termodinamica i

Universidad Nacional del Santa
Escuela de Ingeniería Agroindustrial
TERMODINAMICA I
Semana N° 1
Dimensiones y unidades
CONTENIDO:
Volumen, presión, fuerza, trabajo
Temperatura, calor.
Energía cinética y potencial
Potencia
Sistema: definición y clases
Las dimensiones fundamentales, son reconocibles por nuestras percepciones sensoriales.
Las unidades, son los intervalos de tamaño específico de una escala de medida arbitraria.
Sistema Internacional de Unidades (S.I.)
Tiempo
Longitud
: segundo (s)
: metro (m)
masa
temperatura
: kilogramo (kgm)
: °K
En este sistema de unidades la fuerza es una magnitud que se deriva:
F = m .a = 1 Newton (N) = (1 kgm)(1 m/s2)
Prefijos para el sistema internacional:
nano n = 10-9
micro μ = 10-6
mili
centi
m = 10-3
c = 10-2
kilo k = 103
mega M =106
giga G = 109
tera T = 1012
: libra masa (lbm)
: °R
Fuerza
En sistema inglés, tiene como unidades fundamentales:
Tiempo
Longitud
: segundo (s)
: pie(ft) (m)
masa
temperatura
Así mismo se han establecido algunas equivalencias como:
1 pie (ft) = 0,3048 m
lbm (lbm) = 0,45359237 kgm
libra mol (lbmol) = 453,59237 mol
En el sistema ingles, la fuerza es una dimensión fundamental así como: la longitud, tiempo y la masa.
1 libra (lbf) = (1 lbm) (32,174 ft/s2)
F = (m .a)/gc
gc = (lbm/lbf).(ft/s2)
1 lbf = 4,4482216 N
Temperatura
0°C: punto de congelamiento de agua saturada con aire a la presión atmosférica y a 273,15 °K.
100°C: punto de ebullición del agua pura a la presión atmosférica.
Celsius
100°C
0°C
-273,15
Kelvin
373,15°K
273,15°K
0°K
Fahrenheit
212°F
32°F
-459,67°F
Rankine
671,67°R
491,67°R
0°R
1
Punto de ebullición
Punto de congelación
Cero absoluto
Ing. Víctor A. Castro Zavaleta
Docente de la Asignatura
Universidad Nacional del Santa
Escuela de Ingeniería Agroindustrial
Presión
En el Sistema Internacional
:
:
P = F/A = (1 N)/m2 = 1 Pascal (Pa)
bar unidad del SI
En el Sistema Inglés
:
P = lbf/in2 = 1 psi
Para una columna de fluido:
P = h ρ g: donde
h→ altura del liquido en la columna.
ρ→ densidad del líquido
g→ aceleración de la gravedad.
Otras unidades:
1 torr = 1 mm Hg a 0° en un campo gravitacional estándar = 133,322 Pa
Presión absoluta = presión manométrica + presión atmosférica.
1 bar = 105Pa = 102kPa = 1 atmósfera = 1 atm = 750,061 torr = 750,061 mm de Hg
Trabajo


W = F  dx = Fcosθ dx
Si θ = 0;
W = F dx = P A (dV)/A = P dV
Unidades en el SI:
1 Joule (1 J) = (1 N)(m)
W =  PdV
Unidades en el Sistema Ingles: (1 lbf)(ft) = 1,28508x10-3 Btu; 1Btu = 778,16(lbf)(ft)
Energía
δW = F .dx = m.a.dx = m (du/dt).dx = (dx/dt).(du) = m.u.du
Wm

