TERMODINÁMICA Y ENERGÍA

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE CHIAPAS

CATEDRÀTICO:

Dr. Francisco Lee Orantes

ALUMNO:

Guillermo Faviàn Marroquín Jiménez 093044

MATERIA:

Termodinamica

GRADO: GRUPO:

7 "B"

CARRERA:

Ing. Mecatrónica

NOMBRE DE LA INVESTIGACIÒN:

Resumen cap. 1 cengel

Tuxtla Gutiérrez Chiapas a 26 de septiembre del 2011

TEMAS:

* TERMODINÁMICA Y ENERGÍA

* AREAS DE LA TERMIDINAMICA

* NOTAS A CERCA DE LAS DIMENCIONES Y UNIDADES.

* HOMOGENIEDAD DIMENSIONAL

* FORMAS DE LA ENEGIA

* PROPIEDADES DEL SISTEMA.

* ESTADO Y EQUILIBRIO

* PROYECTOS Y CICLOS

* POSTULADOS DE ESTADOS

* PRESIÓN.

* MANÓMETRO

* BARÓMETRO

* ESCALAS DE TEMPERATURA

* TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICA Y ENERGÍA

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. Aunque todos tenemos un concepto de lo que es la energía, es difícil dar una definición precisa de él. La energía es la capacidad para producir cambios.La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos termos (calor) y dinamos (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de la conservación de la energía. El cual establece que durante una interacción, la energía puede cambiar en una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante, es

decir no puede crearse ni destruirse.

La primera ley de la termodinámica, afirma que la energía es una propiedad de la termodinámica, según la segunda ley de la termodinámica, la energía tiene tanto calidad como cantidad y los procesos reales tienden a la disminución de la calidad de la energía.

Es un saber cómo que una sustancia se compone de numerosas partículas llamadas moléculas. ; As propiedades de la sustancia dependen naturalmente, del comportamiento de estas g, por ejemplo la presión de un gas en un recipiente es el resultado de la trasferencia de momento entre las moléculas y las paredes del recipiente.

AREAS DE LA TERMIDINAMICA

Cualquier actividad de ingeniería implica una interacción entre energía y materia; por ello es difícil imaginar un área que no se relacione con la termodinámica en algún aspecto, Por tanto, logran entender claramente los principios de la termodinámica han sido esencial en la ingeniería.

Muchos utensilios se utilizan bajo los principios de la termodinámica, como pueden ser las estufas, el sistema de calefacción, el aire acondicionado, la televisión, videograbadora, e incluso la computadora.

NOTAS A CERCA DE LAS DIMENCIONES Y UNIDADES.

Cualquier cantidad física puede cara tizarse mediante dimensiones. Las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas como masa, longitud, tiempo y temperatura, se consideran dimensiones primarias o

fundamentales, en tanto que otras como la velocidad, energía y volumen se expresan en término de dimensiones primarias y reciben el nombre de dimensiones secundarias o derivadas.

A lo largo de los años se han creado varios sistemas de unidades. A pesar que los grandes esfuerzos de las comunidades científicas y de ingeniería para unificar el mundo con un sistema de unidades único, hoy en dos conjuntos de unidades se utilizan comúnmente: el sistema inglés, también conocido como United States Customary System (USCS), y el métrico decimal SI conocido como el sistema internacional.

SISTEMA INTERNACIONAL Vs INGLESA

Las unidades para: masa, longitud, tiempo, son: el kilogramo, el metro y el segundo. Las unidades respectivamente para el sistema ingles son: masa (lbm), el pie (pie), y el segundo (s).

En el sistema ingles la fuerza es considerada como una dimensión primaria y se asigna como una unidad no derivada. Esta situación es una fuente de confusión y error que necesita el uso de un factor de conversión (gc) en muchas fórmulas. Para evitar esta molestia, consideramos a la fuerza como una dimensión secundaria, cuya unidad se deriva de la segunda ley de Newton.

Fuerza=masaaceleración

En el SI la unidad e de fuerza es el Newton (N) y se define 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 la libra-fuerza (lbf) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa.

