TEMA 1: INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS Y PROPIEDADES

Termodinámica y Transferencia de Calor Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica 1

Tema 1 Introduccio n, Conceptos y Propiedades

1. Introducción Desde el inicio de los tiempos, el hombre ha compartido su vida con los cuatro elementos que más

tarde Aristóteles consideraría como bases del Universo: La tierra, el agua, el aire y el fuego. Este

último pronto comenzó a manipular y utilizarlo. Inicialmente sólo para obtener calor,

posteriormente para pasar de sus herramientas de piedra a metálicas, manejando así la

combustión y transformaciones de la materia, reacciones químicas, lo cual hizo posible, la

construcción de sus herramientas.

La Energía, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir Trabajo, es el

protagonista principal de la disciplina de la Termodinámica que estudiaremos.

Como sabemos, la materia posee energía tanto por su misma naturaleza, energía interna, como

por su relación con un medio externo de referencia; así también conocemos la energía potencial

relacionada con la posición en un campo gravitatorio, eléctrico o magnético y también la energía

cinética relacionada con el movimiento de traslación o de rotación.

Comprendemos los conceptos de energía térmica, mecánica, eléctrica, magnética, química y

conocemos de sus posibles transferencias, como también sus transformaciones de unas formas en

otras.

Sintetizando, la Termodinámica tiene como objetivo el comprender las interrelaciones entre los

fenómenos mecánicos, térmicos y químicos. Por esto, la podemos definir como una Ciencia que

estudia todas las transformaciones de unas formas de energías en otras y también la transmisión o

transferencia de determinada clase de energía. En su sentido etimológico, podría decirse que trata

del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que

tienen relación con el calor y el trabajo.

TEMA 1: INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS Y PROPIEDADES

Termodinámica y Transferencia de Calor Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica 2

1.1 Definiciones Básicas

Sistema: Es una parte del universo objeto de estudio. También podemos definirla como región

restringida, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía.

Se acostumbra a definir tres clases de sistemas:

Sistemas Cerrados: Son aquellos en el cual no existe intercambio de masa con el ambiente.

La cantidad de materia del sistema permanece constante. Como por ejemplo: el aire

encerrado en un recipiente.

Sistemas Abiertos: Son aquellos en donde existe transferencia de masa a través de los

límites del sistema (o frontera), es decir existe una circulación de fluido, como por ejemplo:

Agua escurriendo por un tramo de cañería.

Sistema Aislado: Un sistema aislado no puede transferir materia ni energía con el medio

rodeante. El universo en su totalidad se puede considerar como un sistema aislado.

Límite del Sistema o Frontera: Son los límites o contorno del sistema, que permiten

aislarlo, pudiendo ser real o imaginario, fijo o móvil.

Se acostumbra a definir cuatro tipos de fronteras:

Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor.

Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor.

Rígidos, si no permiten el cambio de volumen.

Permeables o semipermeables, cuando a través de las paredes del sistema puede pasar

cualquier clase o sólo determinadas sustancias respectivamente.

Ambiente: Es todo lo que rodea al sistema, separado por su frontera, con el cual puede o no

cambiar energía y/o masa.

Sustancia de Trabajo: Es un fluido que permite absorber o entregar energía. Es el medio de

transporte de la energía que está presente en todas las máquinas térmicas y procesos termodinámicos. Como por ejemplo: vapor en una planta térmica, aire en un compresor, agua líquida en una bomba, etc.

TEMA 1: INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS Y PROPIEDADES

Termodinámica y Transferencia de Calor Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica 3

P (Mpa)

T (K)

Estado: (P0,T0)

T0

P0

Propiedades: Una propiedad es toda característica o atributo cuantificable de una sustancia,

que permite evaluar cambios de energía. Las propiedades termodinámicas más comunes son: Temperatura (T), Presión (P), Masa (m), Energía Interna (U), Entropía (S) y Volumen (V), y además los factores térmicos o coeficientes termoelásticos, los calores latentes, presión de vapor, capacidades caloríficas, densidad, etc. Son relativamente fáciles de medir y están relacionadas directamente con cálculos de energía. Es importante distinguir dos tipos de propiedades:

A. Propiedades Extensivas: Son aquellas que dependen de la masa del sistema, como por

ejemplo volumen y energía.

B. Propiedades Intensivas: Son independientes de la masa. Para cualquier parte o porción

de sistema que se considere, la propiedad intensiva tendrá el mismo valor, como por ejemplo la Temperatura, Presión, Viscosidad y Altura.

Los valores específicos (referidos a la unidad de masa) de algunas propiedades extensivas se transforman por definición en intensivas, como ocurre por ejemplo con el volumen (m3), (propiedad extensiva) y volumen específico (m3/kg), (propiedad intensiva), se acostumbra a señalar con letras mayúsculas a las propiedades extensivas y con minúsculas a las intensivas. Como por ejemplo V(m3) y v (m3/kg).

Estado Termodinámico: Es la condición de una

sustancia definida y determinada por sus propiedades. Cada una de las propiedades de una sustancia en un estado dado tiene un valor definido, y tendrá siempre el mismo valor en esa condición, sin importar como alcanzó ese estado.

Con el objeto de facilitar la comprensión de estos conceptos es conveniente recurrir a la construcción de gráficos que tienen como coordenadas dos propiedades de estado. Un punto de este gráfico o diagrama termodinámico, representa un estado particular de la sustancia, ejemplos diagramas P-T, P-v, T-s, h-s.

TEMA 1: INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS Y PROPIEDADES

Termodinámica y Transferencia de Calor Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica 4

Procesos: Un sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado. El

cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos.

A. Proceso Cíclico: Cuando el sistema a través de una serie de cambios de estado,

finalmente vuelve a su estado inicial.

