termodinamica i - Biblioteca Central de la Universidad Nacional del

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
TERMODINAMICA
I
2011 – II
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
UNIDAD
Nº 1
SESION Nº 1
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
I.- GENERALIDADES
Desde los tiempos prehistóricos, el hombre se encontró compartiendo su vida
con los cuatro elementos que mucho más tarde consideraba Aristóteles las bases
del Universo: la tierra, el agua, el aire y el fuego.
Este último comenzó pronto a manejarlo, producirlo y utilizarlo.
Al principio sólo para calentarse, después para cambiar sus herramientas de
piedra por metálicas, combinando así la combustión con la posibilidad de
transformaciones de la materia, (reacciones químicas), lo cual hizo posible
lentamente, la construcción de su vivienda, y de sus herramientas.
Al principio sólo manejó, como ayuda a su esfuerzo muscular y al de los
animales, la fuerza del viento y de las corrientes de agua, y tuvo que remontarse
hasta hace unos trescientos años, para crear la máquina que trajo en la
historia la revolución industrial.
La ENERGÍA, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para
producir trabajo, es el protagonista principal de la disciplina de la
Termodinámica que durante este ciclo pretendemos estudiar y ver sus
aplicaciones.
Se sabe que la materia posee energía tanto por su misma naturaleza, energía
interna, como por su relación con un medio externo referencial; así se conoce la
energía potencial relacionada con la posición en un campo externo, gravitatorio,
eléctrico o magnético y también la energía cinética relacionada con el
movimiento de traslación o de rotación.
Estamos perfectamente familiarizados con los conceptos de energía térmica,
mecánica, eléctrica, magnética, química, superficial y conocemos de sus posibles
transferencias y también de sus transformaciones de unas formas en otras.
LA TERMODINÁMICA.- Tiene como objetivo el entender las interrelaciones
entre los fenómenos mecánicos, térmicos y químicos.
Por ello se puede definir como la Ciencia que estudia todas las transformaciones
o conversión de unas formas de energías en otras y también la transmisión o
transferencia de determinada clase de energía.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
La TERMODINAMICA en su sentido etimológico, podría decirse que trata
del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las
sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo.
Por conveniencia, se agrupan las formas de la energía en calor y trabajo, siendo
el calor la forma de la energía que se propaga bajo una caída detemperatura.
La Termodinámica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes:
·Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad.
· Primer Principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa.
· Segundo Principio: define la entropía como medida de la dirección de los
procesos.
· Tercer Principio: interpretación física de la entropía como orden de los
sistemas.
La termodinámica es una ciencia axiomática que se desarrolla en base a las leyes
fundamentales, anteriormente citadas, las cuales no son demostrables
matemáticamente sino que han nacido de las observaciones experimentales.
FUNDADORES DE LA TERMODINÁMICA.ANTOINE LAURENT LAVOISIER.- (Francia, 1743-1794) que con sus
numerosos trabajos cabe atribuirle la fundación de la química moderna. Estudió
la estequiometría de las reacciones, el conocimiento de la combustión, la
composición del aire y del agua; interviene en la nomenclatura de elementos y
compuestos químicos... Con su célebre frase “nada se crea, nada se pierde”
presenta y demuestra la ley de la conservación de la materia, precursora de la 1ª
ley de la termodinámica de la conservación de la energía.
NICOLÁS LÉONARD SADI CARNOT.- (Francia, 1796-1832) desde la
presentación ante la Academia Francesa de su trabajo sobre la potencia del
fuego, abre el campo al análisis de las máquinas térmicas. Su nombre se repetirá
durante todo este curso.
El rendimiento de su famoso ciclo ideal, el llamado ciclo de Carnot, se emplea
incluso en el análisis más moderno de los sistemas termodinámicos.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
RUDOLF J. CLAUSIUS.- (Alemania, 1822-1888), entre sus trabajos se debe
señalar la introducción de una nueva propiedad termodinámica:
la ENTROPÍA. Es el artífice de la formulación matemática del segundo
principio.