HOMOGENIEDAD DIMENSIONAL

Todos sabemos desde la escuela primaria que las manzanas y las naranjas no se suman. Pero de algunas maneras nos las arreglamos para hacerlo (por error). En ingeniería, cualquier término en una ecuación debe tener las mismas unidades. En ingeniería, todas las ecuaciones den ser dimensionalmente homogéneas. Esto es, cualquier término en una ecuación debe tener las mismas dimensiones. Si en cierta etapa de algún análisis, encontramos en un punto que vamos a sumas dos cantidades que tienen unidades de diserten, es un indicación clara que hemos cometido un error en una etapa anterior.

Un sistema termodinámico o suplente un sistema, es una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para estudio. La masa o región fuera del sistema recibe el nombre de alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama la frontera. Estos términos. La frontera de un sistema es fija o móvil. Obsérvese que la frontera es el a superficie de contacto compartida tanto por el sistema como por los alrededores. En términos matemáticos, la frontera tiene un espesor de cero y por ello no contiene ninguna masa ni ocupan ningún lugar ni ocupa algún volumen.

Los sistemas cerrados o abiertos, lo cual dependen de si se elige una masa fija o un volumen fijo en el espacio para el estudio. Un sistema cerrado también conocida como masa de control, consiste en una cantidad fija de masa que de ella puede cruzar su frontera.

Un sistema abierto o volumen de control, es una región del espacio seleccionada, el cual lo que vamos a controlar es el volumen del sistema.

FORMAS DE LA ENEGIA

La energía puede existir en numerosas formas: -térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear- y su suma constituye la energía total E de un sistema. La energía total se define como

e=E m (kJkg)

La energía macroscópica de un sistema se relaciona con el movimiento y la influencia de algunos factores externos como la gravedad, el magnetismo, la electricidad y la tensión superficial. La energía que un sistema posee como resultado de su movimiento en cierto marco de referencia, se denomina energía cinética EC. Cuando todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad la energía cinética queda expresada así:

EC=mV22 kJ EC=V22 kJ/kg

La energía potencia que un sistema posee como resultado de su elevación en un mapo gravitacional, se llama energía potencial EP y queda expresado como:

EP=mgz kJ ep=gz kJ/kg

Los efectos magnéticos, eléctrico y de tensión superficial son significativos sólo en algunos casos especiales. La energía potencial, cinética e interna se pueden expresarse.

E=U+EC+EP=U+mV22+mgz kJ

PROPIEDADES DEL SISTEMA.

Cualquier característica de un sistema se le denomina propiedad. Algunos ejemplos pueden ser, Presión

Temperatura, volumen, masa, viscosidad entre otros; sin embargo no todas las propiedades son independientes, algunas definen en términos de otras. Por ejemplo la densidad, se define como masa por unidad de volumen.

ρ=mv kg/m3

Gravedad específica o densidad relativa: La relación entre la densidad de una sustancia estándar y la densidad de una sustancia a una temperatura fija.

ρs=ρρHsO adimensional

Volumen específico. Se trata del reciproco de la densidad.

v=Vm= 1ρ m3kg

Las propiedades serán intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas, son independientes del tamaño de un sistema, como la temperatura, la presión, la densidad. Los valores de las propiedades extensivas dependen del tamaño o extensión del sistema. La masa, el volumen, la energía.

Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas. Algunos ejemplos de propiedades específicas son (v=V/m).

ESTADO Y EQUILIBRIO

Hay que considerar el punto en donde el sistema no sufre algún cambio. En este punto posible medir o calcular todas las propiedades del sistema, lo cual resulta en un conjunto de propiedades que describen por competo la condición o el estado del sistema. La termodinámica estudia los estados en equilibrio. La palabra equilibrio implica un sestado de balance, en un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados dentro de sistema. Un sistema que está en equilibrio no experimenta

cambios cuando se encuentra aislado de sus alrededores.

Hay muchos tipos de equilibrio y un sistema está en equilibrio termodinámico si las condiciones de todos los criterios relevantes de equilibrio se satisfacen. Por ejemplo equilibrio térmico, si la temperatura en la misma en todo el sistema. El equilibrio mecánico, se relaciona con la presión, y un sistema está en equilibrio mecánico si no hay cambios en la presión en ningún punto del sistema con el tiempo. Si un sistema implica dos fases, se encuentra en equilibrio de fase cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibro y permanece ahí. Y por último equilibrio químico, si su composición química no cambia con el tiempo, si no ocurren reacciones químicas. Un sistema se encuentra en equilibrio si se satisfacen todos los criterios relevantes de equilibrio.

