Termodinámica Unidad 1 Fundamento Teórico

Termodinámica:
Fundamento Teórico
Presenta: M. I. Ruiz Gasca Marco Antonio
Instituto Tecnológico de Tláhuac II
Agosto, 2015
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
1 / 17
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Introducción y objetivo
1.1 Termodinámica y energía
1.2 Dimensiones y Unidades
1.3 Conceptos básicos
1.4 Propiedades
Ejercicio
1.5 Ley cero de la Termodinámica
1.6 El principio de conservación de la masa
Ejercicio
1.7 Formas de energía
1.8 Eficiencia en la conservación de la energía
1.9 Energía y ambiente
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
Ejercicios
Conclusiones
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
2 / 17
Introducción y objetivo
El conocimiento que actualmente poseemos de ésta ciencia es producto de
múltiples esfuezos durante generaciones.
La imágen sólo muestra algunos de ellos, la lista de logros y autores es mayor
y sigue creciendo.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
3 / 17
Introducción y objetivo
Objetivo:
Comprender los principios teóricos fundamentales y propiedades
relacionados con el manejo de la energía y aplicarlos al análisis de
sistemas y procesos termodinámicos con énfasis en el uso responsable de
la energía.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
3 / 17
1.1 Termodinámica y energía
Fundamento teórico:
Termodinámica y energía.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
4 / 17
1.1 Termodinámica y energía
La termodinámica es una ciencia (pertenece tanto de la física como la
quiímica) que comprende el estudio de las transformaciones energéticas y de
las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por
dichas transformaciones.
La energía (del griego energeia, actividad, operación; energos, fuerza de
acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones,
relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en
movimiento. En física,se define como la capacidad para realizar un trabajo.
En termodinámica encontramos: Energía interna, Energía térmica y Potencial
termodinámico.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
4 / 17
1.1 Termodinámica y energía
El uso de la energía por parte de los países industrializados constituye un
factor importante de su continuo crecimiento. Las naciones subdesarroladas
deben mejorar sus estándares de vida, eso conducirá a estudios para mejorar
el uso de los recursos energéticos en todo el mundo.
De este modo, la Termodinámica continuará efectuando una aportacion
valiosa al estudio de nuevos sistemas de energía, así como renovar los ya
conocidos.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
4 / 17
1.1 Termodinámica y energía
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
4 / 17
1.2 Dimensiones y Unidades
Fundamento teórico:
Dimensiones y unidades.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
5 / 17
1.2 Dimensiones y Unidades
Las dimensiones son nombres que caracterizan a las magnitudes físicas.
En ingeniería, cualquier ecuación que relacione magnitudes físicas tiene que
ser dimensionalmente homogénea.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
5 / 17
1.2 Dimensiones y Unidades
El sistema fundamental de unidades es el Sistema Internacional (SI), utiliza
7 dimensiones primarias con sus respectivas unidades.
Masa (kilogramo)
Longitud (metro)
Tiempo (segundo)
Temperatura (kelvin)
Corriente eléctrica (amperio)
Intensidad luminosa (candela)
Cantidad de sustancia (mol)
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
5 / 17
1.2 Dimensiones y Unidades
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
5 / 17
1.2 Dimensiones y Unidades
En ocasiones cuando los valores de las unidades son muy grandes o muy
pequeños se utilizan prefijos, lo cual simplificará la escritura en muchos casos.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
5 / 17
1.3 Conceptos básicos
Fundamento teórico:
Conceptos básicos.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
6 / 17
1.3 Conceptos básicos
Sistema termodinámico
Es una región del espacio tridimensional o una cantidad de materia,
delimitada por una superficie arbitraria. Cualquier análisis termodinámico
comienza por la elección del sistema, su frontera y entorno.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
6 / 17
1.3 Conceptos básicos
Sistema abierto
Es aquel en el que tanto la masa como la energía pueden atravesar las
fronteras elegidas.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
6 / 17
1.3 Conceptos básicos
Sistema cerrado
También llamado masa de control es un sistema en el que la masa no
atraviesa la frontera. La energía si puede atravesar sus fronteras.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
6 / 17
1.3 Conceptos básicos
Sistema aislado
En este caso ni la masa ni la energía pueden atravesar la frontera.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
6 / 17
1.4 Propiedades
Fundamento teórico:
Propiedades.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
7 / 17
1.4 Propiedades
Una propiedad es una característica de algún sistema, y dicha característica es
independiente de la historia del sistema.
