro

del sistema del sistema

Esta ecuación puede ser aplicada a un equipo individual o a toda una planta. 1. No hay acumulación de energía dentro del sistema2. No hay generación de energía dentro del sistema3. No se consume energía dentro del sistema

Si introducimos esas simplificaciones la ecuación (6) se reduce a:

Transferencia de energía a través = Transferencia de energía fuera de la frontera del sistema de la frontera del sistema

BALANCES DE ENERGIA PARA SISTEMAS CERRADOS

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TERMODINÁMICA

Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo que exista o no transferencia de masa a través de la frontera del sistema durante el período de tiempo en que ocurre el balance de energía. Por definición un proceso intermitente es un proceso cerrado y los procesos semiintermitente y continuo son sistemas abiertos.

Una ecuación integral de balance de energía puede desarrollarse para un sistema cerrado entre dos instantes de tiempo. Energía final del sistema – energía inicial del sistema = energía neta transferidaEnergía inicial del sistema = Ui + Eci + EpiEnergía final del sistema = Uf + Ecf + EpfU = energía internaEc = energía cinéticaEp = energía potencialEnergía transferida (E) = Q + W

E = Et2 –Et1

Los subíndices se refieren a los estrados inicial y final

(Uf - Ui) + (Ecf - Eci) + (Epf - Epi) = Q +W

Si utilizamos el símbolo para indicar diferencia se tiene:U + Ec + Ep = Q + W luego,

E = Q + W Donde E representa la acumulación de energía en el sistema asociada a la masa y está compuesta por: energía interna (U), energía cinética y energía potencial (P).

La energía transportada a través de la frontera del sistema puede transferirse de dos modos: como calor (Q) o como y trabajo (W)Q y W representan la transferencia neta de calor y trabajo, respectivamente, entre el sistema y su entorno Si E = 0; Q = - WLa ecuación (7) es la es la forma básica de la primera ley de la termodinámica

BALANCE DE ENERGIA PARA SISTEMAS ABIERTOS EN REGIMEN ESTACIONARIO

Por definición en un sistema abierto se observa la transferencia de materia a través de sus fronteras cuando ocurre un proceso. Debe realizarse trabajo sobre el sistema para que exista una transferencia de materia hacia él y la masa que sale del sistema realiza trabajo sobre los alrededores (entorno)

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TERMODINÁMICA

ambos términos de trabajo deben incluirse en la ecuación de balance de energía.

En la ecuación de balance de energía para un sistema abierto debemos incluir la energía asociada a la masa que entra y sale del sistema, con lo cual se tiene:

Significa lo que entra lo que sale del sistema menos lo que entra si consideramos régimen estacionario: E entrada = E salida; E = 0, no hay acumulación de energía por lo que tenemos:

Si se considera que no hay variación de energía potencial ni de energía cinética y que W = 0 se tiene:

Q = H = Hproductos - Hreactivos

TRANSICIONES DE FASE

Cuando ocurren cambios de fase de sólido a líquido, líquido a vapor y viceversa, ocurren grandes cambios en el valor de la entalpía de las sustancias. Estos cambios se denominan “Calor latente” y es constante referido a la unidad de masa (valores se encuentran en tablas).

Los cambios de entalpía que tienen lugar en una sola fase se conocen como cambios de “Calor sensible” En los cambios de fase tenemos: calor de fusión, calor de evaporación, calor condensación y calor de sublimación.

Ejercicios   

Dieciséis cubos de hielo, cada uno con una temperatura de -10 ºC y un volumen de 8 mililitros, se agregan a un litro de agua a 20 ºC en el recipiente aislado de la figura 2. ¿Cuál es la temperatura de equilibrio del agua? Utilice (cp.)hielo= 2.1 kJ/kg ºC. Hielo= 917 kg/m3.

¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40 gr. de hielo a -10°C a vapor a 110°C?

UNIDAD: 5TRABAJO Y CALOR

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TERMODINÁMICA

OBJETIVOS• Introducir el concepto básico de trabajo y calor.• Introducir los conceptos básicos de transferencia de calor incluyendo conducción, convección y radiación.• Presentar ejemplos y problemas de práctica que ilustran los conceptos estudiados.

INTRODUCCIÓNEn la Física se analizan formas de energía como energía cinética y la potencial gravitatoria , así como otras formas de energía incluyen la energía almacenada en una batería energía almacenada en un condensador eléctrico, energía potencial electrostática y la energía química debida al enlace de átomos y entre partículas subatómicas que tiene una gran importancia para el químico. El estudio de los principios de la termodinámica permite relacionar los cambios de estas y otras formas de energía dentro de un sistema con las interacciones energéticas en las fronteras de un sistema.

