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Termodinámica
Semana 1: Conceptos básicos y
definiciones
Ing. Jorge Cabrejos Barriga
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1CAPÍTULO
Conceptos básicosde Termodinámica
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CAPITULO 1. Conceptos básicos de Termodinámica
1.1 Termodinámica y Energía
1.2 Importancia de las dimensiones y unidades
1.3 Sistemas cerrados y abiertos
1.4 Propiedades de un sistema
1.5 Densidad y densidad relativa
1.6 Estado y equilibrio
1.7 Procesos y ciclos
1.8 Temperatura y ley cero de la termodinámica
1.9 Presión
1.10 Manómetro
1.11 Barómetro y presión atmosférica
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1.1 Termodinámica y Energía
• La termodinámica es una ciencia que
basicamente se ocupa de la energía.
• De manera amplia incluye aspectos de energía y
sus transformaciones, la generación de potencia,
la refrigeración y las relaciones entre las
propiedades de la materia.
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Áreas de aplicación de la termodinámica
Plantas de energia
El cuerpo humanoSistemas de aireacondicionado
Aviones
Radiadores de autos
Sistemas de Refrigeración
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Areas de aplicación ….
• Una importante aplicación de la termodinámica
es la biología.
• La mayoría de dietas se basan en un balance de
energía: la energía neta ganada por una
persona en forma de grasa es igual a la
diferencia entre la entrada de energía de los
aliementos y la energía gastada por actividad
fisica.
• EJEMPLOS DE CALCULO:
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1.2 Importancia de las dimensiones y unidades.
Dimensiones primarias
Dimensiones secundarias:
TAREA: Hacer un resumen del sistema internacional (SI) y
del sistema ingles de unidades.
EJERCICIOS: Conversión de Unidades.
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EJERCICIOS
1. Convertir 1000 (cal/min) en (BTU/seg)
Solución
factores de conversión: 252.16 cal/BTU y 60 seg/min
RPTA: 0.066 BTU/seg
2. Convertir 15.18 (psia m3/mol ºC) en (cal/ mol K)
Solución
factores de conversión: 14.696 psia/atm; 41.3 atm cm3/cal; y
106 cm3/m3
RPTA: 2 501.05 cal/mol K
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Balance de materia
A un mezclado entran una corriente de 15 kg/min. De una
solución acuosa con 5% (en masa) de una sal y otra corriente
de agua pura a razón de 4 kg/min. La salida del estanque
mezclador es una sola tubería por la que fluye la solución
diluida. Determine a) el flujo de salida en kg/min; y b) la
concentración en % en masa %W de la corriente de salida
(W=100*masa de sal/masa total).
Sol. diluida m3
agua m2
Sol. de entrada m1
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Balance de materia
El aire es una mezcla de oxigeno (21% molar) y nitrógeno (79%
molar). Si se desea obtener aire enriquecido con 40% molar de
oxigeno, cuanto oxígeno debo agregar por cada 200 moles de
aire ambiental?
Aire enriquecido n3
O2 n2
Aire n1
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1.3 Sistemas cerrados y abiertos
• Un sistema se define como una cantidad de
materia o una región en el espacio elegida
para análisis.
• La masa o region fuera del sistema se conoce
como alrededores.
• La superficie real o imaginaria que separa el
sistema de sus alrededores se denomina
frontera, pudiendo ser esta fija o móvil.
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1.3 Sistemas cerrados y abiertos
• Un sistema de masa fijo es llamado un sistema
cerrado, o masa de control,
• Un sistema que incluye transferencia de masa
sobre sus alrededores es llamado un sistema
abierto, o volumen de control.
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Sistemas cerrados con fronteras fijas
(Fig. 1-13)
La masa no puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado, pero la energía si.
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Sistemas cerrados con fronterasmóviles
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Volumen de control en fronteras fijas
En un volumen de control, masa y energia cruzan lasfronteras del sistema.