En algunos casos es directamente measurable.
Puede ser una combinación matemática de otro tipo de propiedades.
También pueden ser aquellas definidas por las leyes de la termodinámica.
Se clasifican en extensivas o intensivas.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
7 / 17
1.4 Propiedades
Propiedad extensiva
Su valor para todo el sistema es la suma de los valores de los distintos
subsistemas o partes. Por ejemplo el volumen V, la energía E y la cantidad de
carga eléctrica Q, generalmente se denotan con mayúsculas.
Propiedad intensiva
Tienen valores independientes al tamaño o cantidad de masa del sistema.
Temperatura, presión, densidad, velocidad y concentración química son
ejemplos de propiedades intensivas.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
7 / 17
1.4 Propiedades
Propiedad específica
Cuando una propiedad extensiva se divide por la masa del mismo sistema, una
propiedad específica es una propiedad intensiva.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
7 / 17
1.4 Propiedades
Definiciones requeridas (investigar):
Masa de control
Peso
Volumen de control
Masa
Estado
Fuerza
Equilibrio
Trabajo
Proceso
Calor
Proceso de flujo estable
Densidad
Fase trayectoria
Peso específico
Ciclo
Volumen específico
Procesos de flujo estable y
transitorio
Volumen molar
Energía y formas de
energía
Marco Antonio (ITT II)
Leyes fundamentales de la
termodinámica
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
7 / 17
Ejercicio
Ejercicios:
1.- (Unidades) El peso W de una herramienta del transbordador espacial es de
100[N], en un lugar donde la aceleración local de la gravedad es de 9,6[m/s2 ].
Obtenga (a) la masa del metal en kilogramos, y (b) el peso del metal sobre la
superficie de la Luna, donde g = 1,67[m/s2 ].
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
8 / 17
Ejercicio
Solución al problema 1:
(a) masa del objeto
Incógnitas planteadas; m masa en la Tierra (kg) y peso en la luna Fluna ,
en N.
Basados en la segunda ley de Newton, el peso es una fuerza, y la
aceleración es igual a la gravitatoria a = g, se puede escribir W = mg.
1000
W
Despejando m =
=
= 10,42 kg.
g
9,6
(b) peso en la superficie lunar:
La masa no varía, independientemente de su localización.
Peso = Fluna = mg = 10,42 × 1,67 [N]
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
8 / 17
1.5 Ley cero de la Termodinámica
Fundamento teórico:
Ley cero de la Termodinámica.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
9 / 17
1.5 Ley cero de la Termodinámica
Ley cero de la Termodinámica
Considere dos sistemas A y B están en equilibrio térmico cada uno de ellos
con un tercero C, por tanto los sistemas A y B están en equilibrio térmico
entre sí.
En la práctica, el tercer sistema de la ley cero es un termómetro.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
9 / 17
1.5 Ley cero de la Termodinámica
La ley cero y el enunciado anterior nos permiten darnos cuenta de lo
importante que es la temperatura en la termodinámica. Las siguiente
propiedades se utilizan en los dispositivos de medida:
Volumen de gases, líquidos y sólidos (termómetro de vidrio)
Presión de gases a volumen constante (termómetro de gas)
Resistencia eléctrica de sólidos (termistor)
Fuerza electromotriz de dos sólidos distintos (termopares)
Intensidad de radiación (pirómetros ópticos o de radiación)
Efectos magnéticos (temperaturas extremadamente bajas)
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
9 / 17
1.6 El principio de conservación de la masa
Fundamento teórico:
El principio de conservación de la masa.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
10 / 17
1.6 El principio de conservación de la masa
Ley de conservación de la masa
También enunciada como ley de conservación de la materia o ley de
Lomonósov-Lavoisier es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias
naturales.