NATURALEZA DE LA ENERGÍAAl mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía.

La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza, es decir, la energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. La energía puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, química y nuclear, cuya suma conforma la energía total E de un sistema. Todos los tipos de energía E pueden clasificarse o como energía cinética (Ec) debido al movimiento de un cuerpo, o bien como energía potencial (Ep) debida a la posición de un cuerpo relativa a un campo de fuerzas de otros cuerpos.

Trabajo

En termodinámica, el trabajo puede ser considerado como energía que se transfiere a través de la frontera de un sistema, por ejemplo el sistema que contiene gas en un cilindro. La convención escogida para el trabajo positivo es que si el sistema realiza trabajo sobre el entorno, es positivo, por el

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TERMODINÁMICA

contrario si se adiciona energía o trabajo al sistema, es trabajo negativo. Las unidades de trabajo en el sistema SI, Newton –metro (N-m) o Joules [J], en el sistema inglés, las unidades son ft-lbf.

1 Btu= 778 ft-lbf

En mecánica, el trabajo efectuado por una fuerza aplicada sobre una partícula durante un cierto desplazamiento se define como la integral del producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento. El trabajo es una magnitud física escalar, y se representa con la letra (del inglés Work)

En termodinámica el trabajo que se realiza cuando un gas se expande o se comprime ejerciendo una presión desde un volumen A hasta otro volumen B viene dado por

El trabajo es, en general, dependiente de la trayectoria y, por lo tanto, no constituye una variable de estado. La unidad básica de trabajo en el Sistema Internacional es newton × metro y se denomina joule o julio, y es la misma unidad que mide la energía. Por eso se entiende que la energía es la capacidad para realizar un trabajo o que el trabajo provoca una variación de energía.

Criterio de signos termodinámico

El criterio de signos que se suele utilizar en termodinámica para evaluar los intercambios entre un sistema y el entorno de energía en forma de calor y trabajo es el siguiente según la IUPAC (International Unión of Pure and Applied Chemistry):

Positivo para el trabajo cedido por el sistema y el calor entregado al sistema.

Negativo para el trabajo entregado al sistema y el calor cedido por el sistema.

De este modo el trabajo se define como una transferencia de energía que puede expresarse según la siguiente ecuación en un proceso reversible.

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TERMODINÁMICA

Por ejemplo, en una expansión isobárica, el volumen final VB es mayor que el volumen inicial VA, luego

Y el sistema realiza un trabajo sobre su entorno, cediendo trabajo para pasar el estado inicial A al estado final B, luego WAB > 0

El Calor

Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.

El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

CALOR GENERADO POR LA COMBUSTIÓNLa combustión es la reacción química violenta de dos cuerpos el comburente (oxígeno) y el combustible que se produce con gran desprendimiento de calor. Químicamente definimos como una oxidación instantánea del combustible frente al contacto del oxígeno.

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TERMODINÁMICA

En este capítulo tratamos con las reacciones de combustión expresadas en la forma siguiente. Combustible + Comburente --->ProductosProceso Polintropico

Una transformación politrópica es un cambio de estado en el que varía todas las propiedades (presión, volumen, temperatura, entropía, entalpía, etc.). También en este proceso existe transmisión o transferencia de calor y para su análisis se lo considera a este proceso como internamente reversible. En las figuras siguientes mostramos los diagramas p-V y T-s, para un proceso politrópico

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TERMODINÁMICA

 UNIDAD: 6

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA OBJETIVOS•Introducir los conceptos básicos y definiciones requeridos por la segunda ley de la Termodinámica.•Introducir el concepto de entropía.•Presentar el ciclo y la máquina de CARNOT.

IntroducciónEl primer principio de la termodinámica, nos permite afirmar que las diversas formas de energía son equivalentes, pero no nos dice nada en cuanto a la posibilidad de la conversión de un cierto tipo de energía en otro y a las limitaciones que pueden o no existir  para dicha transformación. Es el segundo principio el que nos indicará las limitaciones que existen en las transformaciones energéticas.

Enunciado de la segunda ley de la termodinámica. Enunciado de Carnot.

Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832)Para entender adecuadamente el enunciado de Carnot del segundo principio debemos, en primer lugar, definir lo que se entiende en él por  máquinas térmicas.