PROYECTOS Y CICLOS

Cualquier cambio que experimente u sistema de un sistema de un estado de equilibrio a otro, se llama proceso, y la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso recibe el nombre de trayectoria del proceso. Para describir por completo un proceso, deben especificarse sus estados inicial y final, así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrededores.

Cuando hay un proceso en el cual el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio en equilibrio, se le llama proceso cuasiestático o se cuasiequilibrio. Un proceso de cuasequilibrio se considera un proceso lo suficientemente

lento, que permite al sistema realizar un ajuste entorno de manera que las propiedades en una parte de él no cambien más rápido que en otras partes.

El prefijo iso se emplea para designar un proceso en el cual permanece constante una propiedad particular. En un proceso isotérmico, por ejemplo, la temperatura T permanece constante, un proceso isobárico la presión P permanece constante y un proceso isocórico o isométrico un proceso durante el cual el volumen específico v permanece constante.

Un sistema se somete a un ciclo si al término del proceso regresa a su estado inicial. En un ciclo los estados inicial y final son idénticos.

POSTULADOS DE ESTADOS

El estado de un sistema se describe por medio de sus propiedades. Pero no es necesario especificar todas las propiedades para fijar un estado. Una vez que se especifica un número suficiente de propiedades, el resto de ellas asume ciertos calores de manera automática. La especificación de cierto número de propiedades es suficiente para fijar un estado. EL número de propiedades que se requieren para fijar el estado de un sistema este dado por el postulado de estado:

El estado de un sistema compresible simple se especifica completamente por dos propiedades intensivas independientes.

Un sistema se denomina sistema compresible simple si carece de efectos eléctricos, magnético, gravitacionales, de movimiento y de tensión superficial. Estos efectos se deben a campos de fuerza externos y se omiten en la

mayor parte de los problemas de ingeniería. De moso se necesitaría especificar una propiedad adicional, para cada efecto que es importante. Por ejemplo si se consideran los efectos gravitacionales es necesario especificar la elevación z, además de las dos propiedades que se requieren para fijar el estado.

E postulado de estado requiere que las dos propiedades específicas sean independientes para fijar el estado. Y son independientes se una de ellas varia en tanto la otra se mantiene constante. La temperatura y el volumen específico por ejemplo, siempre son propiedades independientes y ambas pueden fijar el estado de un sistema compresible. La temperatura y la presión son propiedades independientes en sistemas de una sola fase, pero dependientes en sistemas multifase.

PRESIÓN.

La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. La presión sólo se emplea cuando se trata con un gas o un líquido. La contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo. En un fluido en reposo la presión de un punto determinado es la misma en todas las direcciones. La presión aumenta con la profundidad como resultado del peso del fluido. Este aumento se debe a que el fluido a niveles mas bajos soporta mas pes que el fluido a niveles mas altos. La presión varia en dirección vertical dirección horizontal. La presión es un tanque que contiene un gas se considera uniforme, puesto que el peso del gas es demasiado pequeño para hacer una diferencia apreciable. Como la

presión se define como fuerza por unidad de área, usa la unidad de newtons por metro cuadrado (N/m2), la cual se llama pascal (Pa).

1 bar= 105 Pa=0.1 Mpa=100 kPa

1 atm= 101.325 kPa = 1.01325 bars

La presión real en una posición dada se denomina presión absoluta y se mide al vacío absoluto, es decir del cero absoluto. Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos que miden presión se calibran para leer el cero en la atmosfera, y por ello indican la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local. Esta diferencia se denomina presión manométrica. Las presiones se miden con medidores de vacío que indican la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta.

MANÓMETRO

Las diferencias pequeñas y moléculas de presión se miden con un depósito conocido como manómetro, el cual se compone de un tubo de vidrio o plástico en U que contiene un fluido como mercurio, agua, alcohol o aceite si se prevén grandes diferencias de presión.

Estos son los elementos con la que se mide la presión positiva, estos pueden adoptar distintas escalas. El manómetro más sencillo consiste en un tubo de vidrio doblado en ∪ que contiene un líquido apropiado (mercurio, agua, aceite, entre otros). Una de las ramas del tubo está abierta a la atmósfera; la otra está conectada con el depósito que contiene el fluido cuya presión se desea medir. El fluido del recipiente penetra en parte del tubo en ∪, haciendo contacto con la columna líquida. Los fluidos

alcanzan una configuración de equilibrio de la que resulta fácil deducir la presión manométrica en el depósito: resulta:

donde ρm y ρ son las densidades del líquido manométrico y del fluido contenido en el depósito, respectivamente. Si la densidad de dicho fluido es muy inferior a la del líquido manométrico, en la mayoría de los casos podemos despreciar el término ρgd, y tenemos

BARÓMETRO

Este es un instrumento para medir la presión atmosférica, es decir, la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de la atmósfera.

