GUÍA DEL PROFESOR Y ALUMNO PROCESOS TERMODINÁMICOS UTJ

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE JALISCO

DIVISIÓN TECNOLOGÍA AMBIENTAL

VERSIÓN: 2

FECHA: MAYO 2008

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PROCESOS TERMODINAMICOS

GUÍA ACADÉMICA

SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA

SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

SUBSISTEMA DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

ELABORÓ: ISABEL ARELLANO ANGULO. REVISÓ: COMISIÓN ACADÉMICA NACIONAL DEL ÁRE.

APROBÓ: COORDINACIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

FECHA DE ENTRADA EN VIGOR:

SEPTIEMBRE 2001

ACTUALIZACIÓN UTJ - 2008.

Enero 2008 ACTUALIZÓ y MODIFICÓ PARA UTJ:

M. en C. NALLELI GUADALUPE MARÍA ACOSTA TOPETE.

REVISÓ PARA UTJ-2008

Academia de Procesos. Carrera de Tecnología Ambiental, UTJ.

FECHA DE ENTRADA EN VIGOR EN UTJ:

MAYO 2008.

Revisión no. 1. Fecha de actualización: Enero, 2008.

Revisión no. 2. Fecha de actualización: Septiembre, 2008. F-CADI-SA-MA-34-GP-A

http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://termodinamica.4t.com/termgas.jpg&imgrefurl=http://termodinamica.4t.com/termometria.htm&h=461&w=396&sz=21&hl=es&start=95&tbnid=yLKCf6En9nQcnM:&tbnh=128&tbnw=110&prev=/images?q=Termodin%C3%A1mica&start=80&gbv=2&ndsp=20&hl=es&sa=N



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I. DIRECTORIO

LIC. JOSEFINA VAZQUEZ MOTA.

SECRETARÍO DE EDUCACIÓN PÚBLICA

SUBSECRETARIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR E INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA

DR. ARTURO NAVA JAIMES

COORDINADOR GENERAL DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS

RECONOCIMIENTOS

ING. ISABEL ARELLANO ANGULO.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE NEZAHUALCOYOTL

PROCESOS TERMODINÁMICOS D.R. 20001

ESTA OBRA, SUS CARACTERÍSTICAS Y DERECHOS SON PROPIEDAD DE LA: COORDINACIÓN GENERAL

DE UNIVERSIDADES TECNOLÓGICAS (CGUT) FRANCISCO PETRARCA No. 321, COL. CHAPULTEPEC

MORALES, MÉXICO D.F.

LOS DERECHOS DE PUBLICACIÓN PERTENECEN A LA CGUT. QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN

PARCIAL O TOTAL POR CUALQUIER MEDIO, SIN AUTORIZACIÓN PREVIA Y POR ESCRITO DEL TITULAR DE

LOS DERECHOS.

ISBN (EN TRÁMITE)

IMPRESO EN MÉXICO.



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ÍNDICE

I. DIRECTORIO ............................................................................................................................................. 2

II. INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA ................................................................................................... 4

TEMA 1. SISTEMAS DE UNIDADES ............................................................................................................ 5

ASPECTOS TEÓRICOS: .......................................................................................................................... 5

BREVE REPASO. ................................................................................................................................. 5

TABLAS DE CONVERSIONES ............................................................................................................ 6

PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS ........................................................................................................... 9

TEMA 2. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS .............................................................................................. 12

TERMODINÁMICA DEL AGUA. ............................................................................................................. 12

TEMA 3. TRANSFORMACIONES REVERSIBLES E IRREVERSIBLES ................................................... 16

TEMA 4. SUSTANCIAS PURAS ................................................................................................................. 17

PROPIEDADES COLIGATIVAS ............................................................................................................. 17

TEMA 5. DIAGRAMAS DE FASES Y VARIABLES DE ESTADO............................................................... 22

TEMA 6. GASES IDEALES Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA ....................................................... 25

GASES IDEALES. ................................................................................................................................... 25

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA. .................................................................................................. 26

TEMA 7. TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS ............................................................................ 27

TEMA 8. ENERGIA ..................................................................................................................................... 28

TEMA 9. TRABAJO ADIABÁTICO .............................................................................................................. 30

TEMA 10. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA ................................................................................ 32

TEMA 11. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ............................................................................... 34

MÁQUINAS DEL MOVIMIENTO PERPETUO ........................................................................................ 35

TEMA 12. MÁQUINAS TÉRMICAS y MÁQUINAS FRIGORÍFICAS ........................................................... 37

MÁQUINAS TÉRMICAS: ........................................................................................................................ 37

MÁQUINAS FRIGORÍFICAS .................................................................................................................. 38

TEMA 13. ENTROPÍA “S” ........................................................................................................................... 39

TEMA 14. CICLOS TERMODINÁMICOS .................................................................................................... 42

CICLO DE CARNOT ............................................................................................................................... 42

CICLO DE OTTO .................................................................................................................................... 44

MOTOR DE DOS TIEMPOS ................................................................................................................... 45

MOTOR DE CUATRO TIEMPOS ........................................................................................................... 45

BIBILIOGRAFIA ........................................................................................................................................... 47

GLOSARIO .................................................................................................................................................. 48



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II. INTRODUCCIÓN DE LA ASIGNATURA

La palabra termodinámica significa potencia térmica o potencia obtenida a partir del calor, debido a sus orígenes en el análisis de las máquinas de vapor. En la actualidad, la termodinámica, como ciencia moderna completamente desarrollada, estudia cómo un tipo de energía puede transformarse en otro. Las restricciones generales bajo las que se observan todas estas transformaciones se conocen como la primera y segunda leyes de la termodinámica, las cuales no pueden probarse en sentido matemático, sino que su validez descansa en la experiencia.

