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TERMODINAMICAProfesor: JOSE DARIO ABRIL ALVAREZIng. MECANICO (Universidad industrial de Santander)Esp. Docencia Universitaria.Estudios en lubricacin, termodinmica del gas natural Diseo y Construccin de Tanques de Almacenamiento de Combustibles. Diseo de maquinaria agrcola AGROTEC BogotInv. Fenmenos de temperatura en accesorios de gasoductos. ECOGASActividades de investigacin para gas vehicular I.C.P.Docente universitario de las U.T.SDocente Universitario de la U.P.B. Trabajo dando asesoras en consorcios que trabajen en el rea de transporte de combustibles.

NOTAS : dos cortesSeguimiento (25%): mnimo 4 notasParcial (25%)AdicionalesVisitas tcnicas.Trabajos trmicos

Asesoras

TERMODINAMICAes la ciencia de la energaEs una ciencia que estudia la energa y la entropaEs la ciencia que trata del calor, del trabajo y de las sustancias; trata de las propiedades de las sustancias que tienen relacin con la energa (calor y trabajo)En conclusin la termodinmica habla:De las sustancias, de las propiedades de las sustancias.Del calor y del trabajo.De la energa y de la calidad de la energa

LEYES DE LA TERMODINAMICASe basa en la observacin experimental. De ah la importancia de sus propiedades

Estos experimentos han construido la cienciaPrimera ley de la termodinmica (energa)Segunda ley de la termodinmica (calidad de la energa)Tercera de la termodinmica. (entropa)Cuarta ley de la termodinmica (temperatura)La cuarta ley precede a la primera ley y se llama tambin ley cero de la termodinmicaEl objetivo del cursoHacer una comprensin clara profunda de las leyes termodinmicas de las sustancias y sus propiedades, relacionndolas con las leyes para desarrollar la habilidad de aplicarlas en los procesos industrialesSISTEMA TERMODINAMICOES UNA CANTIDAD DE MASA FIJA O UNA REGION EN EL ESPACIO ELEGIDA PARA SU ANALISISUn sistema puede ser cualquier objeto, masa, regin del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo dems, que pasa a ser el entorno del sistema. El sistema y su entorno forman el universo. La distincin entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador ha escogido para estudiar.La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa del entorno se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales.8Alrededores (entorno o medio exterior): la masa o regin fuera del sistema demarcado.Frontera: superficie real o imaginaria que separa el sistema de su entorno. (puede ser fija o mvil)

9Los sistemas termodinmicos se dividen en dosSistema cerrado (SISTEMA): Es una cantidad de masa fija (masa constante; m= cte) la cual estamos analizando. Solo se intercambia energa con su entorno.

Sistema abierto (VOLUMEN DE CONTROL): es una regin en el espacio seleccionada para un estudio. No podemos especificar la masa dentro de ella. Entra masa y/o sale masa. Se intercambia energa y masa con su entornoSISTEMAVOLUMEN DE CONTROL

Sistemas aislados, cerrados y abiertos

Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energa con su entorno. Sistema cerrado es el sistema que slo puede intercambiar energa con su entorno, pero no materia. Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energa con su entorno.

Propiedades termodinmicasEs cualquier caracterstica observable de un sistema termodinmico.Presin, temperatura, volumen, etc.

Las caractersticas termodinmicas deben ser observables y mediblesSe dividen:PROPIEDADES INTENSIVASPROPIEDADES EXTENSIVASPROPIEDADES ESPECIFICASPROPIEDADES INTENSIVASSon propiedades independientes de la masa.

Se denotan con letras maysculas.

Presin P

Temperatura T

Densidad D ()Son aquellas que dependen de la masa.Se denotan con letras maysculas.

Volumen V

Energa E

Masa m

PROPIEDADES EXTENSIVASSon propiedades extensivas que se dividen en la mas para convertirlas en intensivas, se nombran con letras minsculas,El volumen especifico v = V/m

La energa especifica e = E/mPROPIEDADES ESPECIFICAS

LA MATERIAFase: esta definida como una cantidad de materia homognea en todas sus partesSe distinguen tres fases

Fase solida

Fase liquida

Fase gaseosaEn cada fase la materia puede encontrarse en varios estadosLos estados son diferentes a las fases, las fases son tres, mientras los estados son infinitos

La fase se puede definir como cuerpo homogneo de materia (slido, lquido o gas) con fronteras definidas hacia otras fases, y que puede ser separado mecnicamente de las otras fases.

Un sistema puede estar compuesto por una fase (sistema homogneo) o por dos o ms fases (sistema heterogneo). Estados de la materiaLos estados de la materia lo definen las propiedades del sistema.

