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Termodin

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TERMODIN MICA * * Experimento 2 Se disipa la energ a mec nica, sin embargo, la energ a se conserva, por otro lado, en virtud de la fricci n, la temperatura ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Termodin


1
TERMODINÁMICA
2
Campo de estudio de la termodinámica
  • Estudia los cambios de las variables
    macroscópicas de las sustancias, tales como la
    presión, volumen y la temperatura, entre otras,
    relacionadas con la energía que caracterizan a un
    sistema, como consecuencia del intercambio de
    calor y trabajo con sus alrededores.

3
Conceptos fundamentales
  • Sistema Internacional de Unidades
  • Dimensión es una cantidad física que define a un
    sistema de unidades.
  • Unidad fundamental a cada dimensión fundamental
    se le asigna una unidad llamada fundamental.
  • Unidades derivadas surgen de la combinación de
    unidades fundamentales, suplementarias y otras
    derivadas, según la ecuación algebraica que las
    relaciona.

4
Sistema Internacional de Unidades
Dimensión Dimensión Unidad Fundamental Unidad Fundamental
Nombre Símbolo Nombre Símbolo
Longitud L metro m
Masa M kilogramo kg
Tiempo T segundo s
Temperatura T kelvin K
Corriente eléctrica I ampere A
Intensidad luminosa candela cd
Cantidad de sustancia n, N mol mol
5
Propiedades termodinámicas
  • Masa Es una propiedad fundamental de tipo
    escalar y representa a la cantidad de materia,
    independiente de su ubicación geográfica puede
    medirse con una balanza en un campo gravitatorio.
    Se emplea para determinar si una propiedad de la
    sustancia es intensiva o extensiva.
  • Propiedad característica inherente a la materia,
    que puede medirse.
  • Propiedad intensiva su valor es independiente de
    la cantidad de sustancia.
  • Propiedad extensiva su valor depende de la
    cantidad de sustancia.

6
Ejemplos de propiedades
  • Propiedades extensivas
  • Volumen, peso, energía cinética, energía
    potencial gravitatoria.
  • Propiedades intensivas
  • Densidad, densidad relativa, peso específico,
    volumen específico, presión.

7
Sistemas termodinámicos
  • Sistema es una porción con masa del universo, la
    que se separa para su análisis.
  • Sistema cerrado es el que tiene una cantidad
    fija e invariable de masa y solo la energía cruza
    su frontera.
  • Sistema aislado un caso particular del sistema
    cerrado es el sistema aislado, en el cual, no hay
    transferencia de masa ni de energía a través de
    su frontera.
  • Sistema abierto permite el paso de energía y de
    masa a través de su frontera.

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Tipos de fronteras
  • Puede clasificarse en reales o imaginarias.

Clasificación de fronteras Clasificación de fronteras Clasificación de fronteras
Frontera Pasaje de masa Permeable
Frontera Pasaje de masa Impermeable
Frontera Interacción térmica Diatérmica
Frontera Interacción térmica Adiabática
Frontera Interacción mecánica Flexible
Frontera Interacción mecánica Rígido
9
Ley cero de la termodinámica
  • Cuando dos sustancias A y B están en condiciones
    térmicas distintas y alcanzan simultánea y
    separadamente el equilibrio térmico con un tercer
    sistema, originalmente en condición térmica
    distinta de los demás, entonces es un hecho
    experimental que las sustancias A y B tienen que
    estar en equilibrio térmico entre sí. En otras
    palabras, hay una propiedad que indiscutiblemente
    tiene el mismo valor en cada sustancia que esté
    en equilibrio térmico esta propiedad se llama
    temperatura.

10
Concepto de temperatura
  • En palabras sencillas el mensaje de la ley cero
    de la termodinámica es todo cuerpo tiene una
    propiedad llamada temperatura. Cuando dos cuerpos
    están en equilibrio térmico su temperatura es la
    misma.
  • Es una propiedad fundamental y puede entenderse
    como aquella propiedad que permanece invariable
    cuando dos sustancias están en equilibrio térmico.

11
Escalas de temperatura
  • Celsius utilizó los puntos normales de
    congelación y ebullición del agua.

12
Escalas de temperatura
  • Escala absoluta o de Kelvin.
  • Se demostró que un gas ideal a presión constante
    tiene un Vf(T). Se pensó que la temperatura más
    pequeña era aquella con volumen igual a cero, ya
    que no hay volúmenes negativos. Se asoció O (K)
    -273,15 (C).

13
Concepto de calor
  • Calor Es energía en tránsito. Se manifiesta
    cuando dos o más sistemas con temperaturas
    distintas se ponen en contacto mediante fronteras
    diatérmicas.
  • Sensible se manifiesta cuando la temperatura
    cambia. No hay cambio de fase.
  • Latente se manifiesta cuando no cambia la
    temperatura. Hay cambio de fase.