Mijaíl Lomonósov en 1745
Antoine Lavoisier 1785.
Se puede enunciar: En una reacción química ordinaria, la masa permanece
constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa
obtenida de los productos.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
10 / 17
1.6 El principio de conservación de la masa
Principio de conservación de la masa para un volumen de control
Considere ausencia de reacciones nucleares, la masa entonces es una
propiedad conservativa. Para un Volumen de control (VC) el principio puede
enunciarse:
(Variación de masa dentro de un VC durante un intervalo de tiempo) =
(masa total que entra al VC durante un intervalo de tiempo) −
( masa total que sale del VC durante un intervalo de tiempo)
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
10 / 17
Ejercicio
Enunciar la expresión de la primera ley de manera analítica, usando las
variables mVC , msVC , me . Además explique tres posibles casos
(mVC = msVC , mVC < msVC , mVC > msVC ) basados en el análisis de
desigualdades ejemplificando con gráficas (ṁ,t).
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
11 / 17
1.7 Formas de energía
Fundamento teórico:
Formas de energía.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
12 / 17
1.7 Formas de energía
Usualmente algunos de estos conceptos se introducen en los cursos de
mecánica ó física general, sin embargo vamos a revisitar algunos de ellos.
Trabajo Mecánico
El trabajo mecánico en un desplazamiento finito desde la posición 1 a la
posición 2 se obtiene de la siguiente integral:
Z s̄2
Wmec =
F̄ext ds̄,
s̄1
sus unidades más utilizadas en termodinámica son: newton-metro (Nm), julio
(J), kilojulio (KJ). En el sistema USCS (inglés) son: pie-libra fuerza (ft lb) y
la únidad térmica británica (Btu).
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
12 / 17
1.7 Formas de energía
Energía cinética traslacional
El trabajo de aceleración es el realizado sobre el sistema para cambiar su
velocidad, de un estado 1 a otro estado 2 y puede escribirse:
1
1
Wac = mV22 − V12 = ∆Ec
2
2
Energía potencial gravitatoria
El trabajo gravitatorio es el realizado sobre el sistema para cambiar su altura,
de un estado 1 (posición z1 ) a otro estado 2 (z2 ) y puede escribirse:
Wgrav = mgz2 − mgz1 = ∆Ep
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
12 / 17
1.7 Formas de energía
El trabajo mecánico puede modelarse combinando ambas expresiones cuando
existen ambas en la dinámica del sistema, esto es:
Wmec = ∆Ec + ∆Ep
d
Además definiremos (∆Ec + ∆Ep ) = Ẇmec como la potencia siendo La
dt
velocidad a la que se transfiere energía a través de la frontera de un sistema
mediante trabajo. Más adelante (en la primera ley de la termodinámica) se
estudiará la interacción de este balance energético con el término Q de calor.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
12 / 17
1.7 Formas de energía
Trabajo en eje
También llamado trabajo mecánico rotatorio, se evalúa en función del par
requerido en el extremo del eje.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
12 / 17
1.7 Formas de energía
Trabajo eléctrico
Considerando la intensidad de corriente I y la diferencia de potencial V que se
miden en la frontera del sistema (análogamente al trabajo en eje) cuando se
mueve una pequeña carga de un punto 1 a 2 en un campo electrostático.