Dentro de los estudios de refrigeración y aire acondicionado, la termodinámica juega un

papel muy importante, mediante el análisis se puede seleccionar el tipo de refrigerante apropiado a las necesidades de refrigeración, la potencia necesaria que requiere el compresor, el control de humedad, etc.

En el presente manual, primero se repasan conceptos y se definen otros, con el fin de

obtener bases para las siguientes unidades. Después se presenta todo lo referente a la ley cero de la termodinámica y las sustancias puras, apoyado en diagramas y dibujos que facilitan su comprensión, además de ejercicios para desarrollar la habilidad en el manejo de tablas. Continuamos con lo que son gases ideales, y el desarrollo de la ecuación fundamental, partimos de este punto hacia la primera ley de la termodinámica, trabajo y calor. Finalmente concluimos con la segunda ley de termodinámica, la entropía y su relación con las maquina térmicas, frigoríficas y sus ciclos termodinámicos.



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TEMA 1. SISTEMAS DE UNIDADES

OBJETIVO: aplicar las conversiones de unidades a diferentes sistemas de

unidades.

ASPECTOS TEÓRICOS:

BREVE REPASO.

Dimensión o magnitud: cantidades fundamentales utilizadas para las

descripciones físicas. Unidades: magnitud de valor conocido y perfectamente definido, que se emplea

como referencia para medir y expresar el valor de otras magnitudes de la misma especie.

En la práctica se utilizan distintos sistemas de unidades que difieren básicamente en el número de dimensiones fundamentales y en las unidades.

Conversión de Unidades: en algunos casos puede ser necesario convertir de

un sistema de unidades a otro. A este respecto la siguiente tabla proporciona un conjunto de factores de conversión directa entre el Sistema Inglés y Sistema Internacional (SI) para las magnitudes básicas.

La diferencia entre el Sistema Inglés y el SI, es que el primero no tiene una base

numérica y sus diversas unidades se relacionan de manera arbitraria, mientras que el SI es simple y lógico basado en una relación decimal entre diversas unidades.

Básicas

Dimensión Sistema Internacional Sistema Ingles

Longitud L Km, m, cm, mm Mi, yarda, pie, in

Masa m Kg, g, mg, Ton Lb, onzas

Tiempo t s, min, h, día, mes s, min, h, día, mes

Temperatura T °C, K °F, R



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TABLAS DE CONVERSIONES

Longitud 1 in = 2.54 cm 1 ft = 12 in = 30.48 cm 1 mi = 1.609 km 1 km = 1000 m 1 m = 100 cm 1 cm = 10 mm 1 km = 0.6214 mi 1 μ = 1*10-6 m 1 m μ = 1*10-9 m

Superficie 1 m2 = 10.76 ft2 1 ft2 = 929 cm2 1 mi2 = 640 acres 1 acre = 43.560 ft2

Volumen 1 l = 1000 cm3 = 61.02 pulg3 = 0.03532 ft3

1 m3 = 1000 l = 35.32 ft3

1 gal = 231 pulg3 = 3.785 l

1 ft3 = 7.481 gal = 0.02832 m3

Masa 1 slug = 14.59 kg 1 kg = 2.2046 lb = 0.06852 slug 1 lb = 453.6 g 1 slug = 32.174 lb 1 Kg = 1000 g

Energía 1 Btu = 252 cal 1.356 J = 0.3239 cal 1 Kcal = 1000 cal 1 cal = 4.186 J

Potencia 1 hp = 745.7 W = 1.0139 CV 1.341 hp = 0.9483 Btu/s

Presión 1 atm = 760 mm Hg = 76 cm Hg

Magnitud Unidad SI Factor de Conversión

Presión Pascal (Pa)

1kPa = 1000 Pa 1 atm = 101.325 kPa 1 bar = 1*105 Pa 1 mmHg = 133.322 Pa 1 torr = 133.322 Pa 1 atm = 760 mmHg 1 atm = 760 torr 1 N/m2 = 9.869*10-6 atm

Lbf: se define como la fuerza necesaria para proporcionar a una libra - masa una aceleración de 32.54 ft/seg2



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t°C = temperatura en grados Centígrados.

t°F = temperatura en grados Fahrenheit.

T(K) = temperatura en Kelvin. T(R) = temperatura en Rankine.

33

33

1000111

9800980

m

Kg

l

Kg

ml

g

cm

g

m

N

cm

dinas

w

w

m

m

V

w

V

m

mgw

agua

agua

agua

cuerpo

aguadevolumenigual

cuerpo

aguadevolumenigual

cuerpo

agua

cuerpo

EJERCICIO 1.

1. Determine la densidad absoluta en kg/l y en lb/in3 y relativa de un combustible, sabiendo que 300 g de dicha sustancia ocupan un volumen de 587 cm3.

2. Determine el volumen en galones, que ocuparán 975 g de mercurio cuya densidad es de 13.6 g/cm3.

3. La densidad relativa del hierro fundido es de 7. Determine:

a. La densidad absoluta y la masa en kg, de 150 m3.

b. El peso específico y el peso que tienen 45 m3 de fundición.