u2
u1

1 2
m
u du =   u 22  u 12
2
2

 
m 2
 u
2
=
Energía cinética
Ek = (1/2).m.u2
Energía Potencial
W = F.(z2 – z1) = m.g.(z2 – z1) = m.g. ∆z
EP = m.g. ∆z
En el S. Ingles:
En el S. Ingles:
E cinética 
mu 2
2g c
E potencial 
mg
z
gc
Conservación de energía mecánica:
E cinética  E potencial  0
La energía mecánica, incluye a la energía cinética, potencial, y potencial de configuración (ejemplo un
resorte)
CALOR:
fuerza de energía o forma de energía.
Temperatura: fuerza impulsora para la transferencia de energía como calor.
1 lbf.ft = 1,3559 J
1 cal = 4,18 J
POTENCIA: razón de flujo de energía por unidad de tiempo.
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Ing. Víctor A. Castro Zavaleta
Docente de la Asignatura
Universidad Nacional del Santa
Escuela de Ingeniería Agroindustrial
(S.I.)
1 watt (w) = (1 J)/s = 1w
El estado del sistema se define especificando, los valores numéricos de sus propiedades tales como:
presión, temperatura y densidad.
Propiedad de estado: es aquella que su valor corresponde a un estado particular, es decir es
independiente de las etapas sucesivas del cambio, que experimenta el sistema.
SISTEMA: Región Del espacio real o imaginario que es objeto de estudio.
CLASES:
Aislado: no entra ni sale energía.
Adiabático: no entra ni sale calor.
Cerrado: no entra ni sale masa.
Abierto: intercambia masa con los alrededores.
PROBLEMA: En un cilindro vertical hay CO2 mantenido a una presión de 30 atm. Por un pistón de 57
lbm. Si g es 32,4 ft/s2 y la presión barométrica es de 29,9 in de Hg ¿cuál es el área del
pistón?
Solución
Pb = presión barométrica = 29,9 in = 1 atm
Pg = presión del gas = 30 atm
Pe = presión ejercida por el peso del pistón Pe = 30 atm – 1 atm = 29 atm
Ecuación: Area 
F
P

mg

57lbm 32, 4 ft / s 2
P
29atm

1atm
1, 013105 P a
A
lbm .ft / s 2
lbm .ft / s 2
1,013 105 P a
(57)(32,4)



Pa
(29)(1,013105 )
1,013 105 N / m 2 (29)(1,013105 ) N / m 2
A
1lbf
lbf
N

 1,95 105

(29)(1,013105 ) ( N / m 2 ) 32,174lbm .ft / s 2
N / m 2 4,448lbf
(57)(32,4)
(57)(32,4)


lbm .ft / s 2
2
 m.102 cm 
  4,3510 2 cm 2
A  4,35106 m 2  4,35 106 
 1m



A  0,0435cm 2  4,35mm 2
Nota:
1 lbf
1 poundal
1gf
1kgf
→ fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 lbm a 32,174 ft/s2
→ fuerza necesaria para acelerar una lbm a 1ft/s2
→ fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 gramo a 980 cm/s2
→ fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 kilogramo a 9,8 m/s2
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Ing. Víctor A. Castro Zavaleta
Docente de la Asignatura
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PROBLEMA: Una atmósfera normal soporta una columna de mercurio de 0.760 m de altura. Calcular
la presión que ejerce esta atmósfera en unidades S.I. e ingles. La ρHg es 13,6 g/cm3.
P = (ρ.g.h)/(gc) en el S.I.
Solución
ρ = 13,6 g/cm3 = 1,36x104 kg/m3
g = 9,80 m/s2
h = 0,76 m
gc = 1,0 (kg.m)/N.s2
P = 1,013 x 105N/m2 = 1,013 x 105 Pascal = 1,013 x 105 Pa
en el S. Inglés:
ρ = 13,6 g/cm3 = 847,3 lbm/ft3
g = 32,174 ft/s2
h = 0,76 m = 2,49 ft
gc = 32,174 (lbm.ft)/lbf.s2
P = 2109,8 lb/ft2 = 14,7 lb/in2 = 14,7 psi
Nota: 1 Btu: Cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1lbm de agua desde 59,5°F
a 60,5°F a la presión constante de una atm.
1 cal: cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua desde
14,5°C a 15,5C a la presión constante de una atm.
Nota: por convención se le asigna al punto triple del agua la temperatura de:
273,15°K
ó
491,69°R.
Nota: Punto crítico: punto de la curva de presión de vapor donde las fases liquida y gaseosa se hacen
tiene el mismo comportamiento fisicoquímico.
La temperatura critica es la temperatura mas elevada a la cual pueden COEXISTIR la fase liquida en
equilibrio con su VAPOR separado. Las propiedades de las fases SON IGUALES.
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Ing. Víctor A. Castro Zavaleta
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