El peso del aire ejerce sobre la tierra una presión que es llamada "presión atmosférica". Este fenómeno fue descubierto por Evangelista Torricelli.

Inventó un tubo llamado "Tubo de Torricelli" o Barómetro (del griego "baros": peso de y "métron": medida), que servía para medir esta presión atmosférica.

Torricelli nació en Faenza el 15 de octubre de 1608. A los diecinueve años, en 1627, inició sus estudios en la Universidad de Roma, en la que años después se desempeñó como profesor.

En 1641 publicó su primer libro. Sus obras más importantes son el "Tratado del Movimiento" y "Obras geométricas"

Patm= ρgh

TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre sí. Parece absurdo que de hecho tan obvio sea una de las leyes básicas de la termodinámica. No obstante, esta no puede concluirse a partir de otras

leyes de la termodinámica y sirve como base para la validez en la medición de la temperatura. Al sustituir el tercer cuerpo por un termómetro, la ley cero reenuncia de la manera siguiente: dos cuerpos están en equilibrio térmico si indican la misma lectura, incluso si se encuentra en contacto.

ESCALAS DE TEMPERATURA

La escala que se utiliza en el SI y en el sistema inglés son: escala Celcius, Fahrenheit, la escala de la temperatura en el SI es la escala KELVIN, la cual se relaciona con la escala Celcius por medio de

TK=T°C+273.15

En el sistema ingles la escala de temperatura absoluta es la escala rankine, la caula se relaciona con la escala Fahtenheit por medio de:

TR=TF+459.67

Las magnitudes de cada división de 1 K y de 1 °C son idénticas, y lo mismo sucede con las magnitudes de cada división de 1 R y de 1 °F, en consecuencia:

ΔTK=ΔT(°C)

ΔTR=ΔT(°F)

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es termodinámica?

Se define como la ciencia de la energía, la palabra termodinámica proviene del vocablo thermo (calor) y dynamis (potencia); que describe los primero esfuerzos para convertir el calor en potencia.

2. Menciona por lo menos 5 aplicaciones en donde se utiliza la termodinámica.

Aire acondicionado, refrigerador, televisor, videograbadora, olla de presión, estufa.

3. ¿Qué es un sistema?

Una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para su estudio.

4. ¿Qué son los alrededores?

Son las masas o región que se encuentran fuera del sistema.

5.

¿Qué es la frontera?

Es la superficie imaginarria o real que separa al sistema de los alrededores.

6. ¿Qué es un sistema cerrado?

También conocida como masa de control consiste en un cantidad fija de masa que de ella puede cruzar sus fronteras.

7. ¿Qué es un sistema abierto?

Es un sistema en donde se pretende controlar el volumen.

8. ¿Mencione las formas de energía?

Energía interna, energía potencial y energía cinética

9. ¿Qué es el proceso?

Cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro.

10. ¿Qué es la presión?

Es la fuerza que ejerce un fluido en por unidad de área.

I

Ejercicios

1. Calcula la energía cinética de un vehículo de 1000 kg de masa que circula a una velocidad de 120 km/h.

2 Un hombre de 70 kg de masa está parado y apoyado en sus dos pies. La superficie de apoyo de cada zapato es de 200 cm2. ¿Cuál será la presión, expresada en Pascales, ejercida sobre el suelo?

3 Calcula la presión que soporta un submarino que navega a 150 m de profundidad si la densidad del agua es 1030 kg/ m3

4 Un manómetro de mercurio (ρ= 13 600 kg/m3) está conectado a un ducto de aire para medir la presión en el interior. La diferencia en los niveles del manómetro es de 15 mm y la presión es de 100 kPa. Determine la presión del ducto y la presión absoluta.

5. La temperatura corporal presion de una persona aumenta casi 2 °C duante el ejercicio intenso. ¿Cuál es el aumento en a) K, b) °F, c) R, durante el ejercicio?

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