WILLIAM THOMSON, LORD KELVIN.- (Escocia, 1824-1907), del que se
debe destacar la creación de la escalade temperaturas que lleva su nombre y la
definición de la llamada energía disponible de un sistema.
JAMES PRESCOTT JOULE.- ( Inglaterra, 1818-1889 ), cervecero y experto en
el uso de los termómetros, deduce la equiparación entre la energía térmica y el
trabajo. La unidad de la energía toma su nombre.
JOSIA WILLARD GIBBS.- (USA, 1839-1903). Fue un hombre modesto,
trabajó en Yale durante nueve años sin recibir nada por su trabajo hasta que
fueron reconocidas sus aportaciones, que abren el camino de la termodinámica
moderna y de la mecánica estadística. Su célebre Regla de las fases y sus
numerosas ecuaciones fundamentales entre las propiedades termodinámicas,
abrieron el paso a toda la moderna química e ingeniería industrial.
CONCEPTOS BASICOS
II.- DEFINICIONESTERMODINAMICAS.Cuando se trata de analizar un suceso termodinámico cualquiera, se definen
elementos auxiliares de análisis que según sea el caso a analizar pueden estar
dados por un sistema o volumen de control.
A.-
SISTEMA TERMODINÁMICO.
Sistema es una porción del universo objeto de estudio.
Un sistema termodinámico es una región restringida, no necesariamente de
volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la
transferenciay transmisión de masa y energía.
Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o límites del
sistema, que pueden ser reales o imaginarios. También se llaman superficie de
control.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
El medio rodeante o entorno es la parte del universo próxima al sistema y que se
ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema.
1 atm.
vapor
agua de
103.3ºC
Compresor
mar
agua
potable
1.36 atm.
desecho
Precalentador
salmuera
evaporador
Límite del sistema de control (real o imaginario; fijo o móvil)
Un sistema a su vez puede ser :
1.-
Sistema cerrado : permite el intercambio de energía (calor o trabajo), pero
no intercambia materia con cualquier otro sistema o el medio externo.
2.-
Sistema abierto : denominado también volumen de control, se define como
el volumen limitado por la superficie de control y que contiene al
dispositivo termodinámico, o al espacio en el que se da el suceso
termodinámico que es objeto de nuestro análisis. A través de la superficie
de control es posible una transferencia de materia a dicho sistema o su
retiro de éste, pudiendo además intercambiar energía.
SE DEFINE UN SISTEMA CUANDO EL ANÁLISIS SEREFIERE A UNA
CANTIDAD FIJA DE MASA Y UN VOLUMEN DE CONTROL CUANDO EL
ANALISISINVOLUCRA FLUJO DE MASA.
3.-
Sistema aislado térmicamente : (o adiabático) cuando no intercambia
materia ni energía con cualquier otro sistema. Este sistema es no
influenciado por el medio externo; no existe ninguna forma de energía que
cruce el límite del sistema.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
4.-
Sistema Homogéneo : cuando el sistema es completamente uniforme, tal
como un gas o una mezcla gaseosa, un líquido, un sólido o una disolución,
éste sistema se caracteriza por que las propiedades físicas y químicas de la
materia son iguales en todo el sistema. Todo sistema homogéneo consta de
una sola fase.
5.-
Sistema heterogéneo : cuando el sistema no es uniforme, sino que consiste
en dos o más partes homogéneas que son separadas unas de otras por
superficies físicas delimitatorias.
6.-
Fase :es cada una de las partes homogéneas de cualquier sistema que es
separada de otras por superficies físicas definidas. Ej. Hielo, agua líquida
y vapor de agua constituyen fases o estados de agregación comunes de la
sustancia agua (tres fases en equilibrio).
Ej. Una mezcla de gases constituye una fase porque no existen superficies
físicas delimitatorias visibles.
7.-
Sustancia de trabajo : se denomina así al fluido en el cual se puede “
almacenar ” energía y del cual se puede “ extraer ” energía. A la sustancia
de trabajo también se le conoce como portador de energías.
