termodinamica-2020-ACTUALIZANDO (1-34-64) PDF
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Conceptos Fundamentales.
Intensidad Candela cd
luminosa
Propiedades extensivas:
Volumen, peso, energía cinética, energía
potencial gravitatoria.
Propiedades intensivas:
Densidad, densidad relativa, peso específico,
volumen específico, presión.
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Sistemas Termodinámicos.
Sistema: es una porción con masa del universo, la que
se separa para su análisis.
Sistema cerrado: es el que tiene una cantidad fija e
invariable de masa y solo la energía cruza su frontera.
Sistema aislado: un caso particular del sistema cerrado
es el sistema aislado, en el cual, no hay transferencia de
masa ni de energía a través de su frontera.
Sistema abierto: permite el paso de energía y de masa a
través de su frontera.
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Tipos de Fronteras.
Puede clasificarse en reales o imaginarias.
Clasificación de Fronteras
Permeable
Pasaje de masa. Impermeable
Diatérmica
Frontera Interacción Térmica.
Adiabática
Flexible
Interacción mecánica.
Rígido
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Ley Cero de la Termodinámica.
Cuando dos sustancias A y B están en condiciones
térmicas distintas y alcanzan simultánea y
separadamente el equilibrio térmico con un tercer
sistema, originalmente en condición térmica distinta
de los demás, entonces es un hecho experimental que
las sustancias A y B tienen que estar en equilibrio
térmico entre sí. En otras palabras, hay una propiedad
que indiscutiblemente tiene el mismo valor en cada
sustancia que esté en equilibrio térmico; esta
propiedad se llama temperatura.
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Concepto de Temperatura.
En palabras sencillas el mensaje de la ley cero de la
termodinámica es: “todo cuerpo tiene una propiedad
llamada temperatura. Cuando dos cuerpos están en
equilibrio térmico su temperatura es la misma”.
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Escalas de Temperatura.
Celsius: utilizó los puntos normales de congelación y
ebullición del agua.
11
Escalas de Temperatura.
Escala absoluta o de Kelvin.
Se demostró que un gas ideal a presión constante tiene
un V=f(T). Se pensó que la temperatura más pequeña era
aquella con volumen igual a cero, ya que no hay
volúmenes negativos. Se asoció O (K) =-273,15 (°C).
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Concepto de Calor.
Calor: Es energía en tránsito. Se manifiesta cuando
dos o más sistemas con temperaturas distintas se
ponen en contacto mediante fronteras diatérmicas.
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Ecuaciones del Calor.
c= constante de proporcionalidad, llamada
capacidad térmica específica.
14
Curva de Calentamiento del Agua.
15
Signo de Calor
16
Modelo matemático que representa la relación entre
los valores experimentales Calor y Temperatura.
17
Concepto de Energía.
Es una cantidad física de tipo escalar
que latente o manifiesta es capaz de
producir cambios en la materia o en sus
alrededores.
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Energías en transición: Calor y Trabajo.
Clasificación de Energía
Calor (Q)
En tránsito Trabajo(W)
Cinética(EC)
Mecánica Potencial gravitatoria (EP)
s
Energía Interna(U)
Como propiedad Nuclear
del sistema Potencial eléctrica
Eólica
Química
Etc.
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Trabajo Mecánico.
20
Signo del Trabajo.
Compresión
Expansión
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Trabajo Casiestático.
Es aquél en el que la interacción que produce el
cambio difiere en menos de un infinitésimo del valor
de la propiedad sobre la influye.
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Experimento de James Prescott Joule
Un recipiente adiabático contiene una cierta cantidad de agua, con un
termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se
ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra
en la figura.
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Experimento de Joule
La versión original del experimento, consta de dos pesas
iguales que cuelgan simétricamente del eje.
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Conceptos Elementales.
Estado: Es el conjunto de valores de las propiedades
intensivas de un sistema en un momento dado.
Estado de Equilibrio: Es aquel cuyas propiedades
intensivas tienen valores independientes del tiempo.
Proceso: Es el pasaje del sistema desde un estado de
equilibrio inicial a otro estado de equilibrio final.
Cualidad matemática de una propiedad: La
característica matemática de una propiedad de la
sustancia como función, es que da una diferencial
exacta.
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Proceso Cíclico
En el proceso cíclico ∆P =O y ∆v =O
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Postulado de Estado
La experiencia señala que en el caso de fluidos simples,
el estado termodinámico se define cuando se fija el
valor de cualesquiera de dos propiedades
independientes e intensivas.
