201015_30 -Act 2- Karol Cantello

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INTRODUCCIN

Las primeras mediciones que proporcionaron una base para la

termodinmica fueron en general aquellas relacionadas con el estudio dediversos sistemas trmicos, como mquinas de vapor y otras mquinasproductoras de trabajo que usaban combustible. La termodinmica seconcibi como un estudio de los sistemas productores de potencia. Sinembargo, hoy en da es una ciencia mucho ms amplia que resultaimportante en relacin con diversos fenmenos que se encuentran en laingeniera. La termodinmica es la ciencia que se ocupa del estudio de laenerga y sus transformaciones, particularmente la transformacin del caloren trabajo. En todos los fenmenos de naturaleza fsica o qumica seencuentran presentes interacciones energticas que se deben estudiar condetalle para aprovechar en forma ptima la energa producida o determinar

la cantidad de energa que demanda un proceso en particular.

La termodinmica permite responder a interrogantes como qu cantidadde energa elctrica se genera en una central termoelctrica a partir de unatonelada de combustible? o qu energa se requiere para mantener enfuncionamiento un cuarto fro, un sistema de aire acondicionado, un motorde combustin interna o una bomba para el transporte de fluidos? o qucantidad de combustible ser consumido por una caldera para producir elvapor requerido en un proceso? El estudio de la termodinmica es muyimportante para todo ingeniero, porque le brinda las herramientasconceptuales necesarias para realizar el anlisis de las condiciones

energticas, evaluar la eficiencia y tomar las decisiones pertinentes frente aldiseo, control y optimizacin de procesos. La termodinmica es una ramade las ciencias fsicas que tratan los diversos fenmenos de la energa ysus relaciones con las propiedades de la materia. Especialmente trata lasleyes de transformacin del calor hacia otras formas de energa y viceversa.


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OBJETIVOS

Objetivo General

Dar una factibilidad a la esquematizacin de la termodinmica para poder dar aconocer sus principios y conceptos.

Objetivos Especficos

identificar los principios de conservacin de la energa, las leyes de latermodinmica y la estimacin de propiedades para la evaluacin de

procesos y sistemas, mediante el anlisis de los cambios de estado.

reconocer las caractersticas, componentes, cambios y la expresinmatemtica de un sistema termodinmico.

describir la energa, sus formas, condiciones de transformacin y lasecuaciones termodinmicas que la relacionan.

conocer y aplicar los principios y el significado de la entropa en un sistema

termodinmico.

explicar las trayectorias en un ciclo termodinmico y su aplicacin en lasmquinas trmicas.


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UNIDAD 1: LEY CERO, TRABAJO Y PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

CAPITULO 1: LEY CERO DE LA TERMODINMICA

Leccin 1: Sistemas

Leccin 2: Ley cero de la TermodinmicaTemperatura absoluta:

Las diferencias de temperaturas en grados Celsius y Kelvin son idnticas, pero sise toma un determinado valor en la escala Kelvin ser igual a los grados Celsiusms 273,15.

De la misma forma las diferencias en temperaturas en grados Fahrenheit yRankine son iguales y un determinado valor en la escala Rankine corresponde a

los grados Fahrenheit ms 459,67 R.

Las diferencias de temperaturas son las mismas tanto en la escala Celsius y comoen la escala Kelvin. Los cambios de temperatura en las escalas Fahrenheit y Rankine tambin soniguales, adems la escala Kelvin y la Rankine se relacionan por las siguientesecuaciones, entonces:

Leccin 3 Calor:

La cantidad de calor transferida por unidad de tiempo, se conoce como tasa detransferencia de calor y se representa por donde el punto significa por unidadde tiempo. Para un determinado intervalo de tiempo se tiene que

Formas de transmisin del calor:La conduccin

Donde es la conductividad trmica caracterstica de cada material y representala capacidad que tiene un material para conducir el calor.


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Si la ecuacin anterior se expresa en trminos diferenciales se obtiene la siguienteecuacin que es la expresin matemtica de la ley de Fourier para la conduccindel calor:

La conveccin: Donde h = coeficiente de transferencia de calor )

A = rea de la superficie = temperatura de la superficie (K)= temperatura del fluido. (K)La mxima cantidad de calor por unidad de tiempo que puede emitirse desde unasuperficie a una temperatura absoluta

est determinada por la ley de Stefan-

Boltzmann, expresada como: Donde = conocida como constante de Stefan-Boltzmann

A = rea de la superficie = temperatura de la superficie (K)El sistema ideal que emite esta mxima cantidad de calor se denomina cuerponegro. La cantidad de calor emitida por materiales reales a igual temperatura esmenor en un determinado factor y se puede calcular mediante

Por otra parte una superficie expuesta a radiacin puede absorber energa. Larelacin entre la radiacin absorbida y la radiacin incidente sedenomina absorbancia, se representa por la letra y se expresa como:

Para un caso lmite donde una superficie relativamente pequea irradia calor haciauna superficie grande que la rodea completamente, la tasa de transferencia decalor por radiacin se puede expresar como

)Dnde es la temperatura de la superficie emisora y la temperatura de losalrededores.