8.-
Sustancia pura : Se define como aquella que tiene una composición
química homogénea e invariable y que puede existir en más de una fase.
9.-
Estado : Es una situación determinada de la sustancia definida en función
de características denominadas “ propiedades ”.
En cada fase de una sustancia pueden existir una serie de puntos
termodinámicos o estados, los cuales se describen o especifican por sus
propiedades.
B.-
PROPIEDAD TERMODINAMICA.Es aquella característica descriptiva del estado de una sustancia y que en
un estado dado tienen un valor definido que será siempre el mismo, sin
importar la forma en que dicha sustancia alcanzó tal estado.Una
propiedad termodinámica o magnitud de estado es un parámetro que
define el estado en que se encuentra una sustancia, un sistema o un
volumen de control. También puede describirse una propiedad
termodinámica como cualquier característica observable de un sistema o
volumen de control. Desde una perspectiva matemática las propiedades
termodinámicas son funciones de punto y sus diferenciales son exactas,
por lo que su integración es una función simple.
Ej.
∫
TERMODINAMICA – I
=
−
= ∆
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
Todo sistema tiene propiedades físicas tales como :
1.-
Propiedad interna o termostática.- Se limita a las características de la
estructura química o física de la materia que se presenta en los sistemas en
equilibrio, ej. Presión, temperatura. Toda propiedad termostática es
función de las demás, no es necesario especificar el valor de todas las
propiedades termostáticas para determinar el estado interno de un sistema
en equilibrio, por ejemplo: bastan dos propiedades termostáticas
independientes para determinar el estado de una sustancia pura.
2.-
Propiedad externa o mecánica.- Es una característica del movimiento del
sistema o de su posición respecto a un marco de referencia en un campo
gravitatorio, ej. Velocidad, altura, etc.
3.-
Propiedades intensivas : Son características de cada sustancia e
independientes de su cantidad, no varían con una partición imaginaria del
sistema, se les representa con letras minúsculas, con excepción de la
temperatura.ej. Temperatura (T), presión (P), densidad (ρ), viscosidad (μ),
tensión superficial (σ), calor específico, etc.
4.-
Propiedades extensivas : Son aquellas propiedades que dependen de la
magnitud de la cantidad de materia (masa) considerada, para un mismo
sistema varían con una partición imaginaria del sistema. Se les representa
con letras mayúsculas, ej. Volumen (V), energía potencial (EP), capacidad
calorífica (Cp), etc.
5.-
Propiedad específica.- Son propiedades extensivas por unidad de masa.
Las propiedades específicas son también propiedades intensivas, por lo
que se representan por letras minúsculas, ej. Volumen específico (υ).
LAS PROPIEDADES DESCRIBEN UN ESTADO CUANDO EL
SISTEMA ESTA EN EQUILIBRIO
C.-
ESTADO TERMODINÁMICO.Denominado también estado de un sistema, queda definido cuando se da el
mínimo número de propiedades termodinámicas que fijan el sistema.
El estado termodinámico de un sistema se puede definir completamente
mediante 4 propiedades : La composición, la presión, el volumen y la
temperatura.
1.-
Parámetro termodinámico.- es aquella propiedad que como variable
independiente determina el estado termodinámico del sistema.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
2.-
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
Ecuación de estado.- es la relación entre tres propiedades que definen un
sistema homogéneo de masa definida. Ej. El sistema gaseoso queda
definido por:
V = f (P, T) …. Esto da origen a una ecuación de estado.
3.-
Cambio de estado.- Es una variación en una o más de las propiedades de
un sistema. Cualquier cambio detectable experimentalmente constituye un
cambio de estado.
m = 2 kg
T2 = 20 ºC
V2 = 2.5 m3
m = 2 kg
T1 = 20 ºC
V1 = 1.5 m3
a) estado 1
b) estado 2
también se puede representar por :
O2 (g, 10 atm., 20ºC)
O2 (g, 1 atm. , 20ºC)
Expansión isotérmica del O2 gaseoso.