En donde: m = masa g = gravedad = 9.82 m/s2 V = volumen w = peso, en Newton (N) 1 N = 1kg*m/s2 1 dina = 1g*cm/s2

γ= peso específico.

δ = densidad relativa.

φ = densidad absoluta.



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EJERCICIO 2.

En el renglón de la derecha, anotar las unidades del sistema internacional de medidas, en las que se expresa cada una de las propiedades indicadas.

a) masa b) volumen

c) peso d) densidad

e) velocidad f) presión absoluta

g) temperatura h) energía cinética

i) energía calorífica j) presión manométrica

k) presión atmosférica l) trabajo

EJERCICIO 3.

A continuación se dan dos listas de unidades, correspondientes a la misma propiedad en cada renglón. Escribir en la columna de la derecha, la equivalencia con respecto a la unidad de la columna izquierda.

a. 1 Kg = Lb

b. 1N = Kg*m/s2

c. 1 bar = Pa

d. 1 atm = bar

e. 1 bar = kgf/cm2

f. 1 pie = m

g. 1 pie3 = m3

h. 20 ºC = ºF

i. 44ºR = K



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PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS

TERMODINÁMICA: significa potencia térmica o potencia obtenida a partir del calor, debido a sus orígenes en el análisis de las máquinas de vapor. PRESIÓN: la presión de un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida por el fluido por unidad de área de la superficie.

NOTA: Es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. La presión solo se emplea cuando se trata con un gas o un líquido. La contraparte de la presión en los

sólidos es el esfuerzo PRESIÓN MANOMETRICA: se refiere a la diferencia que existe entre la presión absoluta del fluido y la presión atmosférica, mide la presión por encima de la presión atmosférica.

PRESIÓN BAROMETRICA: también conocida como atmosférica, y varia en función de la ubicación geográfica.

PRESIÓN DE VACIO: es una presión manométrica negativa que se presenta cuando la presión atmosférica es mayor que la presión absoluta. Un ejemplo muy común es la succión en una jeringa.

FORMULARIO

Presión

Absoluta

Presión

manométrica

Presión

atmosférica

Presión

de vacío

Presión

atmosférica

Presión

absoluta

P = 0

.

.

absolutaabarométricvacío

abarométricamanométricabsoluta

PPP

PPP



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EJERCICIO 3-1

Completa lo siguiente:

La presión _________________ se con el barómetro y depende de la situación geográfica. La presión _________________ es considerada menor a la atmosférica. Corresponde a la suma de la presión manométrica más la presión atmosférica de la zona _______________________ Es una medida que depende del grado de compactación de los materiales.________________________ Es la fuerza aplicada por unidad de área._________________

Área. A

Fuerza. F

presión. P

donde

A

FP

altura. h

densidad.

presión. P

donde

ghP



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EJERCICIO 4.

Resuelva los siguientes ejercicios: 1. En una balanza de peso muerto se determinaron lograron pesar 750 kg, sabiendo que el

diámetro del pistón es de 1.2 m, determine la presión máxima ejercida por el émbolo del pistón de la balanza.

2. Considerando el problema anterior y sabiendo que la presión atmosférica de la zona donde se localiza la balanza es de 1.2 atmósferas, determine la presión absoluta del sistema y la presión de vacío que se puede generar.

3. Se construye un barómetro con un tubo de vidrio y mercurio a 25 °C, se realizan en

promedio 5 lecturas, siendo la altura promedio que alcanza el mercurio de 63.8 cm, la aceleración de la gravedad es de 9 m/s2. Determine la presión que hay en la zona, de acuerdo a los resultados obtenidos.

4. Completa la siguiente tabla:

°C °F K R

90

130

300

450

50

750



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TEMA 2. PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS TERMODINÁMICA: significa potencia térmica o potencia obtenida a partir del calor, debido a sus orígenes en el análisis de las máquinas de vapor. Actualmente, la termodinámica estudia cómo un tipo de energía puede transformase en otro. Se conoce como SISTEMA a la porción de espacio y de materia que se separa del universo para ser objeto de estudio teórico o experimental, mientras que los ALREDEDORES, son todo lo que rodea a un sistema. Así, un SISTEMA TERMODINÁMICO es un sistema que puede interactuar e intercambiar energía con su entorno, por lo menos de dos formas, una de las cuales es la transferencia de calor. Los sistemas pueden clasificarse en:

1. Sistemas abiertos: permiten la transferencia de materia y energía con el medio. 2. Sistemas cerrados: sólo permiten la transferencia de energía pero no de materia. 3. Sistemas aislados: no permiten la transferencia de materia y energía con el medio.

ESTADO DE EQUILIBRIO: en un sistema termodinámico, el equilibrio es aquél que se encuentra en condiciones tales que no presenta ninguna tendencia para que ocurra un cambio en su estado, por lo que:

“Un sistema está en equilibrio cuando todas las fuerzas que actúan en él están exactamente balanceadas”

TERMODINÁMICA DEL AGUA.

¿Sabías que para abrir las puertas de templos antigüos se utilizaba la vapor? al encender el fuego se calentaba el aire bajo el altar, que empujaba el agua del depósito esférico hacia el cubo cilíndrico, que caía por su peso haciendo girar las bisagras de las puertas del templo.



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Empezando con las máquinas térmicas del 150 a. C., la bomba de achique de Savery de 1690, hasta las centrales nucleares actuales y las centrales de fusión del futuro, la mayor parte de la energía eléctrica mundial se genera por turbinas de vapor de agua. También se usa el vapor de agua como reactivo químico en la industria metalúrgica y petroquímica. Podría decirse que los desarrollos más importantes han sido los de la Termodinámica del vapor.

