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 2 TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA I.- ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.“ DOS CUERPOS ESTAN EN EQUILIBRIO TERMICO SI AMBOS TIENEN LA MISMA LECTURA DE TEMPERATURA INCLUSO SI NO ESTAN EN CONTACTO ” Fierro 150 ºC Cobre 20 ºC recinto aislado Fierro 60 ºC este equilibrio requiere que se construya un modelo que per- Cobre 60 ºC mita determinar de manera cuantitativa el valor del contenido energético del sistema Otra manera de definir la Ley cero es : “ SI DOS CUERPOS ESTAN EN EQUILIBRIO TERMICO CON UN TERCERO, ESTARAN EN EQUILIBRIO TERMICO ENTRE SI ” Es un enunciado muy simple y fácilmente aceptable, pero que a su vez tiene una enorme trascendencia en la Termodinámica, ya que es la base o principio de la medición de temperatura, en donde el tercer cuerpo mencionado viene a ser el termómetro. El sistema que permite asignar valores al nivel de contenido energético se denomina ITS – 90 (escala internacional de temperatura), que reemplaza a las ITS – 27, ITS – 48 y a ITS – 68. La ITS – 90 se extiende arriba de 0.65 K hasta la temperatura más alta medible en términos de la Ley de Radiación de Planck, mediante radiación monocromática. En la ITS – 90, la escala de temperatura está considerada en 4 intervalos: a).- de 0.65 K a 5 K, la escala se define en términos de la presión de vapor, relaciones de temperatura para 3He y 4He. b).- entre 3 K y 24.5561 K (punto triple del Ne) se define por medio de un termómetro de gas He, calibrado apropiadamente. TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA c).- de 13.8033 K (punto triple del H2) a 1234.93 K (punto de congelación de la Ag) se define a través de termómetros de resistencia de Pt calibrados en conjuntos especificados de puntos fijos de definición. d).- de 1234.93 K a más se define en relación a la Ley de Radiación de Planck, tomándose como punto fijo de definición el punto de congelación del Au, 1337.33 K La escala de temperatura termodinámica se determina asignando un punto de referencia de temperatura mínima como 0 K. En 1989, mediante técnicas de refrigeración en cascada se logró medir la temperatura más baja, de manera experimental el valor encontrado fue de: 0.000000002 K. A.- PROPIEDADES TERMOMETRICAS.- Muchos materiales, presentan ciertas propiedades físicas peculiares, tal como su comportamiento frente a la temperatura. Se emplea esta propiedad para construir aparatos que permitan medir la temperatura de un sistema, las características deseables de los materiales para tal efecto son: .- Volumen de gases, líquidos y sólidos. .- Presión de gases a volumen constante .- Resistencia eléctrica de sólidos .- Fuerza electromotriz de dos sólidos distintos. .- Intensidad de radiación (a temperaturas altas) .- Efectos magnéticos (a temperaturas extremadamente bajas). Para rangos de temperatura muy moderada, se emplea la propiedad termométrica de dilatación volumétrica de líquidos, ej. Termómetro de vidrio que contiene mercurio. Si se emplea la propiedad de resistencia eléctrica de algunos metales y semiconductores como propiedad termométrica, los dispositivos empleados para medir la temperatura se denominan termistores. TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA Si la propiedad termométrica empleada es la fuerza electromotriz de sólidos en contacto, el dispositivo se denomina termocupla o termopar. Si la propiedad termométrica empleada es la intensidad de radiación, el dispositivo recibe el nombre de pirómetro óptico. B.- ESCALAS DE TEMPERATURA.- Para medir la temperatura de cualquier sistema termodinámico, se emplean dos escalas: Absoluta y relativa, según el sistema de unidades a emplear. En el SI (sistema internacional) la escala absoluta empleada es la escala Kelvin ( K ), para la escala relativa, se emplea la escala Celsius ( ºC ), en el sistema de unidades inglesas, la escala absoluta a emplear es la escala Rankine ( ºR ) y la escala relativa a emplear es la escala Fahrenheit ( ºF ). En la determinación de la escala de temperatura, se parte de la asignación de un valor referencial para un punto elegido arbitrariamente como estado de referencia. En el SI este estado de referencia es el sistema donde coexisten en equilibrio el agua sólida, líquida y gaseosa, a este punto denominado PUNTO TRIPLE DEL AGUA, se le ha asignado el valor de 273.16 en la escala Kelvin, valor que se diferencia en 0.01 K del valor del punto normal de congelación del agua, por lo que se define el valor de 273.15 K (1 atm) como punto de referencia de temperaturas, esto equivale a 0 ºC. K ºC ºR ºF temperatura normal de ebullición del agua 373.15 99.97 671.67 211.95 punto triple del agua 273.16 0.01 491.69 32.02 Cero absoluto TERMODINAMICA - I 273.15 0.00 491.67 0.00 – 273.15 0.00 32.00 – 459.67 Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA Las relaciones de conversión de temperaturas son: C.