Leccin 4: ecuacin de estado

La ecuacin de estado de gas ideal se expresa bajo cualquiera de las siguientesexpresiones matemticas:


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DondeP = presin V= volumen n = nmero de moles = volumen molar T =temperatura v = volumen especifico M = masa molecular R = constanteuniversal de los gases

Ecuaciones de estado para gases reales:

El factor Z se define como la relacin entre el volumen especfico real de un gas apresin y temperatura definidas y el volumen de ese mismo gas calculado por laecuacin de estado.

La ecuacin de estado de gas ideal puede ser mejorada con la introduccin delfactor de compresibilidad Z, tal como se indica a continuacin.

Si se remplaza la ecuacin En consecuencia la ecuacin de estado, teniendo en cuenta el comportamientoque presentan los gases reales, se puede expresar mediante

El valor de Z se obtiene de las grficas generalizadas de compresibilidad para locual es necesario conocer las presiones y temperaturas reducidas definidas como

Donde = Presin reducida = Presin crtica = Temperaturareducida = Temperatura crticaEcuacin de van der Waals:

Leccin 5: Ecuacin de estado (Continuacin)

Ecuacin de Redlich- Kwong


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Ms exacta y aplicable en un mayor rango de presin y temperatura.

Las constantes a y b son diferentes a las correspondientes constantes de laecuacin de van der Waals pero se obtienen tambin a partir de las propiedadesde estado crtico. Representa el volumen molar, T la temperatura y R laconstante universal de los gases.

Ecuacin de Redlich - Kwong - Soave:

{ ( )}

Donde, es el factor acntrico, una constante paracada gas.

Ecuaciones de estado de virial:

Los coeficientes A o B en las anteriores ecuaciones dependen de la temperatura yde la naturaleza del gas.

CAPITULO 2: TRABAJO

Leccin 6: Trabajo: Para calcular el trabajo en los diferentes procesos termodinmicos se debetransformar la expresin anterior en otra donde el trabajo se exprese en funcin depropiedades que se puedan determinar fcilmente para un sistema en particular.

Fuerza es igual al producto de la presin por el rea transversal del cilindro

A su vez el producto Adx es igual a un diferencial de volumen dV, entonces,

remplazando se llega a una expresin general, que permite calcular el trabajoinvolucrado en cualquier proceso termodinmico, en funcin de propiedades comola presin y el volumen que se pueden medir y especificar fcilmente para losestados de un sistema termodinmico.

Trabajo en procesos isobricos:


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El trabajo en un proceso isobrico realizado un gas ideal tambin se puedeexpresar en funcin de la temperatura para lo cual se diferencia la ecuacin deestado bajo la condicin de presin constante:

Trabajo en procesos isotrmicos:

Trabajo en procesos poli trpicos:

Trabajo elctrico:

Trabajo debido a la tensin superficial: El trabajo para aumentar la superficie de unlquido o estirar una pelcula lquida se determina mediante:

Donde es la tencin superficial (N/m) y dA el cambio de rea superficial .Trabajo de eje:

Trabajo de resorte:

Trabajo gravitacional:

Trabajo de aceleracin:

Leccin 7: Diagramas termodinmicos

Son representaciones en coordenadas cartesianas de las propiedades de unsistema durante el transcurso de un proceso. Se utilizan para visualizar, predecir oanalizar los cambios producidos en la medida en que ocurren diferentes procesostermodinmicos.

Leccin 8: Diagramas termodinmicos


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Leccin 9: Propiedades termodinmicas

Propiedades intensivas y extensivas:

Funciones de punto y funciones de trayectoria:

Para el caso de la longitud, un pequesimo segmento para alguna de lastrayectorias se representara como

Leccin 10: Capacidad calorfica

Capacidad Calorfica a Presin Constante:

Calor Especfico a Presin Constante:

] ]

Capacidad Calorfica Molar a Presin Constante

]

Capacidad Calorfica a Volumen Constante

[]Calor Especfico a Volumen Constante

[ ] []Capacidad Calorfica Molar a Volumen Constante

[ ]


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Relacin entre las Capacidades Calorficas en Gases Ideales

] ]

Calor LatenteCalor latente de fusin de una sustancia es el cambio de entalpa que ocurredurante la transformacin, de una unidad de masa de esa sustancia, de slido alquido.