Actualmente la termodinámica del agua puede servir, entre otras muchas cosas, para

comprender mejor el desarrollo sostenible de este planeta y así poder actuar consecuentemente. Por una parte, tal vez el futuro de la industria energética sea en base a la electroquímica del agua, en vez de los combustibles fósiles, los cuales son perecederos, tóxicos, cancerígenos y de efecto invernadero.

Por otra parte, vista desde el espacio exterior, la Tierra aparece como un círculo cubierto a

mitad de nubes blanquecinas (de agua), con la otra mitad de fondo de agua azulada, siendo difícil reconocer algún continente; es la interacción térmica del agua y la radiación lo que hace habitable este planeta.

El ciclo del agua o ciclo hidrológico, es mantenido por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad; éste ciclo comienza con la evaporación del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia.

Una parte del agua que llega a la tierra será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá

por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro poco del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua



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subterránea. Este proceso es la percolación. Más tarde o más temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación.

Al evaporarse, el agua deja atrás todos los elementos que la contaminan la hacen no apta para beber (sales minerales, químicos, desechos). Por eso el ciclo del agua nos entrega un elemento puro. Pero hay otro proceso que también purifica el agua, y es parte del ciclo: la transpiración de las plantas. Las raíces de las plantas absorben el agua, la cual se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, movilizando consigo a los elementos que necesita la planta para nutrirse. Al llegar a las hojas y flores, se evapora hacia el aire en forma de vapor de agua. Este fenómeno es la transpiración.

EJERCICIO 5.

Resuelve el siguiente ejercicio siguiendo las instrucciones:

1. De los sistemas que se mencionan a continuación, indica en el paréntesis de la derecha si el sistema es abierto (A), cerrado (C) ó Aislado (AD):

a. Un termo con su tapa cerrada y café caliente en su interior.

b. Un termo vaciando su contenido dentro de un vaso.



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c. El aire contenido dentro de un refrigerador, cuando el equipo esta conectado al suministro de energía eléctrica

d. Un tanque de gas antes de abrir la válvula

e. Una bomba que esta llevando agua de un tanque a otro.

2. EL CICLO DEL AGUA: En equipo

Material: Frasco de vidrio con tapa LIMPIO Y AMPLIO. Piedras pequeñas, arena y tierra. Una plantita con RAIZ. Recipiente pequeño (que quepa en el frasco junto con

la planta). Agua. Procedimiento: Poner en el interior del frasco una capa de piedras. Sobre ella, colocar una capa de arena y, finalmente,

una capa de tierra. Entierre cuidadosamente las plantas en un lado del

frasco. En el otro, coloque el recipiente con agua. Monitorea la evolución de tu ciclo durante dos

semanas, ve anotando tus observaciones de cada día y al finalizar las dos semanas anota tus conclusiones.



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TEMA 3. TRANSFORMACIONES REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

Un PROCESO REVERSIBLE, ocurre cuando su sentido puede invertirse en cada punto

mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas; mientras que un PROCESO IRREVERSIBLE, se presenta cuando su sentido NO puede invertirse en cada punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas, por lo tanto: Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de estados de

equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino.

Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible. En la realidad, las transformaciones reversibles NO existen.

EJERCICIO 6.

Un breve Repaso: PIENSA RÁPIDO: Formen equipos de 4 personas, lean nuevamente los aspectos teóricos desde el tema 1 con mucha atención, cierren su manual, y en la hoja que les proporcione su maestro por equipo. Escucha con mucha atención a tu profesor que describirá sólo una vez diversos conceptos y les dará 15 segundos para que escriban la respuesta correcta. Gana el equipo que tenga más respuestas correctas. EL PROFESOR PUEDE UTILIZAR ALGUNA OTRA DINÁMICA QUE SIRVA DE REPASO O REALIZAR DIVERSAS VARIANTES AL JUEGO.



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TEMA 4. SUSTANCIAS PURAS

Son aquellas que tienen una composición química homogénea e invariable. Puede

existir en más de una fase, pero su composición es la misma en todas ellas. Las propiedades que pueden presentar las sustancias puras son:

Propiedades físicas: que se pueden observar o medir sin cambiar la composición de la

muestra y estas a su vez se subdividen en Intensivas, Extensivas y Coligativas.

PROPIEDADES COLIGATIVAS

Las PROPIEDADES COLIGATIVAS, son propiedades físicas que dependen sólo de la

cantidad de partículas de soluto que están presentes en la solución y no de la naturaleza o tipo de soluto, y estas son:

1. Descenso en el punto de fusión o de congelación, ΔTf: que es la diferencia de

temperatura entre el punto de congelación de la solución y el punto de congelación de su disolvente puro. APLICACIÓN: El líquido refrigerante de los motores de los automóviles tiene una base de agua pura a presión atmosférica se congelaría a 0°C dentro de las tuberías y no resultaría útil en lugares fríos, por lo que se le agregan ciertas sustancias químicas que hacen descender su punto de congelación. Para soluciones no electrolíticas el valor de la disminución del punto de congelación es directamente proporcional a la molalidad (Cm) de la solución:

ΔTf = Kf • Cm Para soluciones NO electrolíticas

ΔTf = Kf • (n° de iones disociados)Cm Para soluciones electrolíticas

volumen.longitud, masa,

presente. sustancia de

cantidad la dedependen

Extensivas

sabor. color, densidad,

presente. sustancia de

cantidad la de ntesindependieson

Intensivas

físicas sPropiedade



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Donde: Cm = concentración molal ó molalidad de la solución. ΔTf = descenso del punto de congelación:

ΔTf = Tf – Tfsl’n

Siendo:

Tfsl’n es el punto de congelación de la solución. Tf es el punto de congelación del solvente puro. Kf = es una constante de congelación del solvente puro. PARA SOLUCIONES ELECTROLÍTICAS la Concentración molal total (CmTOTAL)

dependerá del número de iones disociados.

