Introducción a la Termodinámica

Objetivo

El alumno distinguirá los diferentes tipos de sistemas termodinámicos, así como sus características distintivas, definirá el concepto de termodinámica.

Definirá las principales variables utilizadas en la termodinámica, como son; presión, temperatura, densidad, volumen especifico y volumen total, en los diferentes sistemas de unidades, como son el Sistema Internacional (SI), y el sistema inglés.

Determinará experimentalmente las principales variables de la termodinámica como son; presión, temperatura, densidad y volumen especifico y total.

Temario

Objetivo        2

Introducción        3

1 Introducción a la termodinámica        4

1.1 Sistemas termodinámicos        4

1.1.1 Tipos de sistemas termodinámicos……………………………………...6

2 Variables termodinámicas        8

2.1 Presión        8

2.2 Temperatura y calor        11

2.3 Volumen, Volumen específico y Densidad        13

2.4 Densidad relativa o gravedad específica        14

2.5 Peso específico        15

Conclusión        16

Glosario        16

Referencias bibliográficas        16

Introducción

El apasionante mundo de la termodinámica, tiene que ver con las interacciones de calor y trabajo, con la conversión de la energía de calor a trabajo en los diferentes sistemas termodinámicos,  ya sean estos, sistemas con flujo (sistemas abiertos), o sistemas sin flujo (sistemas cerrados).

En esta sesión se estudiarán las principales variables que se utilizan en la termodinámica, como son la presión y la temperatura, que continuamente van de la mano en procesos termodinámicos, como en los diagramas P-v y T-v.

Se determinan cuantitativamente conversiones de la variable presión de las diferentes unidades de medida como son en el Sistema Internacional los KPa, en  el sistema técnico los kg/cm2, en el Sistema Inglés, los PSI y los Bar, que es una derivación del sistema Internacional.

Se hará alusión a la presión atmosférica y como afecta la altura al estudiar esta variable, se considera la ecuación que relaciona a la presión absoluta como la suma de la presión manométrica más la atmosférica.

Se harán conversiones de la variable temperatura en ambos sistemas (SI, y sistema Inglés), para las temperaturas absolutas y las relativas.

Se realizará el cálculo de la densidad absoluta a partir de densidades específicas o relativas, se realizará el cálculo del peso o la masa de objetos o sustancias, a partir de valores de la densidad relativa, conociendo su volumen, o calcular este último a partir de densidades y pesos o masas.

 1.1 Introducción a la termodinámica

Aquí mencionaremos los conceptos básicos de la termodinámica, que distingue, que es la termodinámica, los procesos y sistemas termodinámicos y su clasificación.

Termodinámica proviene de las raíces griegas therme, que significa “calor”, y dynamis, que significa “fuerza”. (Cengel & Boles, 2012)

Es una ciencia relativamente moderna, aunque no existe una definición formal, la termodinámica se acepta como la “ciencia de la energía” es la encargada de estudiar las transformaciones de la energía y las relaciones entre las propiedades de los sistemas.

 1.1 Sistemas termodinámicos

Sistema termodinámico

Se define como una cantidad  de materia o una región en el espacio, elegida para su estudio.

Tienen interacciones con su entorno; tales interacciones implican la transferencia o el intercambio de algún producto  ya sea calor o trabajo, a través de la frontera del sistema.

Es importante destacar que todo lo ajeno al sistema se conoce como alrededores del mismo y los límites reales o hipotéticos se llaman fronteras.

Ejemplos de sistemas podemos mencionar al motor de un automóvil, un boiler, un refrigerador, una bomba de agua, una turbina un compresor una planta de vapor.

[pic 2]

Frontera

Es la superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores. Puede definirse como la pared que divide al sistema y sus alrededores, en termodinámica, esta frontera debe ser de espesor cero, de tal manera que se considera de masa y volumen cero también.

La frontera puede ser rígida o flexible, y el sistema puede ser fijo o moviéndose por el espacio.

Entorno

Todo aquello que no es sistema y que se sitúa alrededor de él, se denomina ambiente o entorno. Los sistemas interaccionan con el entorno transfiriendo masa, energía o las dos cosas.

1.1.1 Tipos de sistemas termodinámicos

[pic 3]

• Sistema cerrado

También conocido como masa de control, consiste en una cantidad fija de masa, y nada de ella puede cruzar la frontera. El sistema cerrado, no tiene cruce de masa en la frontera del sistema.

Este tipo de sistema puede tener transferencia de energía (ya sea como calor o como trabajo) a través de la frontera, pero ninguna sustancia material cruza la frontera del sistema.[pic 4]

En el ejemplo que se muestra en la figura el mercurio del termómetro es la masa y esta no sale de él (sistema), pero si tiene interacciones de energía (calor), que atraviesan las paredes del termómetro.

• Sistema abierto

También llamado volumen de control. Es una región seleccionada en el espacio, por ejemplo, un calentador de agua y un radiador de un automóvil.

[pic 5]

[pic 6]

Figura Sistemas abiertos

En este tipo de sistemas, sí hay flujo de masa, como pasa con el radiador, que el agua va del motor (agua caliente) al radiador y del radiador al motor (agua fría). En el caso de la tasa de café, la masa que fluye, es en forma de vapor hacia el ambiente, en este caso no hay control del flujo másico.

• Sistema aislado

Cuando ni la masa no la energía pueden cruzar la frontera.

[pic 7]

• Sistema adiabático

Proceso mediante el cual, no hay transferencia de calor. Que no permite el intercambio de calor, que está aislado térmicamente, que está totalmente aislado del exterior.

[pic 8]

 En la figura se muestra un sistema cerrado, en un proceso adiabático en el cual no hay transferencia de calor con los alrededores, solo se modifican sus propiedades intensivas como la presión, la temperatura, excepto el volumen que se reduce como consecuencia de la colocación de un peso en la parte superior.

2 Variables termodinámicas

Las variables termodinámicas que estaremos manejando con más frecuencia, son las que se relacionan con la presión, la temperatura, el volumen total, el volumen específico, la densidad absoluta, la densidad relativa y, el peso específico.

2.1 Presión

El concepto de presión, en termodinámica y en mecánica de fluidos, es diferente al concepto de presión en mecánica de sólidos ya que, para la primera, la presión se define en función del golpeteo de las moléculas del fluido, ya sea líquido o gas, sobre las paredes del recipiente que lo contiene y en mecánica de sólidos, es el esfuerzo “normal” sobre la superficie en la que actúa dicho cuerpo.

Pero en ambos casos, la presión se define en relación a las variables fuerza y área, como sigue:

La presión es el cociente entre la fuerza y el área en la que actúa dicha fuerza. La presión es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional al área.

La ecuación que define la presión es:

[pic 9]

Dónde:

P = Presión

F= Fuerza

A = Área

Para medir la presión del aire atmosférico normalmente se usan barómetros, mientras que, para medir las presiones de los fluidos en relación de la presión con el aire atmosférico del ambiente, se usan los manómetros, la lectura obtenida en estos últimos se denomina presión manométrica.

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