B. Proceso Real o Irreversible Durante un proceso real las propiedades no son

necesariamente uniformes en todos los puntos del sistema, por lo tanto para poder describir los estados de un sistema durante un proceso se recurre a la definición de un proceso ideal.

C. Proceso Ideal o Reversible: Es aquel durante el cual el sistema pasa por una sucesión

continua e infinitesimal de estados de equilibrio termodinámico. Los factores que alejan a los procesos reales de los ideales reciben el nombre de irreversibilidades, tales como el rozamiento y la diferencia de temperatura entre el sistema y el ambiente durante una transferencia de calor. Los procesos, dependiendo de sus propiedades, los podemos clasificar en:

- Proceso isobárico, cuando en él la presión permanece constante. - Proceso isométrico o isocórico, cuando en él el volumen permanece constante. - Proceso isotérmico cuando en él la temperatura permanece constante.

Ciclos Termodinámicos: Es una serie continua de procesos donde al final del sistema

retorna al estado inicial.

Los ciclos son fundamentales en las transformaciones entre energía térmica (calor) y energía mecánica (trabajo), que se realizan en las máquinas térmicas. Se distinguen dos tipos de ciclos:

A. Ciclos de Trabajo: Aquellos que transforman el calor en trabajo.

B. Ciclos de Refrigeración: Aquellos que transforman el trabajo mecánico en un flujo

de calor desde un ambiente de baja temperatura hacia un ambiente de mayor temperatura.

1.2 Fase y Sustancia Pura Una fase es una parte homogénea de una mezcla. Normalmente la homogeneidad se determina en el microscopio. A simple vista se comprueba que una mezcla de agua y hielo es bifásica. Lo mismo ocurre con las tres fases en el punto triple del agua, en donde se encuentra sólido líquido y gas en equilibrio. (P= 0,0006113 MPa, T=0,01°C).

TEMA 1: INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS Y PROPIEDADES

Termodinámica y Transferencia de Calor Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica 5

Sustancia pura es un material formado por un sólo constituyente, en oposición a una mezcla, lo que no significa sustancia químicamente pura: sustancia pura es la que, en el intervalo de propiedades estudiado, no se separa en sus componentes. Por ejemplo, en procesos físicos (calentamiento o enfriamiento, compresión o expansión) a temperatura ambiente o superior, el aire puede considerase una sustancia pura; pero en procesos químicos (reacciones de combustión) o a bajas temperaturas (cuando se forma aire líquido), es necesario considerar el aire como una mezcla de sus componentes.

1.3 Propiedades Básicas

Volumen Específico (v): Es el volumen por unidad de masa.

v = Volumen / Masa = V / m [m3/kg]

Densidad (): Es la masa de la unidad de volumen, por lo tanto, es el inverso del volumen

específico.

= Masa / Volumen = m / V [kg/m3]

Peso Específico (): Es el peso por unidad de volumen.

= Peso / Volumen = mg / V [N/m3]

Presión (P): La presión se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un

fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie. En unidades SI la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m2), unidad denominada Pascal (Pa). En relación con la presión atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se suele utilizar otras unidades de presión, como:

1 Atm = 101325 Pa = 1,01325 Bar = 14.69 Psi = 760mmHg = 1.033 kg/cm2

En el caso de un gas, la presión es el resultado de los impactos de las moléculas del gas contra la pared. Como las moléculas se mueven en todas las direcciones, la presión es la misma con independencia de la orientación de la pared donde se mide: la presión es una magnitud escalar. Para gases formados por mezcla de varias sustancias, se habla de presión parcial como la contribución de cada gas a la presión total de la mezcla. Puede considerarse que la presión parcial de un gas es el resultado de las colisiones de las moléculas de ese gas contra la pared del recipiente, lo que se verá más detalladamente es el capítulo de gases ideales. En el caso de líquidos, la presión queda determinada por la ecuación de la hidroestática.

TEMA 1: INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS Y PROPIEDADES

Termodinámica y Transferencia de Calor Profesor: Sr. Carlos A. Bizama Fica 6

Hay medidores de presión cuya medida es la presión manométrica, y otros miden la presión absoluta. La presión atmosférica se denomina también presión barométrica.

PABSOLUTA = PATMOSFERICA LOCAL PMANOMETRICA

Temperatura (T): Es la propiedad o índice del estado de agitación o vibración

molecular de una sustancia. También se dice que es aquella propiedad que mide la capacidad de un cuerpo para transferir calor a otro. Las mediciones de temperatura requieren establecer datos de referencia que permitan construir escalas de medición. Existen las siguientes escalas de temperaturas: Escala Celsius o Centígrada: Asigna el valor cero al punto de congelación del agua a presión atmosférica normal, y el valor 100 al punto de ebullición del agua a la misma presión. Escala Fahrenheit: Asigna a esos mismos puntos los valores 32 y 212 respectivamente.

Relacionando ambas escalas para una temperatura cualquiera se obtiene la siguiente expresión.

( )

[ ( ) ]

Dado que los ceros de ambas escalas son totalmente arbitrarios, surge la necesidad de identificar un cero absoluto de temperatura. Se ha establecido que el cero absoluto se encuentra aproximadamente a 273,16 grados por debajo de la escala centígrada. Temperaturas Absolutas: Las temperaturas expresadas con referencia al cero absoluto se llaman temperaturas absolutas o temperaturas Kelvin (K). Por lo tanto se tiene que:

( ) ( )

100

0

212

32

°C °F

T°C T°F

Punto de Ebullición del agua

Temperatura Cualquiera

Punto de Congelación del agua

Pman (+)

PAbs

Pman=0

PAbs

Pman (-)

PAbs

PAtm. Local

PAbs=0