Estado: lo definen las propiedades del sistema. (presin, temperatura, densidad, masa, etc.)

Cada una de las propiedades de una sustancia tiene un valor nico y siempre tendr ese valor.

Las propiedades entonces depende del estado del sistema y no de la trayectoria del proceso.

Son funciones exactas; son funciones de punto.La termodinmica solamente es til cuando se aplica a sistemas en equilibrio.Si un sistema en equilibrio es perturbado, la termodinmica puede predecir el nuevo estado de equilibrio, pero no puede predecir como, que tan rpido o si se alcanzar ese estado de equilibrio.22EQUILIBROUn sistema est en equilibrio termodinmico cuando no se observa ningn cambio en sus propiedades termodinmicas a lo largo del tiempo.

Este estado tiene dos atributos:

En un sistema en equilibrio ninguna de sus propiedades cambian con el tiempo.

2. Un sistema en equilibrio retornar a ese estado despus de haber sido perturbado, esto es, al cambiar ligeramente uno o ms parmetros y regresarlos nuevamente a sus valores originales.

Cualquier sistema que tenga gradientes de temperatura, presin o composicin, tender a cambiar hasta eliminar esos gradientes.

P. ej. Una lava emplazada en la superficie, no est en equilibrio con el aire que la rodea, y se enfriar.

23Tipos de EquilibrioEquilibrio mecnico presin permanece contante.Equilibrio trmico temperatura permanece constante.Equilibrio volumtrico el volumen permanece constanteCUANDO TODAS LAS PROPIEDADES SON LAS MISMAS A TRAVES DE TODO EL SISTEMA SE DICE QUE HAY EQUILIBRIO TERMODINAMICO.CONCLUSION:CUANDO UN SISTEMA ESTA EN EQUILIBRIO EN RELACION CON CUALQUIER POSIBLE CAMBIO DE ESTADO HAY EQUILIBRIO TERMODINAMICO.

POSTULADO DE ESTADO

EL ESTADO DE UN SISTEMA LO DEFINEN SUS PROPIEDADES.NO ES NECESARIO ESPECIFICAR TODAS SUS PROPIEDADES.UNA VEZ SE DEFINE ALGUNAS DE SUS PROPIEDADES EL RESTO DE ELLAS ASUME SU VALOR EN FORMA AUTOMATICA.

EL ESTADO DE UNSISTEMA COMPRESIBLE SIMPLE SE ESPECIFICA COMPLETAMENTE POR DOS PROPIEDADES INTENSIVAS INDEPENDIENTES.

SISTEMA COMPRESIBLE SIMPLE: CUANDO CARECE DE EFECTOS MAGNETICOS, ELECTRICOS, GRAVITACIONALES, DE TENSION SUPERFICIAL, ETC.PROCESOSSon aquellos que afectan a un sistema termodinmico al cambiar de un estado a otro . Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro es un Proceso.Si cambia una o mas propiedades de valor hay un cambio de estado de equilibrio. sea hay un proceso.Trayectoria.: la serie de estados sucesivos por los que pasa un sistema de un estado de equilibrio a otro durante un proceso.

PARA DEFINIR COMPLETAMENTE UN PROCESO ES NECESARIOEspecificar sus estados inicial y final. ( definir dos o tres propiedades)Su trayectoria.Interacciones con sus alrededores.

PROCESO REVERSIBLE, CUASIEQUILIBRIO O IDEAL.Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio.

TIPOS DE PROCESOSAlgunos procesos se describen por el hecho que una propiedad permanece constante durante el proceso y se define con el prefijo ISO (ISO = igual)

PROCESO ISOTERMICO T= CTE

PROCESO ISOBARICO P= CTE

PROCESO ISOMETRICO V = CTE

PROCESO ISOENTELPICO H = CTE

Cuando un sistema en un estado inicial dado pasa por varios estados y luego finalmente vuelve al estado inicial se dice que realizo un ciclo Fuente de calorMquina TrmicaFuente FraTCTCQCQCW

isotrmicoadiabticoadiabticoisotrmico4132PV

TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINAMICAComo definir temperatura?Es una medida de lo caliente o de lo frio.