Calor latente de fusin de una sustancia es el cambio de entalpa que ocurredurante la transformacin, de una unidad de masa de esa sustancia, de slido agas.

Calor latente de vaporizacin de una sustancia es el cambio de entalpa queocurre durante la transformacin, de una unidad de masa de esa sustancia, delquido a vapor.

Trabajo en un Proceso Adiabtico

CAPITULO 3: PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Leccin 11: Primera ley de la termodinmica

Primera ley en Sistemas Cerrados

Proceso isobrico y definicin de entalpa

El calor transferido en un proceso isobrico es igual al cambio de entalpa. Laentalpa es una propiedad extensiva, depende de la masa, a su vez la entalpa porunidad de masa es una propiedad intensiva y se representa por h:


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Proceso isotrmico

Proceso adiabtico

Leccin 12: Entalpia

Recordando, la entalpa se define en funcin de la energa interna, de la presin ydel volumen del sistema, mediante la relacin o tambin en trminosde propiedades intensivas como Por lo tanto tampoco se podraestablecer un valor absoluto para la entalpa. Pero si se establece un estado dereferencia sta se puede calcular a partir de los valores de la energa interna.

Leccin 13: Primera ley y reacciones qumicas

Aplicacin de la Primera ley a las Reacciones Qumicas Leccin 14: Ley de Hess

Reacciones a volumen y temperatura constantes

Influencia de Temperatura sobre el Calor de Reaccin

Leccin 15: Calor integral de disolucin

Generalmente se hallan por medios calorimtricos midiendo el efecto trmicoproducido al disolverse el soluto y luego midiendo el calor de disolucin aladicionar ms solvente a la solucin concentrada hasta que una sucesiva adicinno cause un efecto trmico.

Unidad 2: SEGUNDA LEY Y APLICACIONES DE LA TERMODINMICA

Captulo 4:SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La gran importancia que tiene la primera ley en aplicaciones relacionadas con laenerga ya que constituye el fundamento de cualquier balance energtico, sinembargo la primera ley tiene limitaciones, no nos dice nada sobre la posibilidad oprobabilidad de que ocurra un determinado suceso, por ejemplo que se efecteuna reaccin bajo determinadas condiciones, o sobre la direccin en la cual los


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procesos termodinmicos se realizan, ni sobre la calidad de la energa. Porejemplo el trabajo se puede convertir completamente en calor pero el calor porningn medio se puede convertir completamente en trabajo, aunque ambosprocesos cumplen con la primera ley.

Leccin 16: Aplicacin de la primera ley en gases ideales

La primera Ley de la Termodinmica nos dice que un cambio de energa internadel sistema termodinmico es igual a la suma del trabajo y del calor involucrado endicho cambio. Debemos averiguar ahora si la energa interna es una funcin de lapresin, de la temperatura o del volumen, para tener una propiedad termodinmicaque nos diga cundo el sistema pierde o gana energa interna

Leccin 17: Segunda ley de la termodinmica

Enunciado KELVIN-PLANCK

Establece que es imposible construir un dispositivo que funcionando en formacclica su nico efecto sea convertir completamente en trabajo todo el calorprocedente de una fuente trmica. Una fuente trmica es un sistema tan grandeque cualquier cantidad finita de energa que se extraiga de ella o se le suministreno afecta su temperatura, frecuentemente el aire de la atmsfera, un ro, un lago oel ocano se pueden considerar como fuentes trmicas.

EL CICLO DE CARNOTEn todo proceso cclico donde se pretenda realizar un trabajo sobre losalrededores, son necesarios dos focos trmicos con diferentes temperaturas; y,que la diferencia entre el calor absorbido y el cedido se transforma en trabajo.Con estas dos premisas se puede elaborar el modelo de una mquina trmica.Desde el punto de vista histrico, la primera mquina que se desarroll fue lallamada mquina de Carnot.

Leccin 18: Segunda ley de la termodinmica (Continuacin)

El Ciclo de Carnot Inverso:El ciclo de Carnot que acabamos de estudiar es el fundamento de toda mquinaque toma energa y produce trabajo mecnico; pero tambin es importante elproceso contrario; es decir, el proceso de refrigeracin. Como un motor trmicotoma una cantidad de calor del foco caliente, pasando parte de l al foco fro yconvirtiendo el resto en trabajo. En la refrigeracin sucede exactamente lo

contrario, esto es, se toma calor de un foco fro, se le suministra trabajo al sistemay estas dos energas se ceden a un foco caliente.