CONSTANTES MOLALES DE LA DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN

Disolvente Punto de congelación (°C) Kf (°C/Cm)

Agua 0.0 1.86

Benceno 5.5 5.12

Tetracloruro de Carbono -23 29.8

Etanol -114.1 1.99

Cloroformo -63.5 4.68

2. Aumento en el punto de ebullición, ΔTb: es la diferencia de temperatura entre el punto de

ebullición de una solución y el punto de ebullición de un disolvente puro. Por ejemplo, el agua pura a presión atmosférica hierve a 100°, pero si se disuelve algo en ella el punto de ebullición sube algunos grados centígrados.

ΔTb = Kb • Cm Para soluciones NO electrolíticas ΔTb = Kb • (n° de iones disociados)Cm Para soluciones electrolíticas

Donde: Cm = concentración molal ó molalidad de la solución. ΔTb = aumento del punto de ebullición:

ΔTb = Tbsl’n – Tb

Siendo:

Tbsl’n es el punto de ebullición de la solución. Tb es el punto de ebullición del solvente puro. Kb = es una constante de ebullición del solvente puro.

PARA SOLUCIONES ELECTROLÍTICAS la Concentración molal total (CmTOTAL) dependerá del número de iones disociados.



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CONSTANTES MOLALES DE ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

Disolvente Punto de Ebullición (°C) Kb (°C/Cm)

Agua 100.0 0.512

Benceno 80.1 2.53

Tetracloruro de Carbono 76.7 5.03

Etanol 78.5 1.22

Cloroformo 61.7 3.63

3. Reducción de la Presión de Vapor: al agregar un soluto no volátil a un disolvente, menos

partículas del disolvente pasan a un estado gaseoso. Por lo tanto la presión de vapor disminuye. Presión de Vapor: es la ejercida por el vapor sobre un líquido. En un recipiente cerrado a temperatura y presión constante, las partículas de disolvente alcanzan un estado de equilibrio dinámico, escapando y regresando al estado líquido con la misma rapidez.

Presión de vapor en mm de Hg

Temperatura (°C)

Ácido acético Agua Benceno Etanol

20 11,7 17,5 74,7 43,9

30 20,6 31,8 118,2 78,8

40 34,8 55,3 181,1 135,3

50 56,6 92,5 264,0 222,2

60 88,9 149,4 388,6 352,7

70 136,0 233,7 547,4 542,5

80 202,3 355,1 753,6 818,6

4. Presión Osmótica, π: es la presión adicional (necesaria para invertir la ósmosis) ocasionada por las moléculas de agua que se desplazan en una solución. La ósmosis es la tendencia que tienen los solventes a ir desde zonas de menor concentración hacia zonas de mayor concentración de partículas a través de membranas semipermeables.

Donde:



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EJERCICIO 7.

Resuelve los siguientes ejercicios. 1. Calcular el punto de ebullición y de fusión de una solución de 100 g de anticongelante

etilenglicol (C2H6O2) en 900 g de agua.

2. Se prepara una solución electrolítica con 3005 ml de agua y 60 g de carbonato de aluminio, determina el punto de ebullición, de fusión y la concentración total de la disolución.

3. ¿Qué cantidad de glucosa (MM = 180 g/mol) deberá disolverse en 1500 gramos de etanol para elevar su punto de ebullición en 1,3 °C?

4. ¿Qué cantidad de sal de mesa deberán disolverse en 950 ml de agua, para que el punto de

fusión disminuya en 10 °C?

5. Se disuelven 0,572 g de resorcina en 19,31 g de agua y la solución hierve a 100,14°C. Calcular la masa molecular de resorcina.

6. Si se disuelven 5,65 g de C16H34 en 100 g de benzol, se observa una elevación en el punto de

ebullición del benzol de 0,66 °C. En base a estos datos calcule Kb del benzol.

7. Se disuelven 40 g de sulfato de sodio, electrolito fuerte y no volátil, en 2 Kg de agua a 60°C. Determine la presión de vapor, el punto de ebullición y el punto de fusión de la solución resultante.

8. Consideremos una solución formada por 10 g de Benceno y 2 moles de Tolueno. El Benceno

presenta una presión de vapor de 75 mm Hg y el Tolueno una de 22 mm Hg a 20°C, (el benceno es el más volátil debido a que tiene una presión de vapor puro mayor que la del tolueno). Determine la presión vapor total de la disolución.

9. La presión de vapor sobre el agua pura a 120°C es 1480 mm Hg ¿Que fracción de etilenglicol

debe agregarse a 700 litros de agua, para reducir la presión de vapor de este solvente a 760 mm Hg?

10. Calcular la reducción en la presión de vapor causada por la adición de 100 g de sacarosa (MM

= 342 g/mol) a 1020 g de agua. La presión de vapor de agua pura a 25°C es 23,69 mm Hg.

11. Calcular el valor de la presión osmótica que corresponde a una solución que contiene 2 moles de soluto en un litro de solución a una temperatura de 17° C.