- T ( ºC ) = T ( K ) – 273.15 …………. (1) T ( K ) = T ( ºC ) + 273.15 …………. (2) T ( ºR ) = 1.8 T ( K ) …………. (3) T ( ºF ) = T ( ºR ) – 459.67 …………. (4) T ( ºR ) = T ( ºF ) + 459.67 ………. (5) T ( ºF ) = 1.8 T ( ºC ) + 32 …….… (6) TERMOMETRO DE GAS IDEAL.- Es un dispositivo que emplea la propiedad termométrica definida como la relación de la variación de la presión del gas a volumen constante con la variación de la temperatura. P atmosférica z bulbo frontera del sistema a presiones extremadamente bajas , el producto Pυ varia linealmente con la temperatura, por lo tanto empleando una temperatura de referencia T* se puede encontrar que : ∗ = A volumen constante, se tiene : Finalmente : TERMODINAMICA - I T(K) ( = 273.16 )∗ ∗ ……. (7) = ∗ ……. (8) Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA P y Ppt son presiones absolutas. El dispositivo mostrado mide verdaderamente la temperatura termodinámica. II.- PROPIEDADES FISICAS DE LAS SUSTANCIAS.1.- 2.- 3.- DENSIDAD.-Se define como la relación de la masa por unidad de volumen ρ = = kg/m3 ; g/cm3 ; lb/ft3 . ……. (10) VOLUMEN ESPECÍFICO.- Es la relación del volumen de una sustancia con referencia a su masa; es el recíproco de la densidad. = = …… (11) m3/kg ; ft3/lb ; cm3/gr PESO ESPECIFICO.- Es la relación del peso de una sustancia por unidad de volumen. γ = w = A.- ..…..(9) DENSIDAD RELATIVA.- Es la relación de la densidad de una sustancia con la densidad del agua a una temperatura dada ( 4ºC ; 20 ºC ó 60 ºF ). Como la máxima densidad del agua se da a 4 ºC, ésta se toma normalmente como referencia ( 1.000 g/cm3 , 1000 kg/m3 ; 62.4281 lb/ft3 ). υ = 4.- = = = …. (12) PRESION.-Se define como la fuerza normal ejercida por un sistema sobre un área unitaria de su frontera. Para un fluido en equilibrio estático, la relación entre la presión y la elevación dentro del fluido está dado por la ecuación básica de la estática de fluidos. TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA Z ΔZ ( P + ΔP ) A ΔP A = – ρVol g = – ρ ( A ΔZ ) g ΔP = – ρΔZ g ρ(vol)g dP = – γ dZ = 0 = P A – ( P + ΔP ) A – ρVol g Fluido O ∑ PA ……………….. integrando se tiene ΔP = – γ ΔZ …………… ΔP = – ρg ΔZ Generalmente se escribe : B.- ΔP = ρg h = γ h …… (13) UNIDADES DE PRESION.- En el sistema SI la unidad de presión es el Pascal ( Pa ) : fuerza/área Pa = = . . = . ….. (14) Como el Pascal es una unidad de presión muy pequeña, generalmente se emplea el kPa o el MPa ; también se puede emplear las siguientes unidades : Bar = 105 N/m2 = 102kPa = 0.1 MPa 1 atm = 1.01325 bar = 1.01325 x 105 N/m² = 14.696 lbf / in² (psi) 1 atm = 760 mm Hg= 1.01325 kgf/cm² Condiciones estándar de g y T, nivel del mar y 45º latitud. ( 273.15 K y 9.80665 m/s² ) C.- PRESION ABSOLUTA Y MANOMETRICA.- TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA La presión barométrica es considerada como la presión local o presión atmosférica real, su valor es variable, dependiendo del lugar y del tiempo, se mide mediante un dispositivo llamado barómetro. La presión en un lugar determinado de un sistema puede estar referida a la presión cero o a la presión atmosférica P=1 Presión manométrica Presión atmosférica estándar Presión atmosférica local presión de vacío Presión absoluta P=2 Presión atmosférica presión absoluta P=0 Del diagrama se puede deducir que: Pabsoluta = Patmosférica + Pmanométrica ……. (14) Mientras que no se afirme lo contrario, la presión siempre se considera atmosférica normal. La presión manométrica se mide mediante un dispositivo llamado manómetro, el valor que indica este dispositivo siempre es mayor que la presión TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGIA atmosférica y si marca un valor negativo, se trata de una presión de vacío, que es menor que la presión atmosférica. Para los cálculos se emplea la siguiente notación: (SI) Patm. ; Pman. ; Pabs. En el sistema inglés : Psi = poundal square inch ( lbf/in²) (P. atmosférica) Psia = poundal square inch absolute(P. absoluta) Psig = poundal square inch gauge (P. manométrica) El manómetro es un dispositivo que se emplea para medir una diferencia de presión en función de la altura de una columna líquida; el fluido manométrico puede ser cualquier fluido, generalmente se emplea el mercurio ( ρ20ºC = 13.550 kg/m3). Patmosférica Gas A h PA> Patm. g = 9.80665 m/s² TERMODINAMICA - I ΔP = ρ . g . h = γ . h Líquido manométrico ……………… g = 32.174 ft/s² Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO