PROPIEDADES TERMODINAMICAS

IntroducciónLa termodinámica es la rama de las ciencias físicas que estudia los diversos fenómenos de la energía y las propiedades relacionadas con la materia, especialmente las leyes de transformación del calor en otras formas de energía, y viceversa.

Ejemplos de tales transformaciones cotidianas son los procesos de conversión del calor en electricidad (en la generación termodinámica de energía eléctrica), de trabajo eléctrico en efecto de enfriamiento (en el acondicionamiento de aire), de trabajo en energía cinética (en la transportación automotriz), etc.

La termodinámica gira en torno de las nociones de la ENERGIA en base de la primera ley de la termodinámica ó conservación de la energía y del concepto de producción de entropía ó segunda ley de la termodinámica.

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía, donde la energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza),por lo que en términos mas conocidos diríamos que termodinámica es la ciencia que trata con el calor , el trabajo y con las propiedades de la sustancia que se relacionan con el calor y el trabajo.

La termodinámica clásica utiliza el punto de vista macroscópico o de gran escala. El enfoque macroscópico estudia la termodinámica que no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partículas y proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas de ingeniería. En tanto que un enfoque microscópico más elaborado, se basa en el comportamiento promedio de grupos grandes de partículas individuales, llamada termodinámica estadística. Este enfoque microscópico es bastante complicado.

Los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía. El calor fluye en dirección de la temperatura decreciente.

SUSTANCIA DE TRABAJO

Toda máquina productora de energía o potencia requiere de una sustancia de trabajo, un fluido que sea capaz de absorber o ceder energía, estos pueden ser: compresibles (gases o vapor) e incompresibles (líquidos).

Ejemplos de fluidos operantes son: vapor (de agua) en una turbina de vapor, aire en un compresor de aire, mezcla de aire y combustible en un motor de combustión interna y agua (líquida) en una turbina hidráulica.

Una sustancia de trabajo o una cierta masa de sustancia de trabajo puede ser tomado como sistema.

SISTEMA

Un sistema termodinámico, se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera.

La cantidad de materia o región del espacio debe estar dentro de una frontera especificada, esta frontera puede ser deformable o rígida, incluso puede ser imaginaria. Todo aquello que esta fuera de la frontera del sistema se designa como alrededores, generalmente el término alrededor esta restringido a aquello que esta fuera del sistema y que de algún modo influye sobre él, la frontera tiene espesor cero, por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un lugar en el espacio.

Entre los sistemas tenemos los abiertos y cerrados, dependiendo para su estudio si es una mas fija o un volumen fijo en el espacio.

Entre los sistemas tenemos los abiertos y cerrados, dependiendo para su estudio si es una mas fija o un volumen fijo en el espacio.

UN SISTEMA CERRADO (masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera (real y visible). Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado. Pero la energía, en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera; el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo.

Si se impide que la energía cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado (caso especial).

Un sistema abierto (volumen de control), es una región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la región dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera de un volumen de control.

Sustancia pura

Es una sola sustancia que mantiene una estructura molecular invariable. O bien una solución fija de sustancias homogéneas lo cual le hace que tenga una estructura molecular invariable.

Fases

Una sustancia puede existir en cualquiera de sus tres fases: solido líquido y gaseoso.

Fusión: cambio de sólido a líquido: Ej. hierro fundidoVaporización: cambio de líquido a gas: Ej. vapor de aguaCondensación: cambio de gas a líquido: Ej. condensación del vapor de aguaSolidificación: Cambio de líquido a sólido: Ej. Agua a hielo de agua Sublimación: cambio de sólido a gas sin pasar por la fase líquida: Ej. hielo seco a vapor de aguaRetro sublimación: cambio de gas a sólido sin pasar por el estado líquido: Ej. vapor de yodo en escarcha de yodo.

PROPIEDADES Y ESTADO

Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Algunas propiedades conocidas son presión P, temperatura T, volumen V y masa m. y otras no tan conocidas como viscosidad, conductividad térmica, módulo de elasticidad, coeficiente de expansión térmica, resistividad eléctrica, velocidad.

Nos permite conocer los cambios de la sustancia de trabajo, es decir cambios de la energía.Se considera que las propiedades son intensivas o extensivas.

Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presión y densidad.

Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema. La masa total, volumen total y cantidad de movimiento total.

Comúnmente, las letras mayúsculas se usan para denotar propiedades extensivas (con la importante excepción de la masa m) y las minúsculas para las intensivas (con las excepciones obvias de la presión P y la temperatura T). Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas.

Se entiende por estado termodinámico, a aquel punto de una fase que está identificado por dos propiedades termodinámicas intensivas, a estas propiedades intensivas también se las conoce como puntuales, manifestando que hay infinito número de estados en una misma fase.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

DENSIDAD (). Es la razón que existe entre la masa que está ocupando un volumen total, o es la masa por unidad de volumen:

Dónde:

m=masa, (Kg) V = volumen, (m3)

VOLUMEN ESPECÍFICO (v). Es la relación que existe entre el volumen total que ocupa una masa, ó es el volumen por unidad de masa:

PESO ESPECÍFICO (). Se define como la relación existente entre el peso del cuerpo y el volumen total que ocupa:

Donde g es la aceleración gravitacional.

PRESIÓN (P). Es la fuerza que ejerce un cuerpo por unidad de área.

Dónde: A1 = área, (m2)

TEMPERATURA (T). Es el estado térmico de una sustancia que se considera para trasmitir calor. La temperatura puede ser expresada en diversas escala como son:

Celsius o CFahrenheit o F Kelvin o KRankine o R

En la siguiente grafica se nota que las magnitudes de cada división de 1 °K y 1 °C son idénticas; por lo tanto, cuando se trata con diferencias de temperatura ΔT, el intervalo de temperatura en ambas escalas es el mismo. Un decremento en la temperatura de una sustancia en 20 °C es lo mismo que bajar en 20 K.

Gravedad específica o densidad relativa (DR). Se define como el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura especificada (normalmente agua a 4 °C, para la que H2O = 1 000 kg/m3.

SISTEMA DE UNIDADES

Los sistemas de unidades son diversos en el estudio de las ciencias exactas, es así como uno de los objetivos de la enseñanza de la termodinámica es familiarizar al estudiante con los diferentes sistemas que se utilizan comúnmente en nuestros países.

• Sistema C.G.S: con unidades fundamentales de centímetros, gramos y segundos.• Sistema M.K.S. con unidades fundamentales de metros, kilogramos y segundos• Sistema Inglés: con unidades fundamentales de pie, libras, segundos.

• Sistema Internacional: (S.I.): con unidades fundamentales de: kilogramos, metros, segundos, candela, grado kelvin, mol, y que tienen unidades complementarias y suplementarias.

SISTEMA DE UNIDADES

Fuerza. Es cualquier acción, esfuerzo o influencia que puede alterar el estado de movimiento o de reposo de cualquier cuerpo

Fuerza = (masa)(aceleración)

En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como 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 de 32.174 lbm (1 slug) a razón de 1 pie/s2.

Otra unidad de fuerza es el kilogramo-fuerza (kgf), que es el peso de 1 kg de masa al nivel del mar.

El trabajo. Es una forma de energía, se puede definir como la fuerza por la distancia.

Unidad (N · m), llamado joule (J).

En el sistema inglés, la unidad de energía es el Btu (British thermal unit), que se define como la energía requerida para elevar en 1 °F la temperatura de 1 lbm de agua a 68 °F. En el sistema métrico, la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 °C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 °C se define como 1 caloría (cal).

La potencia. Es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo, (J/s) que se conoce como watt (W).

La energía eléctrica se expresa kilowatt-hora (kWh), que es equivalente a 3 600 kJ.

PRESIÓN (P). Es la fuerza que ejerce un cuerpo por unidad de área, tiene como unidad el newton por metro cuadrado (N/m2), también conocida como pascal (Pa).

A la presión real se la conoce como presión absoluta, y se mide respecto al vacío absoluto (es decir, presión cero absoluta). Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero en la atmósfera, por lo que indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local; esta diferencia es la presión manométrica.

Presiones absoluta, manométrica y de vacío mostrada en la siguiente gráfica.

Variación de la presión con la profundidad.

La presión de un fluido se incrementa con la profundidad debido a que una mayor cantidad de éste descansa sobre las capas más profundas y el efecto de este “peso extra” en una capa inferior se equilibra mediante un aumento de presión.

Variación de la presión con la profundidad.

Para determinar la presión actuante sobre un punto en el interior de un fluido en equilibrio consideramos un elemento rectangular de fluido de altura Δz, longitud Δx, y profundidad unitaria (hacia el interior de la página).

Variación de la presión con la profundidad.

Si por otra parte consideramos que el punto 1 está sobre la superficie libre de un líquido abierto a la atmósfera, donde la presión es la presión atmosférica, entonces la presión a la profundidad h desde la superficie libre será:

Una consecuencia de la presión en un fluido que permanece constante en la dirección horizontal es que la presión ejercida sobre un fluido incompresible dentro de un recipiente rígido, se transmite a todos los puntos del mismo con el mismo valor.

MANÓMETRO. Consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite. Para que el manómetro tenga un tamaño manejable se usan fluidos pesados como el mercurio, si se anticipan grandes diferencias de presión.

BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA. La presión atmosférica es medida por un dispositivo conocido como barómetro; por lo que , la presión atmosférica se denomina como presión barométrica.

PROCESO Y CICLOS TERMODINÁMICOS

Es todo cambio que experimenta un sistema termodinámico de un estado de equilibrio a otro. la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria.un proceso queda completamente descrito si se tiene especificado su estados inicial, final y la, trayectoria que sigue asi como las interacciones con los alrededores.

PROCESO Y CICLOS TERMODINÁMICOS

PROCESO TERMODINÁMICO

Es todo cambio que experimenta un sistema termodinámico de un estado de equilibrio a otro. la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria.un proceso queda completamente descrito si se tiene especificado su estados inicial, final y la, trayectoria que sigue asi como las interacciones con los alrededores.

Cabe indicar que siempre dos propiedades intensivas o puntuales identifican un estado.

Los procesos termodinámicos son los siguientes:

• Isobárico (presión constante).

• Isométrico (volumen constante).

• Isotérmico (temperatura constante).

• Isoentrópico (entropía constante).

• Politrópico.

CICLO TERMODINÁMICO

Es la sucesión ordenada de procesos termodinámicos que partiendo de un origen y pasando por diferentes estados llegan al sitio de partida. En un ciclo los estados inicial y final son idénticos.

Ciclo de dos procesos.

Ciclo de cuatro procesos.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA.

Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

Lo que quiere decir que si un cuerpo A se encuentra a la misma temperatura que un cuerpo B y este tiene la misma temperatura que un tercer cuerpo C, entonces, el cuerpo A tendrá la misma temperatura que el cuerpo C. Por lo cual estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como el B y C, estarán los tres, en equilibrio térmico. Es decir: los cuerpo A, B y C, tendrán igual temperatura.

Proceso cuasiestático (cuasiequilibrio).

Si el proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de su estado de equilibrio.

Estado y equilibrio

En un sistema que no experimenta cambios, su condición o estado queda descrito por todas las propiedades, las cuales se pueden medir y calcular.

Nota: El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes

Proceso de flujo estacionario.

Se lo define como un proceso durante el cual un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control.

Entendiéndose por estacionario que no hay cambio con el tiempo.

Lo que quiere decir que , las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del volumen de control, pero en algún punto fijo permanecen sin cambio durante todo el proceso. Por

lo tanto, el volumen V, la masa m y el contenido total de energía E del volumen de control permanecen constantes durante un proceso de flujo estacionario.

Proceso de flujo estacionario.

Las propiedades pueden cambiar con la posición pero no con el tiempo.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA

“La temperatura es una magnitud que nos da una medida de la agitación o movimiento medio (de la energía cinética media) de las moléculas de un material”.

El calor es la energía que se transfiere entre dos cuerpos cuando tienen diferente Temperatura.

El Calor y el trabajo no son otra forma de energía, sino energía en tránsito, la cantidad de energía que se transfiere de un cuerpo a otro.

INTRODUCCION

La energía es inherente en la materia y aparece en muchas formas pudiendo hacer la conversión de una forma a otra.

Existen numerosas formas de la energía: térmica, mecánica, eléctrica, química y nuclear.

Analizaremos las principales formas de energía para nuestro estudio.

CONSERVACIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA

Existe una relación muy estrecha entre masa y energía; y se puede asegurar con toda certeza que no hay energía sí no hay masa que pueda generarla.

¿QUE ES ENERGÍA?

Es la capacidad que tiene la materia (un sistema termodinámico abierto o cerrado), para realizar trabajo.

MEDIDAS DE LA ENERGÍA

La cantidad total de energía (E) de un sistema no se la puede determinar totalmente, sino que la estamos acostumbrados a determinarla por cambios arbitrarios (patrones referenciales) como: velocidad, altura, gravedad, movimiento de átomos, calor, estados de referencia, etc.

La energía es una cantidad escalar no una magnitud vectorial por lo que no tiene dirección en un sistema de referencia. Por otra parte se debe indicar también que la energía total en un sistema es la suma de las magnitudes de las diversas manifestaciones de energía que posee el sistema.

E = ∑( energías parciales).

E = EC + EP + U

donde:

EC = energía cinética

EP = energía potencial

U = energía interna

UNIDADES DE LA ENERGÍA

DENTRO DE LAS UNIDADES FAMILIARIZADASTENEMOS,

Calorías: Kcal, cal.

BTU: British Thermal Unit

Kgm: Kilográmetro.

Lb-pie: Libra-pie.

JOULE: N-m (S.I.).

Dentro de las unidades familiarizadas tenemos:

Calorías: Kcal, cal.

BTU: British Thermal Unit

Kgm: Kilográmetro.

Lb-pie: Libra-pie.

JOULE: N-m (S.I.).

RELACIONES DE MAGNITUDES

La constante de Joule, relaciona matemáticamente el calor y trabajo. Esta constante (J) se la conoce como equivalente mecánico de calor o constante de conversión de calor y trabajo, de acuerdo a las unidades en las que se trabaje, luego se tiene:

TIPOS DE LA ENERGÍA

Puede existir en varias formas: térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica, magnética, química y nuclear, la suma de todas estas forman la energía total(E) de un sistema, la cual se denota por unidad de masa mediante e y se expresa como:

El cambio de energía total de un sistema es independiente del punto de referencia seleccionado.

El análisis termodinámico, considera dos grupos para los distintos tipos de energía que conforman la energía total de un sistema: macroscópicas y microscópicas.

Las formas macroscópicas de energía que posee un sistema se relacionan con los marcos de referencia externos, están la energía cinética y potencial.

Las formas microscópicas de energía se relacionan con la estructura molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, y son independientes de los marcos de referencia externos. La suma de todas las formas microscópicas de energía se denomina energía interna de un sistema y se denota mediante U.

Además de los tipos de energía indicados, existen muchas más formas de energía entre las que se anotan las siguientes:

• Electromagnética.• Acústica.• Química.• Nuclear.• Solar.• Eólica.• Bioenergía.• Mareomotriz.• Hidráulica• Térmica.

ENERGÍA CINÉTICA (EC)

La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento en relación con cierto marco de referencia se llama energía cinética (EC).

La variación de la energía cinética se expresa por:

Donde V = velocidades del cuerpo en las posiciones 1 y 2, respectivamente.

Cuando todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad, la energía cinética se expresa como:

O bien por unidad de masa,

V denota la velocidad del sistema con respecto a algún marco de referencia fijo.

ENERGÍA POTENCIAL (EP)

La energía que posee un sistema como resultado de su incremento de altura en un campo gravitacional, a la variación de energía se le tomará con respecto al centro de gravedad del sistema y se la considera en forma vertical.

Donde z1 y z2 = alturas de los cuerpos 1 y 2 respectivamente

o, por unidad de masa,

ENERGÍA INTERNA (U)

La materia está formada por átomos y moléculas que se mueven al azar, entonces, la energía interna es el producto del grado de actividad molecular que se produce en la materia.

También a la energía interna se considera como la suma de todas las formas de energía microscópica.

Se la denota mediante U.

Los efectos magnético, eléctrico y de tensión superficial son significativos

Sólo en casos especiales y en general se ignoran.

En ausencia de esta clase de efectos, la energía total de un sistema consta sólo de las energías cinética, potencial e interna, y se expresa como:

o bien, por unidad de masa,

TRABAJO

La expresión vectorial para el trabajo mecánico de una fuerza, es un producto escalar dW = F· ds, válido a lo largo de cualquier trayectoria.

El trabajo de una fuerza F se define como el desplazamiento dx de un cuerpo multiplicado por su componente Fx de fuerza en direccion del desplazamiento:

dW = Fx· dx

El trabajo es una interacción de energía entre un sistema y sus alrededores, también se dice que es la capacidad que tiene un cuerpo para trasladarse.

La energía es capaz de cruzar la frontera de un sistema cerrado en forma de calor o trabajo.

El calor es fácil reconocer, ya que este produce una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.

Por tal motivo cualquier interacción de energía que se produce por otra acción que no sea un cambio de temperatura entre el sistema y sus alrededores es trabajo.

La elevación de un émbolo, un eje que gira que cruzan las fronteras del sistema son algunos ejemplos más comunes de trabajo que se encuentran en la vida cotidiana. Como ya se dijo el trabajo es una forma de energía como el calor, entonces tienen las mismas unidades como son: joule (J).

El trabajo efectuado entre dos puntos de un proceso está definido por:

dW = F· dx

El trabajo realizado por unidad de masa de un sistema se denota con (w) y se define como:

La producción de trabajo mediante un sistema es considerado un efecto positivo y deseable y el consumo de trabajo un efecto negativo indeseable.

La convención de signos se toma en cuenta de acuerdo a que el trabajo realizado por un sistema es positivo y el trabajo efectuado sobre un sistema es negativo.

TRABAJO EN UN SISTEMA NO FLUENTE

Una sustancia que se expansiona o se comprime contra una resistencia entrega o recibe trabajo.

Consideremos un sistema cerrado, el cual esta constituido de un fluido dentro de un cilindro y presionado por su émbolo.

En sistemas cerrados se produce procesos no fluentes.

Si consideramos el estado del fluido en el plano V-p, las coordenadas del punto 1 son V1 y p1, al expansionarse la sustancia y moverse él embolo venciendo una resistencia variable, el fluido realiza trabajo, en este proceso la presión baja y el estado de la sustancia cambiará hasta el punto 2.

Este cambio representa un proceso. Como la presión varia, la fuerza sobre el émbolo también, para hallar el trabajo no fluente de un sistema cerrado integramos la expresión antes encontrada.

Si se toma una fracción pequeña de la curva anterior en la cual la presión es inicialmente constante, la fuerza que actúa sobre el émbolo será,

La distancia que recorre el embolo es dL. Entonces el trabajo en una fracción infinitesimal es:

Como sabemos que:

Se obtiene

Por lo tanto el trabajo total efectuado en el proceso no fluente es:

El área total bajo la curva 1-2 es y representa el trabajo realizado por el sistema conforme pasa del estado 1 al estado 2. Cuando el sistema se expande, se produce trabajo por el sistema, entonces la integral es positiva, mientras que si el sistema se comprime se realiza trabajo en el sistema y por lo tanto la integral es negativa.

TRABAJO EN SISTEMA FLUENTE

Se lo denomina también energía de flujo, es una forma especial de trabajo y se produce exclusivamente en sistemas abiertos.

Se produce al empujar a un fluido a través de una frontera , generalmente hacia adentro o hacia fuera del sistema.

Por definición de presión, se tiene:

Al aplicar lo anterior para cada punto:

Además, el trabajo está expresado por:

Por lo tanto, en cada punto será:

Realizando la sustitución adecuada se obtiene lo siguiente:

Por lo que se llega a la expresión del trabajo neto de flujo, la misma que está expresada por:

Como el trabajo fluente es diferente para cada punto, y depende del estado (p,V) de la sustancia a medida que cruza la frontera es una función puntual , por lo que se puede manifestar que el trabajo es:

CAPITULO 3:

RELACIONES DE ENERGIA

La primera ley de la termodinámica o ley de conservación de la energía permite relacionar: masa, calor, trabajo, etc.

REVERSIBILIDAD La reversibilidad es un concepto termodinámico que implica el retorno de una acción hasta su estado original, sin que haya pérdidas o ganancias de energía desde el sistema termodinámico hasta el medio ambiente o viceversa, es un proceso ideal. Ej. El rebote de un balón en una superficie bien pulida.

CALOR ESPECÍFICO

Por lo general se necesita una propiedad termodinámica para comparar las capacidades de almacenamiento de energía de diferentes sustancias, esta se llama calor específico y se define como: “La cantidad de calor que se añade a una sustancia para producir un incremento unitario en su temperatura, bajo condiciones especiales y cuidadosamente controladas”

Al calor específico, se lo conoce también como capacidad calorífica específica o también capacidad calorífica. En general esta energía dependerá de cómo se ejecute el proceso, por otra parte se indica que no es lo mismo este concepto que el de poder calorífico.

CALOR ESPECIFICO A VOLUMEN CONSTANTE (cV).

Se prevé para el análisis, un sistema en el cual se mantenga el volumen constante, es decir, un sistema no fluente, esto implica que no existe intercambio de masa del sistema con el medio circundante. Para el análisis se considera las ecuaciones de sistema cerrado:

CALOR ESPECÍFICO A PRESIÓN CONSTANTE (cP).

Se considera un sistema no fluente, en el cual la presión permanezca constante mientras se añade calor, la presión se encuentra equilibrada por una fuerza, la ecuación de trabajo para sistemas no fluentes es:

Cabe indicar que la constante J, se definió anteriormente. Con la consideración de presión constante se tiene la expresión:

RELACIÓN DE CALORES ESPECÍFICOS (k).

Siempre debemos tener en cuenta que cp es mayor que cv. Además la relación de calor específicos, conocido también como coeficiente adiabático (k) aparece con frecuencia en las ecuaciones de la termodinámica es conveniente un símbolo para ella:

ENTROPÍA. Es una propiedad termodinámica de tipo puntual que permite conocer la cantidad de calor que sale de un sistema a una temperatura especifica.

ENTROPÍA ESPECÍFICA (s).

IRREVERSIBILIDAD La irreversibilidad es un concepto termodinámica que se aplica a aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles en el tiempo. Desde esta perspectiva termodinámica, todos los procesos naturales son irreversibles. El fenómeno de la irreversibilidad resulta del hecho de que si un sistema termodinámico de moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro, ello dará como resultado que la configuración o distribución de átomos y moléculas en el seno de dicho sistema variará.

Cierta cantidad de "energía de transformación" se activará cuando las moléculas del "cuerpo de trabajo" interaccionen entre sí al cambiar de un estado a otro. Durante esta transformación, habrá cierta pérdida o disipación de energía calorífica, atribuible al rozamiento intermolecular y a las colisiones.

Lo importante es que dicha energía no será recuperable si el proceso se invierte.La irreversibilidad puede ser externa e interna.

La mayoría de los sistemas que se estudiara son gaseosos, entonces en tal situación la irreversibilidad externa de interés para el sistema será una transmisión de calor a través de una caída de temperatura, y la irreversibilidad interna será fricción y rozamiento del fluido.

CAPITULO 4

GASES IDEALES

En lo relacionado al estudio de la Termodinámica, la idealización es lo más practico, ya que con esto se facilitan algunos cálculos matemáticos.

Gas Ideal: es aquella sustancia de trabajo utilizada como fluido en máquinas térmicas, que observa estrictamente las leyes de idealización de los mismos.

Todas las sustancias gaseosas se aproximan en su comportamiento a un gas ideal.

Entre los gases ideales tenemos al He, H2, Aire, Ar, O2, N2, vapor de agua, etc.