 Se entiende por máquina térmica todo equipo que transforma calor en trabajo mecánico operando cíclicamente. Es decir, que toda máquina térmica está constituida por ciertos mecanismos y algún fluido que evoluciona en ellos, de manera que al describir dicho fluido un ciclo termodinámico se produce la conversión de una cierta cantidad de calor en trabajo mecánico. Con dicho concepto de máquina térmica el enunciado de Carnot puede expresarse:

“Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura, que denominaremos fuente caliente, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura, que llamaremos fuente fría”

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TERMODINÁMICA

El esquema representativo de una máquina térmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot según Kelvin – Planck

El enunciado de Kelvin – Planck es el siguiente:“Es imposible construir una máquina con un solo depósito de calor que, mientras funcione siguiendo un ciclo, produzca otros efectos que el de realizar trabajo a base de tomar calor de dicho depósito enfriándolo”.

Este enunciado de Kelvin- Planck exige que cualquier dispositivo cíclico que produzca un trabajo neto intercambie calor por lo menos con dos fuentes térmicas a diferentes temperaturas.

Esquema del enunciado de Kelvin‐Planck.

Según ClausiusClausius estudia las posibilidades de intercambio de calor entre dos fuentes adiferentes temperaturas. El mismo expresa.

“Es imposible la existencia de un sistema que pueda funcionar de modo que su único efecto sea una transferencia de energía mediante calor de un cuerpo frío a otro más caliente”.

EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOSLa equivalencia entre los enunciados de Carnot, Kelvin y Planck es evidente y nonecesita demostración. Para demostrarla equivalencia entre el enunciado de Kelvin

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TERMODINÁMICA

PROCESOS IRREVERSIBLESSe dice que un proceso es irreversible si, una vez que el proceso ha tenido lugar, resulta imposible devolver al sistema y a todas las partes del entorno a sus respectivos estados iniciales.

Un ejemplo de las transformaciones naturales es el rozamiento cuando se produce el desplazamiento de un cuerpo sólido cuando está en contacto con otro.

En resumen los procesos irreversibles incluyen una o más de las siguientesIrreversibilidades - Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas.- Expansión libre de un gas ó líquido hasta una presión más baja.- Reacción química espontánea.- Mezcla espontánea de sustancias con diferente composición o estado.- Rozamiento- tanto de deslizamiento como de viscosidad en el seno de un fluido.- Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica.- Magnetización o polarización con histéresis.- Deformación inelástica.

LA ENTROPÍA BASE DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Muchos de los fenómenos tienen naturaleza direccional, sin embargo los enunciados presentados necesitan una forma analítica aplicable a los procesos energéticos. Es ahora que se muestra la expresión matemática para la propiedad llamada entropía.

Si los procesos son todos reversibles, ningún trabajo neto tendrá que suministrarse, en otras palabras, la integral cíclica de dWA es igual a cero y, por tanto, podemos escribir la expresión de la desigualdad de Clausius: Esta ecuación conduce a un resultado importante. Si la integral a lo largo del ciclo arbitrario de una magnitud es cero, entonces la magnitud es una propiedad y se le ha dado el nombre de entropía, llamada también Ecuación de la segunda Ley de la Termodinámica.

EFICIENCIA O RENDIMIENTO DE UNA MÁQUINA TÉRMICA

En términos generales el rendimiento es igual al servicio sobre el gasto, es decir la producción obtenida sobre el consumido.

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TERMODINÁMICA

Problemas

Dos máquinas térmicas reversibles están conectadas en serie entre dos fuentes de calor a temperaturas T1 =

900 ºC y T2 = ‐70 ºC. La fuente de mayor temperatura entrega a la primera máquina una cantidad de calorde 400 Kcal, con un rendimiento térmico del 30 %. Determinar:a) La temperatura intermedia Ti a la que cede calor la primera máquina y recibe la segunda.b) El trabajo producido por cada una de las máquinas.c) El calor entregado por la segunda máquina a la fuente fría.d) El rendimiento térmico de toda la instalación.

Una máquina térmica de Carnot opera entre una fuente caliente a 720 ºC y un

sumidero a 27 ºK. Si la máquina térmica recibe calor a una tasa de 600 kJ/min,Determine a) La eficiencia térmica b) La salida de potencia de esta máquinac) el flujo de calor que libera la máquina térmica.

Un ciclo de Carnot trabaja con 0,908 kg de aire, entre los límites de 21º C y 260º C. La presión al principio de la expansión isotérmica es de 30 bar abs. y al final de la expansión isotérmica de 15 bar abs. Calcular:

a) El volumen al final de la compresión isotérmica, en m3.b) El calor añadido y rechazado, en kJ.c) El trabajo neto del ciclo, en kJ.d) El rendimiento térmico.e) La relación de expansión general.f) La presión media del ciclo, en bar.

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TERMODINÁMICA

Bibliografía

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