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Termodinámica General y Laboratorio

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by

Rodrigo Balderrama

on 29 March 2014

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Transcript of Termodinámica General y Laboratorio

¿Qué es la termodinámica?
Proviene de Therme Dynamis (en griego)

Se puede definir como la ciencia de la energía, que es aquella que involucra conceptos como calor, trabajo y temperatura.


Sesión 2
Rodrigo Balderrama A.
Ing. Civil Mecánico
CEM - CMVP- CRU

rodrigo.balderrama@usm.cl
Objetivos del ramo
Comprender y aplicar los principios básicos de la Termodinámica.
Realizar balances simples de energía
Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales
Relacionar la Termodinámica con actividades cotidianas.
Veamos que son la:
TEMPERATURA, es una propiedad del sistema, partícula o cuerpo en estudio

La temperatura no depende del tamaño, número de partículas o tipo de estas (un iceberg puede tener la misma temperatura que un hielo en el refrigerador).

Está directamente relacionado con la intensidad de movimiento de las partículas (a nivel molecular).

Y ¿qué es el trabajo?
“ es el producto escalar de una fuerza por el desplazamiento de su punto de aplicación” (definición mecánica)

En termodinámica, entenderemos el trabajo como “una interacción” , generado por la aplicación de una “fuerza” desde (o hacia) el medio exterior.

Esta “fuerza” puede ser mecánica, eléctrica, nuclear, etc.

Entonces.......
Vimos que la temperatura es una propiedad, además, que cuando hay diferencia de temperatura la energía fluye en forma de calor.

También hablamos del trabajo, como otra forma en la cual "fluye" la energía.

Veamos desde donde nace todo esto, y también la termodinámica!
Sesión 2: Termodinámica General y Laboratorio
Por CALOR podremos entender aquella energía que fluye al existir una diferencia de temperatura entre dos sistemas
Ambos conceptos están relacionados, si agregamos calor a un cuerpo, su temperatura sube, lo mismo (e inverso) ocurrirá si quitamos calor del sistema.
La temperatura es una MEDIDA de la energía (en este caso en forma de calor)

En termodinámica existen dos métodos para describir el estado y la evolución de un sistema.

La termodinámica estadística

La termodinámica clásica

Retomemos la temperatura
Imagino que ya se dieron cuenta de que, durante todo el ramo, trabajaremos siempre con la temperatura, calor y trabajo, junto a otras propiedades que conoceremos más adelante
Pero, ¿cómo y donde analizaremos las propiedades?, además, dedujimos que el Calor y Trabajo, fluyen, pero ¿de donde a donde?
El hacia donde, o las propiedades que nos interesarán, dependerán de los SISTEMAS, que utilicemos.

Existen sistemas abiertos, cerrados y aislados.
El tipo de sistema depende de la frontera, las fronteras pueden ser reales (las paredes de un recipiente, la carcaza de un motor o turbina, etc.) o ficticias (un borde imaginario que rodea una porción de flujo).

Estas delimitan la región bajo estudio, y nos permitirán identificar los flujos de calor, el ingreso o salida de trabajo y las variaciones de temperatura – presión – energía – entalpía – entropía.

¿Es importante la frontera?…….SI!!

¿Quien define la frontera?........ustedes!

El mismo termo eléctrico, con dos fronteras diferentes. La amarilla engloba la resistencia eléctrica, la frontera azul no considera la resistencia.
En ambos casos el agua se calienta, pero termodinámicamente ocurren dos cosas diferentes. Pregunta: ¿en cual de ellos existe flujo de TRABAJO?
Sabemos ya que el calor y el trabajo "fluyen" a través de las fronteras. Vimos también que eso cambia las propiedades de nuestro sistema (sea abierto o cerrado), propiedades tales como la temperatura
Pero, ¿es bueno o malo que fluya calor o trabajo?

Si mi sistema recibe calor o recibe trabajo, ¿da lo mismo?

Tal como vimos en el ejemplo del termo elécrtico, el resultado final fue el mismo, pero el fenómeno fue diferente! Por tanto, es necesario ponerse de acuerdo en cómo se analizará el flujo ya sea de calor o trabajo, para lo que utilizamos la convención de signos.
Consideraremos positivo cuando el sistema recibe calor, o cuando realiza trabajo.
Seguimos ahora con los estados:
Los estados son como las "fotos", en un estado, las propiedades no varían y están definidas.
Por ejemplo, un vaso con agua y hielo, si bien sabemos que el hielo se derretirá eventualmente, al sacarle una "foto", tendrá composición y temperatura definida.