Además Ẇ se denomina la potencia eléctrica
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
12 / 17
1.8 Eficiencia en la conservación de la energía
Fundamento teórico:
La eficiencia es un indicador numérico de aprovechamiento, ya sea expresado
entre 0 y 1, ó en porcentaje de 0 a 100. Suele denotarse con la letra griega η:
η=
ESalida
EEntrada
El concepto es muy general y puede aplicarse a sistemas eléctricos,
hidráulicos, incluso económicos, entre otros.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
13 / 17
1.9 Energía y ambiente
Fundamento teórico:
Energía y ambiente.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
14 / 17
1.9 Energía y ambiente
El comportamiento del medio ambiente puede modelarse con elementos de la
ciencia de la termodinámica, entre más acertado sea un análisis disponemos
de argumentos más sólidos para debatir los fenómenos que nos conciernen:
Efecto invernadero.
Efectos por deforestación.
Factores externos como la actividad solar.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
14 / 17
1.9 Energía y ambiente
En la imágen de la
derecha un ejemplo del
uso de las leyes de la
termodinámica para el
estudio formal de los
efectos en el uso de
celdas solares sobre
espacios cerrados.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
14 / 17
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
Fundamento teórico:
Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
15 / 17
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
En principio, los sistemas biológicos NO están en equilibrio termodinámico.
Las interacciones y transformaciones energéticas, están dadas principalmente
por cuatro elementos:
Hidrógeno (63 % aprox.)
Oxígeno (25.5 % aprox.)
Carbono (9.6 % aprox.)
Nitógeno (1.4 % aprox.)
1.4 % restante para otros 20
elementos esenciales para la vida.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
15 / 17
1.10 Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos
El principio de Margale
Los seres vivos son sistemas físicos (equivalencia) complejos, integrados por
un sistema disipativo y uno auto organizativo acoplados entre sí (condición).
Este es uno de varios enfoques, no el único, como por ejemplo los balances
químicos o teoría general de sistemas.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
15 / 17
Ejercicios
1.- Conversión de temperaturas, grados Farenheit ◦ F y grados Celsius ◦ C. (a)
Hallar la temperatura en la escala Celsius equivalente a 41 ◦ F. (b) Hallar la
temperatura en la escala Farenheit equivalente a 37 ◦ C. Considerando
5
tc = (tF − 32). Además obtenga para ambos su equivalente en la escala
9
absoluta Kelvin.
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
16 / 17
Ejercicios
(a) Aplicar directamente la ecuación con tc = 5 ◦ C
(b) Despejar de la ecuación a tc y reemplazar ic = 37 ◦ C,
9
tF = tc + 32 = 98,6 ◦ F
5
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
16 / 17
Ejercicios
1.- Un coche de carreras pequeño (kart) tiene una masa de 200 libras-masa
incluido el piloto y está propulsado por un motor de 3 hp. Estímese cuánto
tiempo tardaría el coche en alcanzar una velocidad de 40 millas por hora en
un circuito de carreras horizontal. ¿ Es esa estimación una cota superior o
inferior? Supóngase que se puede disponer de toda la potencia mecánica para
acelerar el coche.
Figura: Esquema y datos del ejemplo
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
16 / 17
Ejercicios
Considerando un sistema cerrado, aplicamos balance de energía
mecánica despreciando variaciones de energía potencial: ∆Ecmc = Wmec ,
donde Ecmc es la energía cin”etica de la masa de control.
Se puedeZutilizar esta relación potencia-trabajo:
Wmec =
Ẇmec dt = Ẇmotor ∆t.
Ya que la potencia motriz es constante, el balance queda:
1
Wmec = Ẇmotor ∆t = m(v22 − v21 ).
2
Ya que el coche arranca desde cero, consideramos v1 = 0, despejando
v2
1
tenemos ∆t = m 2
2 Ẇmotor
sustituyendo tenemos ∆t = 6,48
En termino realistas, tenemos una cota superior ya que ∆treal > 6,48s
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
16 / 17
Conclusiones
Conclusiones y parte final
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
17 / 17
Conclusiones
Gracias por su atención
Sección de preguntas, discusión, comentarios y
conclusiones
Marco Antonio (ITT II)
México D.F., Tláhuac
Agosto, 2015
17 / 17