D.-
PROCESO TERMODINAMICO.Es todo cambio de estado de equilibrio que se produce en un sistema o
volumen de control (V.C.). Es la trayectoria de la sucesión de estados por
los que evoluciona un sistema o V.C. en un cambio de estado. El proceso
requiere el conocimiento en las que se desarrolla el cambio de estado.
Estado 2
PropiedadA
Trayectoria del proceso
Estado 1
Propiedad B
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
Para describir un proceso es necesario especificar cada uno de los estados
intermedios, los estados inicial y final y las interacciones con los
alrededores. Los principales procesos son :
1.-
Proceso cuasi-estático.- Es un proceso durante el cual el sistema atraviesa
una serie contínua de condiciones de equilibrio en que las propiedades o
magnitudes de estado tienen constantemente valores bien definidos. Es
aquel estado en que la desviación del equilibrio termodinámico es
infinitesimal y todos los estados por los que pasa la sustancia durante el
proceso pueden considerarse como estados de equilibrio.
Los cambios de estado cuasi-estáticos son una idealización que solo se
cumple de un modo aproximado.
2.-
Proceso no estático.- En este proceso la situación de equilibrio del sistema
y por consiguiente sus propiedades no están muy bien definidas. En este
tipo de procesos sólo tendremos información de los estados inicial y final y
de los cambios totales ocurridos en él.
3.-
Proceso reversible.- un proceso se llama reversible si puede ser detenido
en cualquier punto de su desarrollo e invertirse el sentido del mismo,
pasando al invertirlo por los mismos estados por los que paso inicialmente,
sin producir cambios en el sistema o en el medio externo. Es aquel proceso
que puede regresar a su estado inicial en forma natural.
El concepto de proceso reversible es puramente ideal ya que no existe en la
realidad.
4.-
Proceso irreversible.- Es simplemente aquel proceso que no cumple con las
condiciones establecidas para un proceso reversible. Los procesos
irreversibles pueden variar tanto no estática como cuasi-estáticamente por
aproximación.
Todos los procesos reales (naturales) son irreversibles.
5.-
Proceso isotérmico.- cuando el cambio ocurre a dT = 0
6.-
Proceso isobárico.- cuando el cambio ocurre a dp = 0
7.-
Proceso isocórico o isométrico.- cuando la restricción del proceso es que el
cambio ocurre a dV = 0
8.-
Proceso adiabático.- cuando no hay intercambio de calor entre el sistema y
los sistemas limitantes cuando ocurre el cambio, es decir, dQ = 0
E.-
EQUILIBRIO TERMODINAMICO.-
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
Para estudiar en forma razonable el comportamiento de un sistema,
partimos generalmente de un estado de equilibrio de tal sistema,
denominado equilibrio termodinámico de un sistema lo que implica :
1.-
Equilibrio mecánico.- igualdad de tensiones, es decir las fuerzas externas
del sistema deben estar en equilibrio con las fuerzas internas del sistema
sobre el medio exterior, esto implica que no deben existir movimientos
macroscópicos dentro del sistema o del sistema con respecto al entorno.
2.-
Equilibrio térmico.- igualdad de temperatura, es decir, la temperatura
debe ser igual en todo el sistema y, a excepción del caso de un sistema
adiabático, igual a la temperatura del medio externo que rodea al sistema.
3.-
Equilibrio químico.- implica que la estructura de la materia y la
composición del sistema no deben variar con el tiempo.
UN SISTEMA EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO ES INCAPAZ DE
EVOLUCIONAR ESPONTÁNEAMENTE.
F.-
PRINCIPIO DE LA CONSERVACION DE LA MASA.“ La transferencia neta de masa hacia o desde el volumen de control
durante un intervalo de tiempo Δt es igual al cambio neto (incremento o
disminución) en la masa total dentro del volumen de control durante Δt ”.
_
masa total que entra
al V.C. durante Δt
masa total que sale
del V.C. durante Δt
mentrada – msalida = ΔmV.C.