VERSIÓN: 2

FECHA: MAYO 2008

21

12. Qué masa de anilina habría que disolver en agua para tener 200 ml de una solución cuya presión osmótica, a 18 °C, es de 750 mm Hg; sabiendo que la masa molar de la anilina es 93,12 g/mol.

13. Calcular la masa molecular aproximada del pineno sabiendo que al disolver 2,8 g en

alcohol hasta un volumen de 500 ml se midió una presión osmótica de 1,2 atm a 20 °C.

14. Se midió la presión osmótica de una solución acuosa de cierta proteína a fin de determinar su masa molar. La solución contenía 3,50 mg de proteína disueltos en agua suficiente para formar 500 ml de solución. Se encontró que la presión osmótica de la solución a 25 °C es 1,54 mmHg. Calcular la masa molecular de la proteína.



VERSIÓN: 2

FECHA: MAYO 2008

22

TEMA 5. DIAGRAMAS DE FASES Y VARIABLES DE ESTADO

Los materiales se describen con cantidades físicas llamadas variables de estado:

El Volumen (V) de una sustancia normalmente está determinado por su presión (p),

temperatura (T) y cantidad de sustancia, masa (m) o número de moles (n). En general, no se puede cambiar una de estas variables sin alterar otra.

Se denomina DIAGRAMA DE FASE o diagrama de cambio de estado a la

representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia, generalmente en función de la presión y la temperatura. En un diagrama de fases se pueden hacer lecturas de diversos parámetros fisicoquímicos de las sustancias.

El Punto Crítico, Pc, indica el valor máximo (Pc, Tc) en el que pueden coexistir en

equilibrio dos fases. Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Fluidos con T y P mayores que Tc y Pc se denominan fluidos supercríticos.

Mientras que el Punto triple, Pt, indica los valores de P y T en los que coexisten tres

fases, sólido, líquido y gas. Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termómetros.

Existen diversos tipos de diagramas de fases, a continuación se muestran algunas

representaciones, desde las más simples hasta las más complejas:

Diagrama Presión - Volumen Diagrama Presión - Temperatura



VERSIÓN: 2

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23

Diagrama Presión - Volumen

Liquido comprimido y Liquido saturado: a 20 °C y 1 atm el agua existe bajo estas

condiciones en fase liquido y se denomina líquido comprimido o líquido sub-enfriado, lo que significa que no esta a punto de evaporarse. El calor se transfiere el agua hasta que su temperatura aumenta, el agua tendrá cierta expansión y por ello aumentara su volumen específico. Conforme se transfiera calor, la temperatura aumenta hasta que alcance 100 °C en este punto el agua sigue siendo líquido pero con cualquier adición de calor ocasionara que un poco de líquido se evapore. Un líquido que esta a punto de evaporarse recibe el nombre de líquido saturado.

Vapor saturado y vapor sobrecalentado: Una vez que empieza la ebullición, el aumento de temperatura se detendrá hasta que él líquido se evapore por completo. La temperatura constante durante todo el proceso de cambio fase, sí la presión constante. Cuando el recipiente se llena por completo con vapor que supera la frontera de la fase líquida, en este momento cualquier perdida de calor provocara que se condense un poco vapor (cambio de fase de Vapor a Liquido), un vapor a punto de condensarse recibe el nombre vapor saturado.



VERSIÓN: 2

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24

Vapor sobrecalentado: una sustancia en estados de líquido saturado y vapor saturado se conoce como mezcla saturada de Liquido – Vapor, (coexisten en equilibrio), esto quiere decir que esta a punto de condensarse, es decir no es Vapor Saturado, y se denomina vapor sobrecalentado.

Temperatura de saturación y presión de saturación: a una temperatura dada, la

temperatura a la cual una sustancia pura empieza a hervir se llama temperatura de saturación Tsat. Del mismo modo a una temperatura determinada la presión a la cual una sustancia pura empieza a hervir recibe el nombre de presión de saturación Psat.

EJERCICIO 8.

Un breve Repaso. LA GUERRA DE LAS PREGUNTAS Y RESPUESTAS: se divide el grupo en equipos, cada equipo prepara 10 – 15 preguntas sobre los temas vistos hasta ahora. Se escogen a los dos primeros participantes, con un volado se determinamos quien de los dos va a lanzar al contrincante su primera pregunta escogida al azar por sus compañeros de equipo, el contrincante tiene 10 segundos para responder, no le pueden ayudar sus compañeros, si contesta correctamente, puede el contraatacar con la primera pregunta que escogieron sus compañeros de equipo, sólo gana puntos quien conteste correctamente. Terminada la primera ronda siguen los siguientes dos contrincantes, hasta terminar con las preguntas. Gana el equipo que logre más puntos. EL PROFESOR PUEDE SUGERIR OTRA DINÁMICA.



VERSIÓN: 2

FECHA: MAYO 2008

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TEMA 6. GASES IDEALES Y LEY CERO DE LA

TERMODINÁMICA

GASES IDEALES.

Los gases ideales son gases hipotéticos, idealizados del comportamiento de los gases reales en condiciones corrientes. Así, los gases reales manifestarían un comportamiento muy parecido al ideal a altas temperaturas y bajas presiones. Debido a su estado idílico, también se les conoce como gases perfectos.

Los gases ideales se encuentran en un estado homogéneo, las partículas del gas

asumen volúmenes minúsculos, tomando la forma y el volumen del recipiente que lo contenga. Sus moléculas se encuentran muy separadas unas de otras, suponiendo que se suprimen las fuerzas y colisiones intermoleculares, por tanto el gas se puede comprimir o expandir con facilidad.

Empíricamente, se pueden observar una serie de relaciones entre la temperatura T, la

presión P y el volumen V de los gases ideales. La ley de los gases ideales se describe de acuerdo a la siguiente fórmula:

PV = nRT Donde: P = presión del gas. V = volumen que ocupa el gas. n = moles de gas en el recipiente. T = temperatura absoluta. R = constante de los gases ideales. Ley General de los Gases Ideales:

22

2

11

1

2

22

1

11

T

p

T

p

T

Vp

T

Vp



VERSIÓN: 2

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26

Las condiciones en las que se pueden considerar los gases son: estándares, normales y de operación:

CONDICIONES ESTANDARES

CONDICIONES NORMALES

CONDICIONES DE OPERACIÓN

P = 1 atm V = 22.4 L por cada mol T = 273 K

P = 1 atm V = 24.5 L por cada mol T = 298 K

Son las condiciones de operación en las que se

encuentra un gas o mezcla de gases.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA.

La Ley Cero de la Termodinámica, es conocida también como "equilibrio térmico":

“Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura,

y B está a la misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura”.

Este concepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta

después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición 0.

EJERCICIO 9.

Resuelva los ejercicios propuestos de la práctica 7.



VERSIÓN: 2

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TEMA 7. TRANSFORMACIONES TERMODINÁMICAS Transformación a presión constante, Isobárica: ocurre cuando una masa de un gas

se calienta manteniendo la presión constante.

Transformación a volumen constante, Isocórica: ocurre cuando una masa de un gas

se calienta, manteniendo constante el volumen. Transformación a temperatura constante, Isotérmica: ocurre cuando una masa de un

gas se comprime o expande, manteniendo constante la temperatura.

12

12

12

12

12

12

12

:)(ISOBÁRICA constantepresión ación Transforma

VVpW

TTCCnW

TTCCmW

UQW

TTnCU

TTmCU

TTnCQ

TTmCQ

vp

vp

v

v

p

p

1

2

1

2

1

211

ln

ln

log30.2

0

:a)(isotérmic constante ra temperatuación Transforma

P

PnRTWQ

V

VnRTWQ

V

VVPWQ

WQ

U

12

12

0

:)(ISOCÓRICA constanteVolumen ación Transforma

TTncQU

TTmcQU

W

QU

v

v



VERSIÓN: 2

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28

TEMA 8. ENERGIA

El CALOR es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, en virtud únicamente de

una diferencia de temperatura. Mientras que la TEMPERATURA, es una medición de la energía cinética de las partículas.

UNIDADES DE CALOR: Joules y calorías.

1 cal = 4.18 J

Así, la TRANSFERENCIA DE CALOR, es un proceso por el que se intercambia energía

en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción, estos tres procesos

pueden tener lugar simultáneamente, predominando uno de ellos. Por ejemplo: El calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por

conducción. El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran

medida por convección. La Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

CONDUCCION: Transferencia de energía de la fuente de energía a un cuerpo

solido. CONVECCION: Transferencia de energía de la fuente a un liquido o gas. RADIACION: transferencia de energía por medio de radiaciones a un sólido, liquido o

gas.



VERSIÓN: 2

FECHA: MAYO 2008

29

La CAPACIDAD CALORÍFICA (C. C.) de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC su temperatura e indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Puede interpretarse como una medida de inercia térmica.

Por ejemplo: para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una

cantidad de calor igual a una caloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K ó 1 cal/°C. Ahora bien, al valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como CALOR ESPECÍFICO, c. e.

t

QCC

..

m

CCec

....

temcQ

ó

tCCQ

AbsorbidoCalor

..

..



VERSIÓN: 2

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30

TEMA 9. TRABAJO ADIABÁTICO

Ocurre cuando se realiza trabajo mecánico sobre un sistema que está envuelto en paredes adiabáticas, es decir, sin que pueda emitir o adsorber calor durante el proceso. Sus características son:

Es el proceso de un sistema rodeado por una pared adiabática.

El trabajo suministrado puede ser potencial o disipativo.

El carácter adiabático determina el proceso.

El trabajo se mide externamente.

Sólo se considera el proceso de cesión de trabajo al sistema.

El proceso inverso dará lugar a otro principio de la termodinámica.



VERSIÓN: 2

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31

Transformación Adiabática: es aquella en la que no existe ninguna transferencia calorífica del sistema con el medio exterior.

EJERCICIO 9.

Resuelva los ejercicios propuestos de la práctica 8.

v

p

v

v

C

C

VTVT

VPVP

P

P

T

T

V

V

T

T

TTncU

TTmcU

VPVPW

P

PRTW

P

PVPW

UW

WU

WU

Q

1

22

1

11

2211

1

1

2

1

2

1

2

1

1

2

12

12

2211

1

21

1

211

1

11

11

0

0

:Adiabáticación Transforma

1

1



VERSIÓN: 2

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32

TEMA 10. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Como se ha explicado en temas anteriores, la termodinámica es la rama de la física que

estudia la transformación de la energía y en particular la transformación de la energía calorífica (calor) en otras formas de energía y viceversa.

Por ejemplo, el motor de un automóvil que a su vez genera calor en el motor y con lo

que produce trabajo al mover el carro. Así, la PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA dice que “la cantidad total de

energía es constante aunque adopte diferentes presentaciones; cuando desaparece una forma de energía surge simultáneamente con otra apariencia”.