Con el paso del tiempo, podemos sacar una nueva foto, donde ya el hielo esté derretido, ese es otro estado, diferente al inicial.
Un estado importante, es el de equilibrio termodinámico
Equilibrio termodinámico es cuando todas las propiedades macroscópicas se mantienen sin cambio al pasar el tiempo
IMPORTANTE:
Cuando un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico, todas las variables que describen ese estado están definidas.

El equilibrio termodinámico se consigue solo cuando se satisfacen todos los tipos de equilibrios:
Térmico
Mecánico
De fases
Químico
Procesos:
Recuerdan que para pasar de una “foto” a otra, o de un estado a otro, el sistema experimenta un proceso

Además, la trayectoria del proceso se construye por una serie de estados (similar a como se realizaba un video, como una serie de fotos o cuadros)

Ahora bien, como en casi todo lo que hemos visto, hay dos clases de procesos:

Como en casi toda la termodinámica, existen dos tipos de procesos:
- Cuasiestáticos

- Los demás
Cuando un proceso se desarrolla de manera tal que todo el tiempo el sistema esta infinitesimalmente cercano al estado de equilibrio
Se preguntarán entonces ¿por que los usamos?

Primero por que son más fáciles de analizar

Y por que muchos de los dispositivos que se utilizan tienen mejor desempeño en estas condiciones idealizadas, por lo que se utilizan como estándares de comparación.
Tipos de procesos:
Existen varios tipos de procesos, y se definen en función del comportamiento de una de las variables, por lo que tenemos:

Proceso isotérmico: Es el que se realiza a temperatura constante.
Proceso adiabático: Cuando el proceso no intercambia calor con el medio exterior.
Proceso isobárico: Es el que se realiza a presión constante.
Proceso isocórico: Es el que se realiza a volumen constante.
Ojo: para que un proceso sea isotérmico, no es suficiente que la temperatura al inicio y al final del proceso sea la misma, la temperatura debe ser constante durante todo el proceso (lo mismo para los otros procesos ISO)

Imaginen que todos los días que llegan a clase, la temperatura de la sala es la misma, digamos 17ºC, podrían decir que la sala tuvo un proceso isotermico?

¿por qué?
¿Donde podrán ocurrir cada uno de los procesos?
Propiedades:
Dijimos que la temperatura es una propiedad, pero ¿qué es una propiedad?

Una propiedad de estado es una magnitud estadística, que permite caracterizar un sistema, sin que sea necesario conocer su historia.

Otras propiedades:
- Volumen - Presión - Número de moles

El trabajo o calor intercambiado por un sistema NO se consideran como propiedades, por que éstos dependen de la trayectoria (o historia) seguida por el sistema

Propiedades intensivas y extensivas

Extensivas:
Dependen de la cantidad de masa del sistema
Son extensivas la MASA, el VOLUMEN, la ENERGÍA, la ENTROPÍA, la ENTALPÍA.

Intensivas:
Son independientes de la cantidad de masa del sistema
Son definidas en un punto
Son intensivas: la TEMPERATURA, la PRESIÓN, la VELOCIDAD, la DENSIDAD, la VISCOSIDAD.
Las propiedades extensivas, pueden transformarse en intensivas, al dividirlas por la masa!
Postulado de estado

Ya conocemos las propiedades de un estado, pero para poder definir un estado debemos conocer todas las variables?

Por experiencia (ensayos) afortunadamente se comprobó que no, por lo que se definió el siguiente postulado:

“El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante DOS propiedades intensivas independientes”
Otra propiedad que usaremos es la presión!
En termo, siempre trabajaremos con presiones absolutas.
Y para terminar, definiremos la ley cero de la termodinámica:
Si dos sistemas termodinámicos (A y B), están cada uno en equilibrio termodinámico con un tercer sistema (C), entonces ambos sistemas (A y B) también están en equilibrio termodinámico entre ellos.

Este principio se definió por necesidad, después de haber definido los postulados 1 y 2 de la termodinámica!

En base a este principio, podemos inferir que entre los estados A, B y C, existe necesariamente una propiedad de estado común a los tres sistemas.

Por definición, esta propiedad es la temperatura
¿Qué más podemos concluir a partir del primer postulado?

Todo sistema en equilibrio termodinámico tiene la misma temperatura
Y obviamente, los sistemas que no están en equilibrio termodinámico tienen temperaturas distintas.
Aunque no lo crean, tenemos bastante materia como para empezar a estudiar!

Por favor, no memoricen, entiendan!

Nos vemos la próxima clase
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