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1.4 Propiedades de un sistema
• Las propiedades de un sistema que dependen
de la masa, son llamadas propiedades
extensivas,
• las que no dependen de la masa son llamadas
propiedades intensivas.
• e.g. La densidad (masa por unidad de
volumen) es una propiedad intensiva.
• Las propiedades extensivas por unidad de
volumen son llamadas propiedades
específicas.
• e.g. volumen específico (volumen por
unidad de masa).
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1.5 Densidad y densidad relativa
TAREA: Definiciones y ejemplos: Densidad,
volumen especifico, gravedad especifica o
densidad relativa.
RESOLVER EJERCICIOS:
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Problemas:
La densidad de una sustancia es 1.382 (gr/cm3) a 20 ºC:
a) ¿Cuántos m3 son 500 kg de esa sustancia?
b) ¿Cuál es el volumen en pie3?
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1.6 Estado y equilibrio
• Un sistema se dice esta en equilibrio [no
experimenta cambios] termodinámico si mantiene
un equilibrio:
• térmico, si tiene una misma temperatura en todos
sus puntos
• mecánico, no presenta cambios de presión en
alguno de sus puntos
• de fase de equilibrio, cuando la masa de cada
fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece
alli, y
• químico, cuando su composición química no
cambia con el tiempo.
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Postulado de estado
• El estado de un sistema compresible simple se
específica por completo con dos propiedades
intensivas independientes.
• e.g. la temperatura y el volumen específico.
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1.7 Procesos y ciclos
• Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro
es llamado proceso.
• La serie de estados por los que pasa un sistema
durante este proceso es una trayectoria del proceso.
• Un proceso con idénticos estados inicial y final es
denominado ciclo.
• En un proceso cuasi – estatico o de cuasi-
equilibrio, el sistema permanece prácticamente en
equilibrio durante todo el tiempo.
• El proceso de desarrolla lo suficientemente lento de
forma que permanece infinitesimalmente cerca de un
estado de equilibrio
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Proceso cuasiestatico o de cuasiequilibrio
(Fig. 1-30)
Cuasi equilibrio, trabajo producido por dispositivos querealizan trabajo.
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1.7 Procesos y ciclos
(Fig. 1-31)
Diagrama de compresion P-v
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… procesos
Se usa el prefijo ISO para designar un proceso en el que una
propiedad particular permanece constante.
PROCESO ISOTERMICO: Aquel durante el cual la temperatura
T permanece constante.
PROCESO ISOBARICO: Aquel en el cual la presión P
permanece constante.
PROCESO ISOCORICO O ISOMETRICO: Aquel en en cual el
volumen V permanece constante.
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1.8 Temperatura y ley cero de la termodinámica
• Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio
termico con un tercero, estan en equilibrio termico entre si.
• Este hecho sirve como base para validar la medicion de la
temperatura.
• Si el tercer cuerpo se sustituye por un termometro, la ley
cero se puede expresar como dos cuerpos estan en
equilibrio térmico si ambos tienen la misma temperatura
incluso cuando no estan en contacto.
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Escalas de temperatura
• Las escalas de temperatura usadas en el SI y en
el sistema ingles son las escalas Celsius y
Fahrenheit respectivamente.
• La escala de temperatura absoluta en el SI es la
escala Kelvin, que esta relacionada con la escala
celsius por:
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Escalas de temperatura
• En el sistema ingles, la escala de temperatura es
la escala Rankine, que esta relacionada con la
escala Farenheit por la relación:
• Las magnitudes de cada division de 1 K y 1 ºC
son idénticas, y de la misma manera para la
magnitud de cada division de 1 R y 1º F. Así,
•
y ∆T (R) = ∆T (ºF)
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Comparación de escalas de temperatura
(Fig. 1-48)
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1.9 Presión
• Presión, es la fuerza normal que ejerce un fluido
por unidad de área, y se expresa en unidades
kilopascal (kPa).
• La presion relativa al vacio absoluto se llama
presion absoluta, y la diferencia entre la presion
absoluta y la presion atmosferica local se llaman
presiones de vacio.