LEYES DE LOS GASES IDEALES

Los gases en la naturaleza se encuentran en su estado original como gases reales y estos para que sean considerados como gases ideales y sirvan como sustancia de trabajo térmica, deben someterse a las restricciones de las idealizaciones o leyes de los gases ideales, entre las que se anotan:[1]

• Ley de Boyle y Mariotte

• Leyes de Charles y Gay Lussac

• Ley General de los gases

• Ley de Joule

• LEY DE BOYLE Ó MARIOTTE

Observo la relación existente entre la presión y el volumen

“Si la temperatura de una cantidad dada de gas se mantiene constante, el volumen de este varía en razón inversa a la presión absoluta, durante la variación de su condición o estado”.

PROCESO ISOTERMICO

p1 * V1 = p2 * V2 = cte.

Si:

Generalizando

p* V = cte. → hipérbola equilátera.

• LEY DE CHARLES (Ó DE CHARLES GAY LUSSAC )

Aproximadamente cien años después del descubrimiento de la Ley de Boyle, dos investigadores franceses, Jacques A. Charles (1746-1823) y Joseph L. Gay-Lussac (1778-1850), cada uno de ellos

sin conocimiento del trabajo del otro, descubrieron la ley que generalmente se llama sólo ley de Charles.

Esta ley tiene dos enunciados:

Si la presión absoluta sobre una cantidad dada de gas permanece constante, entonces, con una variación de su condición o estado, el volumen varía en proporción directa a su temperatura absoluta”

Proceso isobárico

• (Gay Lussac)

“ Si el volumen permanece constante sobre una cantidad dada de gas, entonces, con una variación de la condición o estado, la presión absoluta variará en relación directa a su temperatura absoluta.”

Proceso isométrico

La ecuación de condición o estado para un gas ideal, relaciona las tres propiedades de estado, por ejemplo:

p, v, T;

Ej. [ p = f(v, T)], [ T,= f(p, v)].

Se puede obtener la ecuación de estado combinando las Leyes de Boyle con cualquiera de los dos enunciados de Charles o Gay Lussac, o éstos entre sí, como se observa en el siguiente análisis.

1-a p=cte

2-a v=cte

Si la masa del gas es de 1 kg tenemos que su volumen especifico es va = v2

• p*v = R*T

• p*V = m*R*T

CONSTANTE DE LOS GASES ( R )

La constante de los gases R, se determina por observaciones experimentales de valores de p, v, T. De cualquier sustancia de trabajo, si se tiene de la ecuación:

p * v = R * T

Constante específica para cada gas

Constante especifica para cada gas

R = constante específica del gas, que varía, de acuerdo a la sustancia de trabajo.

R = en tablas =

Como ejemplo para el aire se tiene:

A 0 grados centígrados y a la presión estándar, la densidad del aire es 1,29 Kg/m3

LEY DE JOULE Y LA ENERGÍA INTERNA DE UN GAS IDEAL.

Realizo un experimento:

LEY DE JOULE Y LA ENERGÍA INTERNA DE UN GAS IDEAL.

Y enunció:

“ El cambio de energía interna de un gas ideal es función del cambio de temperatura” esta ley puede ser aplicada a gases reales a medida que la presión disminuya.

La energía interna no depende ni de la presión ni del volumen, o sea:

dU = f(dT)

luego, como:

du = cv*dT, (cualquier sustancia , proceso a v = C ;para gas ideal, cualquier proceso)

v, se puede obtener en tablas

cv = cp –R/J

∆u = cv(T2 –T1 ) Calor especifico constante

∆U = m*cv(T2 – T1) Cal; Btu

U = f(m, cv, T)

PROCESO DE ESTRANGULAMIENTO

Es un proceso irreversible de flujo estacionario o constante, en el que la energía cinética no es nula, y W = Q = ∆EP = 0

Balance de energía:

h1 + EC1 = h2 + EC2

EC1 y EC2 son pequeñas K1 = K2

h1 = h2

Se usa éste proceso en refrigeración y aire acondicionado

RELACIONES DE CALORES ESPECÍFICOS EN GASES IDEALES

Son útiles para el cálculo de calores específicos.

Se tiene que:

dh = du + d ( pv)J dh = cpdT

du = cvdT pV = RT