Material de estudio

TERMODINAMICA AVANZADA
PROGRAMA:
MAESTRÍA EN GESTIÓN ENERGÉTICA INDUSTRIAL
Docente: Elizabeth Rodríguez Acevedo, MSc. IQ
elizabethrodriguez@itm.edu.co
CONCEPTOS BÁSICOS
DE TERMODINÁMICA
CONTENIDO
Introducción
Definición de termodinámica, sistema,
propiedades y equilibrio
Introducción a los balances de materia y
energía
Introducción a las leyes termodinámicas
Aplicación de conocimientos:
matemáticas y ciencias naturales
INGENIERÍA
Estudio, experiencia y práctica:
desarrollo de métodos económicos
de utilización de los materiales y
las fuerzas de la naturaleza
BENEFICIO DE LA
HUMANIDAD
TERMODINÁMICA
Herramienta que debe tener
un buen ingeniero para su
desempeño eficiente
Crea un puente entre los
conocimientos de las ciencias
naturales y los conocimientos
de las ciencias de ingeniería
TERMODINÁMICA
CLÁSICA
ESTADÍSTICA
Efectos globales
Nivel atómico
La estructura de la termodinámica clásica es
relativamente simple debido a que sus conceptos son
más fácilmente aceptables intuitivamente y a que las
matemáticas involucradas en su estudio no contienen
mayor complejidad o nivel de abstracción
Cuando se hacen estudios de sustancias a alta
temperatura y presión en procesos de generación de
energía magneto-hidrodinámica, etc, se debe
emplear un estudio basado en el comportamiento
estadístico de gran número de partículas (grupos del
orden de 1020 o superiores).
Se pueden predecir las relaciones entre las propiedades
de las sustancias, no puede mostrar por qué tales
relaciones tienen una forma particular.
Requiere un modelo de la estructura de las
sustancias, y combina técnicas de cálculo estadístico
y teoría de probabilidades con conocimientos de
teoría cuántica.
Los nuevos descubrimientos o teorías en este campo no
modifican la validez de los postulados de la
termodinámica
Posibilidad de predecir y explicar el comportamiento
macroscópico de la materia
Qué es la termodinámica?
Es la ciencia donde se tratan temas que relacionan los sistemas termodinámicos
con sus alrededores. De esta relación se desprenden la forma de aprovechamiento
energético de las sustancias, la generación de nuevas formas de energía y la
transferencia de materia para crear orden o desorden.
Transferencia de
energía, materia,
momentum y/o carga
eléctrica.
Chejne J. 2011
En la definición de termodinámica se dice que los
estudios se hacen entre estados de equilibrio (o
cerca del equilibrio). Esto quiere decir que solo se
consideran las características o propiedades de las
sustancias antes y después de un proceso de
cambio y NO durante dicho proceso, ni se estudia
el mecanismo o la velocidad a la cual se lleva a
cabo la transformación.
PROCESO
CARACTERÍSTICA
Isométrico
trayectoria a volumen constante.
Isóbarico
trayectoria a presión constante.
Isotérmico
trayectoria a temperatura constante.
Adiabático
trayectoria en la cual no hay transferencia de
energía en forma térmica (no hay flujo de calor).
Cíclico
la sustancia de trabajo, después de sufrir una
serie de transformaciones, siempre regresa a sus
condiciones iniciales. O sea que el cambio neto
de las propiedades del sistema es cero cuando
se lleva a cabo un proceso de esta naturaleza.
Reversible o irreversible
un proceso reversible es aquel que ocurre de tal
manera que es posible de algún modo regresar
el sistema y los alrededores a sus estados
iniciales. Un proceso que no cumpla con esta
condición es un proceso irreversible.
Qué es un sistema?
Vi
a. Una partícula
en movimiento
b. Un punto en
movimiento
c. Un sistema
Chejne J. 2011
Definición de propiedades como la densidad, la concentración, la temperatura, la
presión, la energía interna, el volumen, la cantidad de materia y la entropía, a
una escala macroscópica.
Chejne J. 2011
Un sistema es identificado por el valor de las
propiedades termodinámicas.
Cuando las
propiedades cambian sus cantidades, el sistema
cambia de estado.
Chejne J. 2011
Chejne J. 2011
Sistema abierto: El fluido
Sistema cerrado: El fluido
Hoyos B. 2007
Sistema aislado: bloques A y B
Ejemplos
Hoyos B. 2007
Qué es una propiedad?
Las características distintivas de la sustancia de trabajo reciben el nombre
de PROPIEDADES y son las cantidades que se pueden especificar para dar
una descripción macroscópica de la sustancia.
 Medición directa (por ejemplo masa, volumen, temperatura, presión,
etc.)
 Medidas indirectas o calculadas por medio de relaciones matemáticas
(como la entropía).