Leccin 19: Entropa

La entropa es la propiedad termodinmica que se encuentra asociada al estadode aleatoriedad de las partculas de un sistema, por ejemplo los gases tienen una


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entropa mayor que la los lquidos y stos a su vez una entropa mayor que la losslidos, ya que en los gases las molculas se mueven libremente chocando unascon otras y con las paredes del recipiente que las contienen, siguiendotrayectorias al azar; en los lquidos, el movimiento es ms restringido, se

presentan deslizamientos de unas capas de molculas sobre otras debido a lasasociaciones intermoleculares caractersticas de este estado; en los slidos no sepresentan desplazamiento de las molculas, ya que se encuentran fuertementeunidas unas con otra y solamente se presentan movimientos de vibracin orotacin. As entonces, los procesos de fusin y evaporacin van acompaados deun aumento en el grado de distribucin aleatorio de las molculas y por lo tanto deun aumento de la entropa.

Leccin 20: Entropa (Continuacin)

CALENTAMIENTO IRREVERSIBLE DE UN SISTEMA TERMODINMICOPara el calentamiento irreversible se va a considerar que la temperatura del

sistema es T la temperatura del foco T1, la capacidad calorfica del sistema es c ysu masa m. Para facilitar el clculo del flujo de calor tomamos T2 > T1 y lavariacin de calor se hace en forma reversible. Hay que recordar que la variacinreversible de una magnitud dada, en este caso el calor, implica solamente elhecho de que el paso de calor sea en forma infinitesimal para llevar nuestrosistema de una temperatura T1 a T2 y la condicin para un proceso irreversible esque la variacin de entropa del universo (sistema + alrededores) sea mayor quecero.

Captulo 5. CICLOS TERMODINAMICOS

Constituye el fundamento conceptual de muchas aplicaciones directas en lasdiferentes disciplinas de la ingeniera. Por ejemplo para establecer parmetrospara el diseo de mquinas trmicas y evaluar su eficiencia, para analizar elproceso de produccin de energa en una central termoelctrica, o para disearsistemas de refrigeracin entre otros.

Leccin 21: La mquina de vapor. Ciclo de Rankine

En la segunda unidad de nuestro curso vimos cmo la mquina de vapor diseadapor Thomas Newcomen y perfeccionada por James Watt, mostraba la relacin quepodra existir entre trabajo y calor; y sirvi como idea base para que Joule

proyectara el experimento del equivalente mecnico del calor.Dos siglos despus del invento de Watt, existen todava numerosas mquinas quefuncionan con el mismo principio termodinmico original y que nos muestran lautilidad y vigencia de la mquina de vapor en nuestra sociedad. El ciclotermodinmico de esta mquina fue estudiado por W.J. Rankine, un ingenieroescocs que en 1859 public su libro Manual de la Mquina de Vapor y que le diosu nombre al ciclo termodinmico de la mquina de vapor. El fundamento


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mecnico de esta mquina consiste en aprovechar la energa que posee el vaporde agua para mover un pistn dentro de un cilindro y a la utilizacin de doselementos tan baratos como son el agua y el carbn.

Leccin 22: Motores de cuatro tiempos. Ciclo de Otto

El motor de cuatro tiempos fue desarrollado por N.A. Otto, un ingeniero alemn,que en el ltimo tercio del siglo pasado construy la primera mquina con este tipode motor. Debido al xito alcanzado, el ciclo termodinmico que describe suproceso se conoce con el nombre de ciclo de Otto.Los componentes del motor, tambin llamado de explosin, son un cilindroprovisto de un pistn o mbolo; una vlvula de admisin que permite el paso de lamezcla formada por gasolina ms aire, procedente del carburador; un electrodo obuja para el encendido de la mezcla y una vlvula de escape, por donde losgases, producto de la combustin, pueden escapar al exterior.

Leccin 23: Motores de ignicin por compresin. Ciclo Disel

Este es el fundamento del motor de combustin o ignicin por compresin,perfeccionado por R. Diesel, a finales del siglo pasado; cuyo nombre fue dado alciclo termodinmico que describe el proceso que sigue esta clase de motor. Porsupuesto, el motor Diesel no tiene carburador y la inyeccin del combustible serealiza por una bomba de inyeccin.