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Presiones absolutas, manométricas y de vacío
(Fig. 1-36)
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Variación de la presión con la profundidad
• Diferencias de presion pequeñas a moderadas
son medidas por un manómetro, y una altura de
columna diferencial h corresponde a la presión:
•
Donde ρ es la densidad del fluido y g es la
aceleración de la gravedad local.
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1.10 El manómetro básico
Consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que
contiene uno o mas fluidos como agua, mercurio, alcohol o
aceite.
Se usa para medir presiones pequeñas y moderadas.
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• Las presiones manometricas, absolutas, y de vacio estan
relacionadas:
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1.11 Barómetro y presión atmosferica
• La presión atmosférica es medida por un barómetro y es
determinada por:
•
donde h es la altura de la columna de líquido sobre la
superficie libre.
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Ejemplo 1-8 Medición de la presión atmosférica con un barómetro.
Determine la presión atmosférica en un lugar donde la lectura
barométrica es 740 mm Hg y la aceleración gravitacional es g =
9.81 m/s2. Suponga que la temperatura del mercurio es de 10ºC,
a la cual su densidad es 13 570 kg/m2.
SOLUCION
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Ejemplo 1-9 Efecto del peso de un embolo sobre la presión en un cilindro
La masa del embolo de un dispositivo vertical de cilindro-embolo que contiene un
gas es de 60 kg, su área de sección transversal es de 0.04 m2, como se muestra
en la figura. La presión atmosférica local es de 0.97 bar y la aceleración
gravitacional es de 9.81 m/s2. a) Determine la presión dentro del cilindro. b) Si se
transfiere calor al gas y se duplica su volumen ¿esperaría un cambio en la
presión interna del cilindro?
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Problema 1.53Medición de la presión con un manómetro de varios fluidos
1.53 El agua en un recipiente esta a presión, mediante aire comprimido,
cuya presión se mide con un manómetro de varios líquidos, como se ve
en la figura. Calcule la presión manométrica del aire en el recipiente si
h1 = 0.2 m, h2 = 0.3 m y h3 = 0.46 m. Suponga que las densidades del
agua, aceite y mercurio son 1 000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13 600 kg/m3
respectivamente.
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Problema 1.58
1.58 Los diámetros del embolo que se muestra en la figura son D1 = 3
pulg, D2 = 1.5 pulg. Determine la presión en psia en la cámara [P3],
cuando las demás presiones son P1 = 150 psia y P2 = 250 psia
P3
P1
P2
P3
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Problema 1.58
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Un dispositivo cilindro embolo vertical contiene un gas a una
presión absoluta de 180 kPa. La presión atmosférica exterior
es de 100 kPa, y el área del embolo es de 25 cm2. Determinar
la masa del embolo.
SOLUCION
g = 9.81 m/s2
El diagrama de cuerpo libre del embolo se muestra en la
grafica:
Problema 1.113
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Problema 1.113
SOLUCION:
P.A = Patm.A + W
Reemplazando W = m.g
P.A = Patm.A + m.g
Despejando m:
Reemplanzado datos:
m = 0.02039 kg
m = 20.4 g
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Formas de abastecer la misma energía
(Fig. 1-52)
Formas de abastecer a un cuarto, energía equivalente a 300-W de unaresistencia de un calentador electrico.
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Bomba calorimétrica usada para determinar el podercalorífico de un alimento.
(Fig. 1-53)
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Resumen del capítulo
• La primera ley de la termodinámica es
simplemente una expresión del principio de la
conservación de la energía, y su consecuencia es
que la energía es una propiedad termodinámica.
• La segunda ley de la termodinámica define que la
energía tiene calidad tanto como cantidad, y que
el proceso actual ocurre en la dirección de la
disminución de la calidad de la energía.
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Resumen del capítulo
• La suma de todas las formas de energía de un
sistema es llamada energía total, que incluye la
energía interna, cinética y potencial.
• La energía interna representa la energía
molecular de un sistema y puede existir como
calor sensible, calor latente y formas nucleares.