=
cambio neto de masa
dentro del V.C. en Δt
……… (1) …… kg
ΔmV.C. = mfinal – minicial ; también se puede expresar como flujo másico:
̇
̇
entrada
entrada
control,
,
̇
. .
–
salida
̇
salida
=
. .
……… (2) …….. kg/s
son flujos másicos hacia adentro y fuera del volumen de
es la rapidez de cambio de masa con respecto al tiempo.
Las ec. (1) y (2) se conocen como balance de masa o materia y son aplicables a
cualquier volumen de control que experimenta alguna clase de proceso.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
a.- Considerando un volumen de control arbitrario.
Volumen de control
b.- La masa en dV (volumen diferencial) dentro del
volumen de control es:
dV
dm = ρdV
θ
dA
luego la masa total dentro
del volumen de control en
cualquier momento t se
determina como:
dm
Superficie de control
. .
= ∫.
.
….. (3)
La rapidez del cambio de masa dentro del VC se puede expresar como:
=
∫
……………… (4)
En el gráfico, la componente normal de la velocidad es:
.
vn = v cosθ =
………………………… (5)
El flujo másico por dA es proporcional a la densidad del fluido ρ, la velocidad
normal vn y el área de flujo dA, luego se tiene el flujo másico diferencial:
δ ̇ = ρvndA = ρ (v cosθ) dA = ρ ( . )dA
………. (6)
El flujo neto que entra o sale del volumen de control por toda la superficie de
control se obtiene integrando δ ̇ :
̇
̇ = ∫
= ∫
Reordenando los términos de la ec. (2)
−
̇
∫
+
̇
=
( .
= ∫
)
…….. (7)
se puede tener :
+ ∫
( . )
= 0
………. (8) (*)
(*) Ecuación general de la conservación de la masa.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
G.-
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA.“ El cambio neto (incremento o disminución) en la energía total del
sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total
que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso ”
Energía total que
entra al sistema
Energía total que
sale del sistema
-
Eent – E sal = ΔE sistema
=
Cambio en la energía
total del sistema
…….. (9)
Le ec. (9) representa el balance de energía y es aplicable a cualquier tipo de
sistema que experimenta cualquier clase de proceso.
H.-
SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL.La frontera es la superficie real o
imaginaria que separa al sistema
de sus alrededores
ALREDEDORES
SISTEMA
FRONTERA
NO MASA
SISTEMA
CERRADO
m = constante
SI ENERGIA
GAS
2 kg
1 m3
GAS
2 kg
4 m3
Sistema cerrado con frontera móvil
Frontera real
Frontera
imaginaria
VC
Volumen de control con frontera
real e imaginaria
(Tobera)
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
Volumen de control con fronteras fija y móvil
limite
móvil
VC
frontera
fija
VC
Superficie de
control
Sistema abierto con entrada y salida
Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control y
pueden ser reales o imaginarios.
I.-
PROCESOS Y CICLOS.-
Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el
sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, se
denomina proceso cuasi-estático o de cuasi-equilibrio.
Un proceso de este tipo puede considerarse lo suficientemente lento como
para permitirle al sistema ajustarse internamente de modo que las propiedades
de una de sus partes no cambian más rápido que las de otras
Compresión lenta
compresión muy rápida
(cuasi-equilibrio)
(no cuasi-equilibrio)
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL
DE INGENIERIA EN ENERGIA
Un proceso de cuasi-equilibrio es un proceso idealizado y no corresponde a
una representación auténtica de un proceso real, sin embargo son fáciles de
analizar y sirven como estándares con los que se pueden comparar los procesos
reales.
Todo proceso termodinámico debe representarse a través de un diagrama
trazado mediante el empleo de propiedades termodinámicas en forma de
coordenadas. Algunas propiedades comunes son temperatura (T), presión (p) y
volumen (V).
P
ej. Diagrama P – V de un proceso de
P2
Estado final
compresión
a
P1
Estado inicial
P3
b
V2
2
V1V
1
Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su estado inicial al
final del proceso; es decir para un ciclo los estados inicial y final son idénticos.
TERMODINAMICA – I
Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO