Termodin

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TERMODINÁMICA
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Campo de estudio de la termodinámica

• Estudia los cambios de las variables
  macroscópicas de las sustancias, tales como la
  presión, volumen y la temperatura, entre otras,
  relacionadas con la energía que caracterizan a un
  sistema, como consecuencia del intercambio de
  calor y trabajo con sus alrededores.

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Conceptos fundamentales

• Sistema Internacional de Unidades
• Dimensión es una cantidad física que define a un
  sistema de unidades.
• Unidad fundamental a cada dimensión fundamental
  se le asigna una unidad llamada fundamental.
• Unidades derivadas surgen de la combinación de
  unidades fundamentales, suplementarias y otras
  derivadas, según la ecuación algebraica que las
  relaciona.

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Sistema Internacional de Unidades
Dimensión Dimensión Unidad Fundamental Unidad Fundamental
Nombre Símbolo Nombre Símbolo
Longitud L metro m
Masa M kilogramo kg
Tiempo T segundo s
Temperatura T kelvin K
Corriente eléctrica I ampere A
Intensidad luminosa candela cd
Cantidad de sustancia n, N mol mol
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Propiedades termodinámicas

• Masa Es una propiedad fundamental de tipo
  escalar y representa a la cantidad de materia,
  independiente de su ubicación geográfica puede
  medirse con una balanza en un campo gravitatorio.
  Se emplea para determinar si una propiedad de la
  sustancia es intensiva o extensiva.
• Propiedad característica inherente a la materia,
  que puede medirse.
• Propiedad intensiva su valor es independiente de
  la cantidad de sustancia.
• Propiedad extensiva su valor depende de la
  cantidad de sustancia.

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Ejemplos de propiedades

• 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 Clasificación de fronteras Clasificación de fronteras
Frontera Pasaje de masa Permeable
Frontera Pasaje de masa Impermeable
Frontera Interacción térmica Diatérmica
Frontera Interacción térmica Adiabática
Frontera Interacción mecánica Flexible
Frontera 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.
• Es una propiedad fundamental y puede entenderse
  como aquella propiedad que permanece invariable
  cuando dos sustancias están en equilibrio térmico.

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Escalas de temperatura

• Celsius utilizó los puntos normales de
  congelación y ebullición del agua.

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Escalas de temperatura

• Escala absoluta o de Kelvin.
• Se demostró que un gas ideal a presión constante
  tiene un Vf(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.
• Sensible se manifiesta cuando la temperatura
  cambia. No hay cambio de fase.
• Latente se manifiesta cuando no cambia la
  temperatura. Hay cambio de fase.

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Ecuaciones del calor
15
Curva de calentamiento del agua
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Signo de calor
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Modelo matemático que representa la relación
entre los valores experimentales calor y
temperatura
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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.
• Pregunta La energía es propiedad?

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Energías en transición calor y trabajo
Clasificación de energía Clasificación de energía Clasificación de energía Clasificación de energía
Energía En tránsito Calor (Q) Trabajo(W) Calor (Q) Trabajo(W)
Energía Como propiedad del sistema Mecánicas Cinética(EC) Potencial gravitatoria (EP)
Energía Como propiedad del sistema Interna(U) Nuclear Potencial eléctrica Eólica Química Etc. Interna(U) Nuclear Potencial eléctrica Eólica Química Etc.
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Definición de trabajo
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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.
• Es el proceso en el que el cambio se efectúa muy
  lentamente, de tal forma, que el sistema está
  siempre en equilibrio termodinámico. Sin embargo,
  el estado final es diferente del inicial.

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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.
• La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente
  constante, pierde energía potencial, entonces el
  agua agitada por las paletas se calienta debido a
  la fricción.
• Si el bloque de masa (m) desciende una altura
  (a), la energía potencial disminuye en mga, y
  ésta es la energía que se utiliza para calentar
  el agua (se desprecian otras pérdidas).

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Experimento de Joule

• Joule encontró que la disminución de energía
  potencial es proporcional al incremento de
  temperatura del agua. La constante de
  proporcionalidad (la capacidad térmica específica
  del agua) es igual a 4,186 (J/(g ?C)). Por
  tanto, 4,186 (J) de energía mecánica aumentan la
  temperatura de 1(g) de agua en 1(C).
• Se define la caloría como la cantidad de energía
  calorífica necesaria para elevar 1(C), la
  temperatura de 1(g) de agua pura, desde 14,5 (C)
  a 15,5 (C), a una presión normal de 101,325
  (kPa).

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Conceptos

• 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.
• Un proceso casiestático se representa con una
  línea continua. En puntos consecutivos de esta
  línea el valor de la propiedad prácticamente no
  cambia.

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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
• Q W ?EC ?EP ?U

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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.
• Para un sistema cerrado que experimenta un
  proceso cíclico, el principio de conservación de
  la energía se reduce a

Diferencial exacta
Dos diferenciales inexactas
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Experimento 1

• Experimento 1 en un sistema adiabático, deje que
  la canica se mueva sin fricción.
• La energía del sistema y la energía mecánica se
  conservan.

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Experimento 2

• Experimento 2 deje que la canica se mueva con
  fricción.
• Se disipa la energía mecánica y como la energía
  se conserva, se piensa en otro tipo de energía
  (que puede convertirse una en la otra).

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Experimento 2

• Se disipa la energía mecánica, sin embargo, la
  energía se conserva, por otro lado, en virtud de
  la fricción, la temperatura aumenta, en
  consecuencia se propone un tipo de energía que
  depende primordialmente de la temperatura,
  llamada energía interna (U).
• Esenergía mecánica energía
  interna

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Leyes de los gases

• Ley de Boyle y de Mariotte

36
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.

39
Ecuación del gas ideal
De 1 a 2 De 2 a 3 De 1 a 3

40
Ecuación del gas ideal

• C es igual a la constante particular del gas.
  Generalizando
• Ejercicio determine las unidades de R, en el
  Sistema Internacional de Unidades.

41
Procesos casiestáticos

• Proceso isobárico
• Pvnc
• n es el índice politrópico
• n0
• Pv0c
• Pc

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Procesos casiestáticos

• Proceso isométrico o isócoro
• Se lleva a cabo dentro de fronteras rígidas,
  inmóviles e impermeables.
• Pvnc
• n?8
• vc

43
Procesos casiestáticos

• Proceso isotérmico
• Pvnc
• n1
• Pvc

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Procesos casiestáticos

• Proceso adiabático
• No hay interacciones térmicas, se realiza
  usualmente dentro de fronteras adiabáticas.
• Pvnc
• nk
• k es el índice adiabático
• Pvkc

45
Procesos casiestáticos

• Proceso politrópico
• Hay interacciones térmicas varían las
  propiedades de P, v y T.
• Pvnc

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Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos

• Entalpia (H)
• Es una propiedad termodinámica útil para
  realizar balances de energía.
• HPVU
• o bien dividiendo entre la masa, se obtiene
  la entalpia específica.
• hPvu

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Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos

• memasa que entra
• msmasa que sale
• (dm)sistemadme-dms

48
Primera ley de la termodinámica para sistemas
abiertos

• Si el sistema opera bajo régimen estable, flujo
  permanente o flujo estacionario entonces no hay
  acumulación.
• Por lo tanto, lo que entra es igual a lo que sale
  y se trabaja con régimen permanente.
• Ecuación de continuidad

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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 .
  
• ?WflujoP dV
• Dividiendo entre el tiempo

50
Práctica de laboratorio balance de energía en
sistemas termodinámicos abiertos

• Calorímetro de flujo continuo

51
Práctica de laboratorio balance de energía en
sistemas termodinámicos abiertos
Calcule el porcentaje de exactitud del gasto
másico experimental.
52
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
• ß COP Coeficiente de operación o rendimiento

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Enunciado de Kelvin-Planck

• No es posible que un dispositivo que funcione
  cíclicamente reciba energía mediante
  transferencia de calor desde una fuente térmica y
  entregue exclusivamente energía en forma de
  trabajo al entorno.

55
Enunciado Clausius

• Es imposible que un dispositivo cíclico funcione
  de tal manera que el único efecto sea transferir
  calor desde un depósito de temperatura baja a un
  depósito de temperatura alta.

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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.

57
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.

58
(No Transcript)
59
Desigualdad de Clausius

• En un ciclo reversible como el de Carnot, se
  evalúa la integral cíclica siguiente

60
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,
• Para un proceso irreversible
• o bien,

62
Principio de incremento de entropía

• Sea un sistema aislado (dentro de un recipiente
  con paredes adiabáticas), como el siguiente
• De acuerdo a la primera ley de la termodinámica
  la energía interna es constante, para un sistema
  aislado.

63
Principio de incremento de entropía

• La segunda ley de la termodinámica establece que
• Igual a cero para un proceso reversible y mayor
  que cero para un proceso irreversible, por lo
  tanto, S2 gt S1.