14
Ecuaciones del calor
15
Curva de calentamiento del agua
16
Signo de calor
17
Modelo matemático que representa la relación
entre los valores experimentales calor y
temperatura
18
Concepto de energía
  • Es una cantidad física de tipo escalar que
    latente o manifiesta es capaz de producir cambios
    en la materia o en sus alrededores.
  • Pregunta La energía es propiedad?

19
Energías en transición calor y trabajo
Clasificación de energía Clasificación de energía Clasificación de energía Clasificación de energía
Energía En tránsito Calor (Q) Trabajo(W) Calor (Q) Trabajo(W)
Energía Como propiedad del sistema Mecánicas Cinética(EC) Potencial gravitatoria (EP)
Energía Como propiedad del sistema Interna(U) Nuclear Potencial eléctrica Eólica Química Etc. Interna(U) Nuclear Potencial eléctrica Eólica Química Etc.
20
Definición de trabajo
21
Signo del trabajo
Compresión
Expansión
22
Trabajo casiestático
  • Es aquél en el que la interacción que produce el
    cambio difiere en menos de un infinitésimo del
    valor de la propiedad sobre la influye.
  • Es el proceso en el que el cambio se efectúa muy
    lentamente, de tal forma, que el sistema está
    siempre en equilibrio termodinámico. Sin embargo,
    el estado final es diferente del inicial.

23
Experimento de James Prescott Joule
  • Un recipiente adiabático contiene una cierta
    cantidad de agua, con un termómetro para medir su
    temperatura, un eje con unas paletas que se ponen
    en movimiento por la acción de una pesa, tal como
    se muestra en la figura.

24
Experimento de Joule
  • La versión original del experimento, consta de
    dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del
    eje.
  • La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente
    constante, pierde energía potencial, entonces el
    agua agitada por las paletas se calienta debido a
    la fricción.
  • Si el bloque de masa (m) desciende una altura
    (a), la energía potencial disminuye en mga, y
    ésta es la energía que se utiliza para calentar
    el agua (se desprecian otras pérdidas).

25
Experimento de Joule
  • Joule encontró que la disminución de energía
    potencial es proporcional al incremento de
    temperatura del agua. La constante de
    proporcionalidad (la capacidad térmica específica
    del agua) es igual a 4,186 (J/(g ?C)). Por
    tanto, 4,186 (J) de energía mecánica aumentan la
    temperatura de 1(g) de agua en 1(C).
  • Se define la caloría como la cantidad de energía
    calorífica necesaria para elevar 1(C), la
    temperatura de 1(g) de agua pura, desde 14,5 (C)
    a 15,5 (C), a una presión normal de 101,325
    (kPa).

26
Conceptos
  • Estado es el conjunto de valores de las
    propiedades intensivas de un sistema en un
    momento dado.
  • Estado de equilibrio es aquel cuyas propiedades
    intensivas tienen valores independientes del
    tiempo.
  • Proceso es el pasaje del sistema desde un estado
    de equilibrio inicial a otro estado de equilibrio
    final.
  • Cualidad matemática de una propiedad la
    característica matemática de una propiedad de la
    sustancia como función, es que da una diferencial
    exacta.

27
Proceso Cíclico
  • En el proceso cíclico ?P O y ?v O

28
Postulado de estado
  • La experiencia señala que en el caso de fluidos
    simples, el estado termodinámico se define cuando
    se fija el valor de cualesquiera de dos
    propiedades independientes e intensivas.
  • Un proceso casiestático se representa con una
    línea continua. En puntos consecutivos de esta
    línea el valor de la propiedad prácticamente no
    cambia.

29
Diagrama (v,P)
  • Gracias al postulado de estado es posible trazar
    diagramas termodinámicos.

30
Primera ley de la termodinámica
  • Basado en pruebas experimentales, la primera ley
    de la termodinámica, establece lo siguiente
  • Q W ?EC ?EP ?U

31
Primera ley de la termodinámica
  • Se observó que el cambio en la energía del
    sistema cerrado (dEs) es igual a la suma de las
    energías en tránsito.
  • Para un sistema cerrado que experimenta un
    proceso cíclico, el principio de conservación de
    la energía se reduce a

Diferencial exacta
Dos diferenciales inexactas
32
Experimento 1
  • Experimento 1 en un sistema adiabático, deje que
    la canica se mueva sin fricción.
  • La energía del sistema y la energía mecánica se
    conservan.

33
Experimento 2
  • Experimento 2 deje que la canica se mueva con
    fricción.
  • Se disipa la energía mecánica y como la energía
    se conserva, se piensa en otro tipo de energía
    (que puede convertirse una en la otra).

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Experimento 2
  • Se disipa la energía mecánica, sin embargo, la
    energía se conserva, por otro lado, en virtud de
    la fricción, la temperatura aumenta, en
    consecuencia se propone un tipo de energía que
    depende primordialmente de la temperatura,
    llamada energía interna (U).
  • Esenergía mecánica energía
    interna

35
Leyes de los gases
  • Ley de Boyle y de Mariotte

36
Leyes de los gases
  • Ley de Charles

37
Leyes de los gases
  • Ley de Charles existe un segundo enunciado de
    esta ley. Cuando el volumen de un gas permanece
    constante la presión de éste varía
    proporcionalmente con su temperatura.