Cualquier tipo de combinación entre propiedades, como por ejemplo el
producto o suma de varias propiedades, es también una propiedad
Propiedades
intensivas
Propiedades
extensivas
son aquellas que NO
dependen de la
cantidad de sustancia
que hace parte del
sistema (como presión,
temperatura,
concentración)
son las que SI dependen de la masa del
sistema, algunas de estas propiedades son la
masa, el volumen, la energía, etc.
pueden
transformarse
a
propiedades
intensivas mediante su división por la masa o
por la cantidad de sustancia (moles) del
sistema, este tipo de propiedades son llamadas
propiedades específicas.
Principales propiedades
MASAS Y PESO
VOLUMEN Y DENSIDAD
TEMPERATURA
PRESION
ENERGÍA (CINÉTICA, POTENCIAL, INTERNA)
ENTROPÍA
Ejemplo
Hoyos B. 2007
Ejemplo
Hoyos B. 2007
Hoyos B. 2007
Ejemplo
Qué es un sistema en equilibro?
 Si en un sistema todas las fuerzas dentro de él se
contrarrestan exactamente y a su vez contrarrestan a las
fuerzas externas, se dice que el sistema y los alrededores
están en equilibrio mecánico.
 Si la temperatura dentro del sistema es uniforme e igual
a la temperatura de los alrededores, se tendrá entonces
un equilibrio térmico.
 Cuando la composición química del sistema no sufre
ningún cambio entonces se dice que el sistema está en
equilibrio químico.
 El equilibrio termodinámico implica que los equilibrios
mecánico, térmico y químico deben cumplirse al mismo
tiempo.
Cualquier perturbación ya sea externa o interna, puede alternar el estado del sistema de
distintas maneras
ESTADO DE
EQUILIBRIO
RELAJADO
Si el tiempo de la perturbación es mayor que el
tiempo que tarda el sistema en recuperar su
estado de equilibrio
ESTADO DE
EQUILIBRIO
CONGELADO
Si el tiempo de duración de la perturbación es
mucho menor que el tiempo de relajamiento
ESTADO FUERA DEL
EQUILIBRIO
Si ambos tiempos (tiempo de relajación y
tiempo de perturbación) son equiparables
tiempo de respuesta de un sensor para detectar el valor de una propiedad
Balances de masa
Hoyos B. 2007
Flujo Estable: En el interior del sistema no se presenta acumulación de masa
Flujo Uniforme: Se presenta variación de masa al interior del sistema a velocidad
constante
Hoyos B. 2007
Hoyos B. 2007
Balances de energía
Hoyos B. 2007
Ecuación general
Leyes termodinámicas
La ley cero de la termodinámica establece que si dos
sistemas, Ay B, están en equilibrio termodinámico, y B está
a su vez en equilibrio termodinámico con un tercer
sistema C, entonces A y C se encuentran en equilibrio
termodinámico. Este principio fundamental se enunció
formalmente luego de haberse enunciado las otras tres
leyes de la termodinámica, por eso se la llamó “ley cero”.
La primera ley de la termodinámica, también conocida
como ley de la conservación de la energía enuncia que la
energía es indestructible, siempre que desaparece una clase
de energía aparece otra (Julius von Mayer). Más
específicamente, la primera ley de la termodinámica
establece que al variar la energía interna en un sistema
cerrado, se produce calor y un trabajo. “La energía no se
pierde, sino que se transforma”.
La segunda ley de la termodinámica indica la dirección en
que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. En
esta ley aparece el concepto de entropía, la cual se define
como la magnitud física que mide la parte de la energía que
no puede utilizarse para producir un trabajo. La segunda ley
establece que en los procesos espontáneos la entropía, a la
larga, tiende a aumentar. Los sistemas ordenados se
desordenan espontáneamente. Si se quiere restituir el orden
original, hay que realizar un trabajo sobre el sistema.
La tercera ley de la termodinámica afirma que es imposible
alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un
número finito de procesos físicos, ya que a medida que un
sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía
tiende a un valor constante específico. A medida que el
sistema se acerca al cero absoluto, el intercambio calórico es
cada vez menor hasta llegar a ser casi nulo. Ya que el flujo
espontáneo de calor es unidireccional, desde los cuerpos de
temperatura más alta a los de temperatura más baja
(Segunda ley), sería necesario un cuerpo con menor
temperatura que el cero absoluto; y esto es imposible.
Bibliografía
Chejne Janna F.. Notas de clase. Curso de optimización de procesos. Universidad
Nacional de Colombia. 2010.
Chejne Janna F. Notas de clase. Curso de modelamiento y simulación de procesos
fisicoquímicos. Universidad Nacional de Colombia. 2010.
Hoyos Madrigal B. Fundamentos de termodinámica clásica para ingeniería.
Universidad Nacional de Colombia. consultado en línea, 2007.
Smith J M. Introducción a la Termodinámica en ingeniería química.
Howell J. Principios de termodinámica para ingenieros. 1990
Muller E. Termodinámica Básica. Segunda Edición. Universidad Simón Bolívar.
Venezuela. 2002.