Leccin 24: Ciclo de Brayton

Los motores de las turbinas de gas utilizadas en plantas generadoras de corrienteelctrica o en la propulsin de aeronaves funcionan mediante el ciclo de Brayton,

el cual como en los ciclos estudiados anteriormente, tambin consta de cuatroetapas internamente reversibles:1. Compresin adiabtica de 1 a 2

2. Adicin de calor a presin constante de 2 a 3

3. Expansin adiabtica de 3 a 4

4. Liberacin de calor a presin constante de 4 a 1

Leccin 25: Mquinas frigorficas

El caso de una mquina refrigerante podramos decir que es todo lo contrario delmotor trmico. La mquina refrigerante o frigorfica utiliza una fuente de energaexterna, generalmente corriente elctrica como en el caso de una nevera orefrigerador comn, para quitar calor de una fuente fra (enfriar) y drselo a unafuente caliente. En la vida real la fuente fra tiene una temperatura inferior a la delmedio ambiente (interior de la nevera) y la fuente caliente es el aire que rodea lamquina y que sirve como disipador de calor.


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Captulo 6. APLICACIONES DE LA TERMODINMICA

Leccin 26: Anlisis dimensional

El sistema que vamos a utilizar es el llamado Sistema Internacional de Unidades,abreviadamente SI, adoptado en 1960 por la Conferencia de Pesas y Medidas,para el uso en Ciencia y Tecnologa.

Leccin 27: Aplicacin de las leyes de la termodinmica a procesos de flujocontino

Un volumen de control es un volumen en el espacio el cual nos interesa para un

anlisis y que su tamao y forma son totalmente arbitrarios y estn delimitados dela manera que mejor convenga para el anlisis por efectuar.

Leccin 28: Aplicaciones de la termodinmica a procesos de flujo estable

En un volumen de control con flujo estable, la masa se mantiene constante con eltiempo, de tal manera que la cantidad de materia que entra al sistema en unintervalo de tiempo dado, debe ser igual a la cantidad de materia que sale delsistema. El volumen de control puede tener una o varias secciones de entrada yas mismo una o varias secciones de salida.

Leccin 29: Aplicacin de las leyes de la termodinmica a procesos de flujo

estable (Continuacin)

Estos equipos de amplio uso en la industria tienen en comn que su procesotermodinmico involucra trabajo de eje ya sea que se realice trabajo sobre elsistema elegido como en el caso de bombas, compresores o ventiladores o bienque el sistema realice trabajo como en las turbinas.En estos casos el cambio de energa potencial generalmente es muy pequeo ycon frecuencia se omite en los clculos. Bajo estas condiciones, ep = 0.Las velocidades involucradas en bombas, compresores o ventiladores songeneralmente muy bajas y no producen un cambio significativo en la energacintica, con excepcin de las turbinas donde se manejan velocidades mucho ms

altas, sin embargo en estos casos el cambio de entalpa es mucho mayor y deordinario tambin se desprecia este trmino.

Leccin 30: Aplicacin de las leyes de la termodinmica a procesos de flujotransitorio


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En un proceso de flujo transitorio al contrario del proceso de flujo estable sepresentan cambios en las propiedades del sistema con el tiempo. El intercambiode materia y energa del volumen de control con el medio exterior o alrededores seevala teniendo como referencia un determinado intervalo de tiempo. la diferencia

con el proceso de flujo estable donde se consideraba que masa y energa fluandesde o hacia el volumen de control indefinidamente en el tiempo.


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CONCLUSIONES

Hacer comprender e interiorizar las temticas que cubren el curso, con elfin de que adquiramos los conocimientos bsicos de la disciplina y asaplicarlos en su proceso de aprendizaje y, posteriormente, en la vidacotidiana.

Ensear los principios de conservacin de la energa, las leyes de latermodinmica y la evaluacin de procesos y sistemas, analizando loscambios de estado, sus relaciones con los fenmenos cotidianos y deingeniera y la tendencia al equilibrio, explicando las trayectorias en un ciclotermodinmico y su aplicacin en mquinas trmicas.

Aplicar de manera suficiente las nociones y los conceptos que constituyen

el campo de la termodinmica al estudio de problemticas que se planteanen su campo del saber.

Hacer comprender e interiorizar los conocimientos, realicen anlisis de lascondiciones particulares de un sistema, resuelvan problemas en su campoy socialice los conocimientos adquiridos a sus compaeros y en general ala comunidad acadmica


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BIBLIOGRAFA

Mnera, R. (2013). Termodinmica. Palmira: Universidad Nacional Abierta y a

Distancia. ModuloMnera, R. (2013). Termodinmica. Palmira: Universidad Nacional Abierta y aDistancia. Protocolo

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