38
Leyes de los gases
  • Ley de Gay-Lussac esta ley coincide con el
    segundo enunciado de la ley de Charles.

39
Ecuación del gas ideal
De 1 a 2 De 2 a 3 De 1 a 3

40
Ecuación del gas ideal
  • C es igual a la constante particular del gas.
    Generalizando
  • Ejercicio determine las unidades de R, en el
    Sistema Internacional de Unidades.

41
Procesos casiestáticos
  • Proceso isobárico
  • Pvnc
  • n es el índice politrópico
  • n0
  • Pv0c
  • Pc

42
Procesos casiestáticos
  • Proceso isométrico o isócoro
  • Se lleva a cabo dentro de fronteras rígidas,
    inmóviles e impermeables.
  • Pvnc
  • n?8
  • vc

43
Procesos casiestáticos
  • Proceso isotérmico
  • Pvnc
  • n1
  • Pvc

44
Procesos casiestáticos
  • Proceso adiabático
  • No hay interacciones térmicas, se realiza
    usualmente dentro de fronteras adiabáticas.
  • Pvnc
  • nk
  • k es el índice adiabático
  • Pvkc

45
Procesos casiestáticos
  • Proceso politrópico
  • Hay interacciones térmicas varían las
    propiedades de P, v y T.
  • Pvnc

46
Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos
  • Entalpia (H)
  • Es una propiedad termodinámica útil para
    realizar balances de energía.
  • HPVU
  • o bien dividiendo entre la masa, se obtiene
    la entalpia específica.
  • hPvu

47
Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos
  • memasa que entra
  • msmasa que sale
  • (dm)sistemadme-dms

48
Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos
  • Si el sistema opera bajo régimen estable, flujo
    permanente o flujo estacionario entonces no hay
    acumulación.
  • Por lo tanto, lo que entra es igual a lo que sale
    y se trabaja con régimen permanente.
  • Ecuación de continuidad

49
Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos en condiciones de estado estacionario y
de flujo permanente
  • En la expresión matemática siguiente, está
    contenido el trabajo de flujo, ya que h u Pv .
  • ?WflujoP dV
  • Dividiendo entre el tiempo

50
Práctica de laboratorio balance de energía en
sistemas termodinámicos abiertos
  • Calorímetro de flujo continuo

51
Práctica de laboratorio balance de energía en
sistemas termodinámicos abiertos
Calcule el porcentaje de exactitud del gasto
másico experimental.
52
Segunda ley de la termodinámica
  • Máquina térmica es un dispositivo que transforma
    calor en energía mecánica o trabajo.
  • QA W QB
  • W QA - QB

53
Máquina térmica operando a la inversa
  • Refrigerador
  • W QB QA
  • ß COP Coeficiente de operación o rendimiento

54
Enunciado de Kelvin-Planck
  • No es posible que un dispositivo que funcione
    cíclicamente reciba energía mediante
    transferencia de calor desde una fuente térmica y
    entregue exclusivamente energía en forma de
    trabajo al entorno.

55
Enunciado Clausius
  • Es imposible que un dispositivo cíclico funcione
    de tal manera que el único efecto sea transferir
    calor desde un depósito de temperatura baja a un
    depósito de temperatura alta.

56
Proceso reversible
  • Es un proceso casiestático, en este curso se
    toma en cuenta principalmente como causa de
    irreversibilidad a la fricción, sin embargo,
    también existe la transmisión de calor con una
    diferencia de temperaturas finita, la expansión
    irresistida, deformación inelástica, la
    resistencia eléctrica, las reacciones químicas,
    etc.

57
Teorema de Carnot
  • Es imposible construir un máquina que opere entre
    dos depósitos térmicos y que sea más eficiente
    que una máquina de Carnot que opere entre los
    mismos depósitos térmicos.

58
(No Transcript)
59
Desigualdad de Clausius
  • En un ciclo reversible como el de Carnot, se
    evalúa la integral cíclica siguiente

60
Desigualdad de Clausius
  • En un ciclo real o irreversible se tiene lo
    siguiente

61
Entropía
  • El cociente de es una propiedad llama
    entropía (dS). Por lo tanto, puede escribirse
    para un proceso reversible
  • o bien,
  • Para un proceso irreversible
  • o bien,

62
Principio de incremento de entropía
  • Sea un sistema aislado (dentro de un recipiente
    con paredes adiabáticas), como el siguiente
  • De acuerdo a la primera ley de la termodinámica
    la energía interna es constante, para un sistema
    aislado.

63
Principio de incremento de entropía
  • La segunda ley de la termodinámica establece que
  • Igual a cero para un proceso reversible y mayor
    que cero para un proceso irreversible, por lo
    tanto, S2 gt S1.
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