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Diagrama (V - P)
Gracias al postulado de estado es posible trazar
diagramas termodinámicos.
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Primera Ley de la Termodinámica.
Basado en pruebas experimentales, la primera ley de la
termodinámica, establece lo siguiente:
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Primera Ley de la Termodinámica.
Se observó que el cambio en la energía del sistema
cerrado (dEs) es igual a la suma de las energías en
tránsito.
31
Experimento 1
Experimento 1: en un sistema adiabático, deje que la
canica se mueva sin fricción.
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Leyes de los gases
Ley de Boyle y de Mariotte
35
Leyes de los gases
Ley de Charles
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Leyes de los gases
Ley de Charles: existe un segundo enunciado de esta
ley. Cuando el volumen de un gas permanece constante
la presión de éste varía proporcionalmente con su
temperatura.
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Leyes de los gases
Ley de Gay-Lussac: esta ley coincide
con el segundo enunciado de la ley de
Charles.
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Ecuación del gas ideal
De 1 a 2 De 2 a 3 De 1 a 3
39
Ecuación del gas ideal
C´ es igual a la constante particular del gas.
Generalizando:
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Procesos casiestáticos
Proceso isobárico
Pvn=c
n es el índice politrópico
n=0
Pv0=c
P=c
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Procesos casiestáticos
Proceso isométrico o isócoro
Se lleva a cabo dentro de fronteras rígidas, inmóviles e
impermeables.
Pvn=c
n→∞
v=c
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Procesos casiestáticos
Proceso isotérmico
Pvn=c
n=1
Pv=c
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Procesos casiestáticos
Proceso adiabático
No hay interacciones térmicas, se realiza usualmente
dentro de fronteras adiabáticas.
Pvn=c
n=k
k es el índice adiabático
Pvk=c
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Procesos casiestáticos
Proceso politrópico
Hay interacciones térmicas; varían las propiedades de P,
v y T.
Pvn=c
45
Primera ley de la termodinámica para
sistemas abiertos
Entalpia (H)
Es una propiedad termodinámica útil para realizar
balances de energía.
H=PV+U
o bien; dividiendo entre la masa, se obtiene la entalpia
específica.
h=Pv+u
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Primera ley de la termodinámica para
sistemas abiertos.
me=masa que entra
ms=masa que sale
(dm)sistema=dme-dms
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Primera ley de la termodinámica para
sistemas abiertos
Si el sistema opera bajo régimen estable, flujo
permanente o flujo estacionario entonces no hay
acumulación.
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Primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos
en condiciones de estado estacionario y de flujo
permanente
En la expresión matemática siguiente, está contenido
el trabajo de flujo, ya que h= u + Pv .
{∂W}flujo=P dV
49
Práctica de laboratorio: balance de energía
en sistemas termodinámicos abiertos
Calorímetro de flujo continuo
0 0
50
Práctica de laboratorio: balance de energía en
sistemas termodinámicos abiertos
teórico
51
Segunda ley de la termodinámica
Máquina térmica: es un dispositivo que transforma
calor en energía mecánica o trabajo.
|QA |= |W |+ | QB |
|W | = |QA |-| QB |
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Máquina térmica operando a la
inversa
Refrigerador
|W |+ | QB |= |QA|
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Enunciado de Kelvin-Planck
54
Enunciado Clausius
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Proceso reversible
Es un proceso casiestático, en este curso se toma en
cuenta principalmente como causa de irreversibilidad
a la fricción, sin embargo, también existe la
transmisión de calor con una diferencia de
temperaturas finita, la expansión irresistida,
deformación inelástica, la resistencia eléctrica, las
reacciones químicas, etc.
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Teorema de Carnot
Es imposible construir un máquina que opere entre
dos depósitos térmicos y que sea más eficiente que una
máquina de Carnot que opere entre los mismos
depósitos térmicos.
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Desigualdad de Clausius
En un ciclo reversible como el de Carnot, se evalúa la
integral cíclica siguiente:
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Desigualdad de Clausius
En un ciclo real o irreversible se tiene lo siguiente:
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Entropía
El cociente de es una propiedad llama entropía
(dS). Por lo tanto, puede escribirse para un proceso
reversible:
o bien,
o bien,
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Principio de incremento de entropía
Sea un sistema aislado (dentro de un recipiente con
paredes adiabáticas), como el siguiente:
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GRACIAS
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