Termodinamica

Termodinámica

1.1 Termodinámica y Energía

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. La energía es la capacidad para causar cambios. El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cuál corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos de convertir el calor en energía.

El principio de la conservación de la naturaleza expresa que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total pertenece constante. La energía no se crea ni se destruye.

La primera ley de la termodinámica 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 calidad de la energía.

La termodinámica surgió con Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 en Inglaterra con las primeras máquinas de vapor atmosféricas exitosas.

La primera y segunda leyes de la termodinámica surgieron en 1850 con William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin. El termino termodinámica lo uso por primera vez Lord Kelvin y William Rankine escribió en 1859 el primer texto sobre el tema.

La sustancia esta constituida por moléculas, y las propiedades dependen de estas. Al enfoque macroscópico que no requiere conocer el comportamiento de estas partículas se llama termodinámica clásica. El enfoque basado en los comportamientos de las partículas es la termodinámica estadística.

Áreas de aplicación de la termodinámica

Todas las actividades que tengan interacción entre la energía y la materia es área de estudio de termodinámica. Por eso comúnmente se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y de la vida cotidiana.

1.2 Importancia de las dimensiones y unidades

Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Existen las dimensiones primarias o fundamentales y las dimensiones secundarias o derivadas.

En la actualidad hay dos sistemas de unidades: el inglés y el internacional. El SI esta basado en una relación decimal entre unidades; mientras que el inglés se relacionan entre sí de manera arbitraria.

En 1790 la Asamblea Nacional Francesa creo una primera versión del sistema métrico pero tuvo aceptación hasta 1875. En 1960 se produjo el SI con seis unidades fundamentales: metro (m) para longitud, kilogramo (kg) para masa, segundo (s) para tiempo, ampere (A) para corriente eléctrica, grado Kelvin (ºK) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa (cantidad de luz). En 1971 se añadió mol (mol) para cantidad de materia.

Con base en el esquema de notación introducida en 1967, el símbolo de grado se eliminó en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta, y todo los nombres de unidades se escribiría con minúscula incluso si se derivan de nombres propios. Sin embargo, la abreviatura de una unidad se escribiría con mayúscula si la unidad provenía de un nombre propio.

Algunas unidades SI e Inglesas

En el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son kilogramos (kg), metro (m) y segundo (s), respectivamente. Las unidades correspondientes en el sistema inglés son libra-masa (lbm), pie (ft) y segundo (s).

En el sistema inglés, la fuerza es considerada comúnmente como una de las dimensiones primarias y se le asigna una unidad no derivada.

En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kg a razón de 1 m/s2 . En el sistema inglés, la unidad de fuerza es libra-fuerza (lbf) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm ( 1 slug) a razón de 1 ft/s2 .Otra unidad de fuerza que se utiliza es el kilogramo-fuerza (kgf), que es el peso de 1kg de masa a nivel del mar (1 kgf = 9.807 N).

El término peso es la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo, y su magnitud se determina a partir de la segunda ley de Newton.

W= mg

Donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleración gravitacional local.

El peso del volumen unitario de una sustancia se llama peso especifico γ y se determina a partir de γ = ρg, donde ρ es la densidad.

La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicación en el universo; sin embargo, su peso se modifica con un cambio en la aceleración gravitacional.

La fuerza de gravedad que actúa sobre una masa se debe a la atracción entre las masas y, por lo tanto, es proporcional a las magnitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Por consiguiente, la aceleración gravitacional g en un lugar depende de la densidad local de la corteza terrestre, la distancia al centro de la Tierra y en menor grado la posición de la Luna y el Sol.

El trabajo, que es una forma de energía, se puede definir simplemente como la fuerza multiplicada por la distancia; por lo tanto, tiene la unidad “newton-metro (N . m)”, llamado joule (J). En el sistema inglés, la unidad de energía es el Btu (British thermal unit), que se define como la energía requerida para elevar en 1 ºF la temperatura de 1 lbm de agua a 68 ºF. En el sistema métrico, la cantidad de energía necesaria para elevar 1 ºC la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 ºC se define como 1 caloría (cal), y 1 cal = 4.1868 J.

La unidad para la razón de tiempo de energía es el joule por segundo (J/s) que se conoce como watt (W). En el caso de trabajo la razón de tiempo de energía se llama potencia. Una unidad de potencia comúnmente usada es el caballo de fuerza (hp), que es equivalente a 746 W. La energía eléctrica se expresa típicamente en la unidad kilowatt-hora (kWh), que es equivalente a 3600 kJ.

Homogeneidad dimensional

Las ecuaciones deben ser dimensionalmente homogéneas. Es decir cada término de una ecuación debe tener la misma unidad.

Relaciones de conversión de unidades

Todas las unidades secundarias se forman através de combinaciones de unidades primarias. Las relaciones de conversión de unidades son igual a 1 y no tienen unidades; por lo tanto, tales relaciones (o sus inversos) se pueden insertar de manera conveniente en cualquier cálculo para convertir unidades.

1.3 Sistemas cerrados y abiertos

Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. La frontera de un sistema puede ser fija o móvil. La frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores.

Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo si se estudia masa fija o volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado (también masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Ninguna masa puede entrar o salir pero si la energía y el volumen no tiene que ser fijo. Incluso si se impide que la energía cruce se trata de un sistema aislado.

Un sistema abierto o un volumen de control tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control. En general, cualquier región arbitraria en el espacio se puede seleccionar como volumen de control.

Las fronteras en un volumen de control se conocen como superficie de control, y pueden ser reales o imaginarias. Un volumen de control puede ser fijo en tamaño y forma pero la mayoría tienen fronteras fijas y, por lo tanto, no involucran fronteras móviles. Puede haber interacciones de calor, trabajo y masa.

1.4 Propiedades de un sistema

Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Son intensivas o extensivas. Las intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema. Las extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema.

Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas.

Continuo

La materia esta constituida por átomos que están igualmente espaciados en forma de gas pero es conveniente considerar a la materia continua, homogénea y sin ningún hueco, es decir, un continuo.

El modelo es aplicable siempre y cuando la longitud característica del sistema sea mucho más grande que la trayectoria libre media de las moléculas. Si no se debe utilizar la teoría del flujo de gas enrarecido con el impacto de cada una de las moléculas.

1.5 Densidad y Densidad relativa

La densidad se define como la masa por unidad de volumen:

El recíproco de la densidad es el volumen específico v, que se define como el volumen por unidad de masa:

La densidad de una sustancia depende de la temperatura y la presión. La densidad de la mayoría de gases es proporcional a la presión e inversamente proporcional s la temperatura. Mientras que los líquidos y sólidos la variación de su densidad con la presión es insignificante; depende más de la temperatura.

Algunas veces la densidad se da como relativa a la de otra conocida. Entonces, se llama gravedad específica, o densidad relativa, y se define como el cociente de

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