Capitulo 1 Cengel

Introducción y Conceptos Básicos

Termodinámica y Energía

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El término Termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza). En la actualidad, el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

El principio de la conservación de la energía expresa que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante, es decir, la energía no se crea ni se destruye. El cambio en el contenido energético de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energía: E entrada - E salida=ΔE.

La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica. La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la cantidad de energía.

Esta ciencia surgió como tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las primeras máquinas de vapor. Se sabe bien que una sustancia está constituida por un gran número de partículas llamadas moléculas, y que las propiedades de dicha sustancia dependen del comportamiento de estas partículas. Sin embargo, no es necesario conocer el comportamiento de las partículas de gas para determinar la presión en el recipiente, bastaría con colocarle un medidor de presión. Este enfoque macroscópico se llama termodinámica clásica. Un enfoque más complicado, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales, el de la termodinámica estadística.

Áreas de la aplicación de la termodinámica

La termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida. Por ejemplo, el corazón bombea sangre en forma constante en todo nuestro cuerpo, diferentes conversiones de energía en trillones de células y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el ambiente. El confort humano tiene estrecha relación con la tasa de emisión de calor metabólico. Se intenta controlar esta transferencia de calor ajustando la ropa a las condiciones ambientales.

Muchos utensilios domésticos y aplicaciones están diseñados, completamente o en parte, mediante los principios de la termodinámica. Ejemplo: la estufa eléctrica o de gas. En una escala mayor, la termodinámica desempeña una parte importante en el diseño y análisis de motores automotrices, cohetes, motores de avión, plantas de energía, etcétera.

Importancia de las dimensiones y unidades

Cualquier cantidad física se caracteriza por dimensiones. Las magnitudes asignadas a la dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas como masa, longitud, tiempo, y temperatura se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad, energía y volumen se expresan en términos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.

Relaciones de conversión de unidades

Así cómo es posible formar dimensiones no primarias mediante combinaciones adecuadas de dimensiones primarias, todas las unidades no primarias (unidades secundarias) se forma a través de combinaciones de unidades primarias. Así mismo, se pueden expresar de modo más conveniente como relaciones de conversión de unidades.

Sistemas cerrados y abiertos

Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. Un sistema cerrado (conocido también como una masa de control) consta de una cantidad fija y ninguna otra puede cruzar su frontera. Como caso especial, incluso se prohíbe que la energía cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado. Un sistema abierto o volumen de control, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico; tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control, y pueden ser reales o imaginarias. En el caso de una tobera, la superficie interna de esta constituye a la parte real de la frontera, mientras que las áreas de entrada y salida forman la parte imaginaria, puesto que ahí no hay superficies físicas.

Un volumen de control puede ser fijo en tamaño y forma, como en el caso de una tobera, o bien podría implicar una frontera móvil. Sin embargo, la mayor parte de los volúmenes de control tienen fronteras fijas y, por lo tanto, no involucran fronteras móviles. Al igual que un sistema cerrado, en un volumen de control también puede haber interacciones de calor y trabajo, además de interacción de masa.

Propiedades de un sistema

Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Se consideran que las propiedades son intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como la temperatura, presión y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema; la masa total, volumen total y cantidad de movimiento

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