De lo caliente o de lo frio. Son propiedades cualitativas.De acuerdo a nuestras sensaciones pero ellas pueden engaarnos

DEFINICIN DE TEMPERATURAEl producto de la presin por el volumen, dividido entre la masa de gas en el recipiente, aumenta o disminuye, segn si el recipiente trmico en contacto con el primer recipiente est ms caliente o ms fro, respectivamente.Usaremos esta propiedad para definir la temperatura como una constante de proporcionalidad multiplicada por el producto de presin y volumen, dividido entre la masa. Equilibrio trmicoCuando un cuerpo esta en contacto con otro cuerpo de temperatura mas alta, el calor se transfiere del cuerpo de temperatura mas alta al de temperatura ms baja, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.La transferencia de calor se detiene y se dice que ambos cuerpos han alcanzado el equilibrio trmico. El equilibrio trmico es una situacin en la que dos objetos en contacto trmico uno con otro dejan de tener cualquier intercambio de calor.AB33Ley cero de la termodinmicaestablece que si dos cuerpos estn en equilibrio trmico con un tercero entonces los tres cuerpos estn en equilibrio trmicoSi los objetos A y B por separado estn en equilibrio trmico con un tercer objeto, C, entonces A y B estn en equilibrio trmico entre s si se ponen en contacto trmico. ABC34

ESCALAS DE TEMPERATURALa temperatura entonces es una propiedad termodinmica intensiva, no depende de la masa.

Como todas las propiedades su valor depende de su punto de medida es decir pueden ser una temperatura absoluta o temperaturas relativa

Se debe elegir el nivel de referencia desde donde se mede.ESCALAS DE TEMPERATURAESCALAS ABSOLUTASSe miden a partir del cero absoluto de temperatura siempre son positivasESCALA KELVIN (K)Sistema mtrico internacionalSu valor mas bajo es el cero (0 K).Es positivaESCALA RANKINE (R)Sistema InglesSu valor mas bajo es el cero (0 R).Es positiva.

ESCALAS RELATIVASSe miden a partir de puntos de referencia estndar (punto de congelacin y ebullicin del agua).Pueden ser positivas, cero o negativas.Escala Celcius (antes centgrada 1948 cambio).Su smbolo C.Sistema mtrico internacional.Escala Fahrenheit.Su smbolo F.Sistema Ingles

PRESIN

Fuerza que ejerce un fluido por unidad de rea.Fluidos son sustancias compresibles ( gases) e incompresibles (lquidos).

UNIDADES DE PRESION SISTEMA INGLES

CARACTRSTICAS DE LA PRESIONEn un fluido en reposo la presin de un punto determinado es la misma en todas sus direcciones.La presin de un fluido aumenta con la profundidad; varia en direccin vertical.por culpa del peso del fluido.dP = * dZ = peso especficodZ = diferencial de altura

El peso especfico como saben es una funcin que depende de la presin y de la temperatura, sin embargo, en fluidos incompresibles es constante e igual a

= * g eso quiere decir que

dP = * g * dZ

la tercera caracterstica de la presin es que ella no varia en direccin horizontalLa presin al igual que la temperatura es una propiedad intensiva NO DEPENDE DE LA MASA y las dividimos como todas las propiedades en :

PRESIONES ABSOLUTAS: se miden desde el cero absoluto de presin. (presin medida respecto al vacio absoluto P = 0 ) Siempre son positivasSe miden con BAROMETROS

PRESIONES RELATIVAS: Se miden desde un punto de referencia estndar, (nivel atmosfrico local).Pueden ser positivas, cero o Negativas.Se miden con MANMETROS.

MANOMETROSSon dispositivos que miden diferencias de presin; miden presiones manomtricasHay diferentes tipos de manmetros:analgicosdigitalesde tubo en Uetc.Los mas usados son los analgicos tipo BOURDON o tubo en CMas sin embargo el concepto que nos ayuda a la lectura manomtrica son los manmetros de tubo en U.Manmetros de tubo en U: se compone de un tubo en forma de U de vidrio o platico trasparente.

Tiene un fluido manomtrico que nos ayuda a medir la presin de acuerdo a su densidad y al diferencial de altura.

Entre mas liviano el fluido mas preciso.

El mercurio es el fluido manomtrico mas usado.

Por ser un gas la presin en todo el tanque es la misma (hasta el punto 1).Los efectos gravitacionales al tanque no lo afectan.La presin en 1 es la misma que la presin del tanque. P1 = P gasP2 = P1 la presin horizontalmente no varia.Hacemos diagrama de cuerpo libre en el menisco izquierdoLlegamos a:

Pgas Patm = *g*ZPman = *g*Z

BAROMETROS Son dispositivos para medir presiones atmosfricas, es decir que dichas presionesPabsoluta = Pbaromtrica = PatmEXPERIMENTO DE TORRICELLI

El evangelista italiano Torricelli fue el primero en probar que la presin atmosfrica se puede medir al invertir un tubo lleno de mercurio en un recipiente con mercurio y abierto a la atmosfera.