Esto es que la energía es una propiedad termodinámica o “Principio de Equivalencia del

calor en trabajo mecánico”. Por lo que: “el calor puede ser transformado en trabajo mecánico o el trabajo mecánico

puede ser transformado en calor, existiendo una relación constante entre la cantidad de calorías suministradas y el trabajo producido y viceversa”.

Igualmente se vio que el calor específico (c. e.), es la energía requerida para elevar un

grado la temperatura de una masa unitaria de una sustancia, de ahí que se conocen diversos valores de calores específicos para las sustancias, determinados bajo condiciones de presión ó volumen constante, respectivamente cp y cv, siendo cp mayor que cv.

Así, cp (calor específico a presión constante): es la cantidad de calor que se necesita

suministrar a la unidad de masa del gas, para elevar su temperatura un grado, manteniendo la presión constante durante el proceso.

Mientras que cv (calor específico a volumen constante): representa a la cantidad de calor

que es necesario suministrar a la unidad de masa del gas, para elevar su temperatura en un grado, manteniendo el volumen constante durante el proceso.

....sistema del

interna energía

salrededore los de

interna energía

0salrededore los de

interna energía

sistema del

interna energía

pEcEU

WQ



VERSIÓN: 2

FECHA: MAYO 2008

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EJERCICIO 10.

DEBATE: ¿Cómo se relaciona el Primer Principio de la Termodinámica con los procesos ambientales?

DISCUTE Y ARGUMENTA SOBRE LA RELACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LOS

FENÓMENOS NATURALES. TEMAS SUGERIDOS:

1. Los rayos. 2. Las cataratas. 3. El cambio climático. 4. El calentamiento global y la era de Hielo.

Ciclo energético del ecosistema



VERSIÓN: 2

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TEMA 11. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Los procesos termodinámicos reales, tienen ciertas restricciones que describe la segunda ley de la termodinámica en los siguientes dos enunciados:

1. Ningún aparato puede operar en forma tal que su único efecto (en el sistema y los

alrededores), sea la conversión completa del calor absorbido por el sistema en trabajo.

2. Ningún proceso puede consistir únicamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro superior.

Analizando los enunciados de la segunda ley, se tienen las siguientes conclusiones:

1. El proceso no puede dejar sin cambio ni al sistema ni a los alrededores.

2. Suponiendo la expansión de un gas, este no aumenta su volumen indefinidamente, sino

que está limitado por los alrededores, por lo tanto la expansión cesa.

3. No existe una producción continua de trabajo.

4. Si el sistema regresa a su estado original, se necesita tomar energía en forma de trabajo de los alrededores para comprimir el gas hasta su presión inicial, y en un proceso isotérmico, se transfiere energía en forma de calor a los alrededores para mantener la temperatura constante.

5. El proceso inverso consume diferente cantidad de trabajo, por lo que no hay producción neta de trabajo.

De ahí que: el primer enunciado de la segunda ley se resume como:

“Es imposible, mediante un proceso cíclico convertir completamente el calor absorbido por el sistema en trabajo”.

Es muy importante hacer notar que la segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a

partir del calor, pero limita la fracción de calor que puede convertirse en trabajo en un proceso cíclico.

Por esto, la mayor parte de la energía proveniente de condiciones de alta temperatura es

convertible en trabajo y por ello su calidad es mayor a la misma cantidad de energía que proviene de condiciones de temperaturas más bajas.

La 2ª ley también es útil en la determinación de los límites teóricos en el funcionamiento

de sistemas aplicados a la Ingeniería tales como maquinas térmicas, refrigeradores y reacciones Químicas. Esto se ve ejemplificado en los enunciados siguientes:

“Es imposible crear un dispositivo opere cíclica mente

adsorbiendo calor de una fuente de alta temperatura y lo

transforma totalmente en trabajo.”

Kelvin -Plank propuso:



VERSIÓN: 2

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35

De ahí que muchos inventores han querido de alguna manera crear un dispositivo capaz

de romper las leyes de la termodinámica, creando lo que se conoce como la MÁQUINA DEL MOVIMIENTO PERPETUO, que es una máquina hipotética que sería capaz de crear energía de la nada, por lo que su existencia es totalmente imposible, según las leyes de la física, ya que violaría la primera y segunda leyes de la termodinámica.

MÁQUINAS DEL MOVIMIENTO PERPETUO

Se clasifican en dos tipos: móviles perpetuos de primera especie y móviles perpetuos de

segunda especie. Los MÓVILES PERPETUOS DE PRIMERA ESPECIE, violan la primera ley de la

termodinámica, que es la que afirma la conservación de la energía, ya que producen más energía de la que consumen, pudiendo funcionar eternamente una vez encendidos. Muchos de estos diseños utilizan imanes como fuente de energía libre, y asumen que no hay rozamiento. Así, aunque estos inventos no puedan funcionar eternamente, son a veces capaces de funcionar por sí mismos por largos períodos, siempre que no se les obligue a realizar ningún trabajo sobre su entorno.

Los MÓVILES PERPETUOS DE SEGUNDA ESPECIE, son aquellos que desarrollan un

trabajo de forma cíclica (indefinida) intercambiando calor sólo con una fuente térmica. También son llamados móviles de Planck, y es imposible de construir ya que viola la Segunda ley de la termodinámica.

EJERCICIO 11.

EXPOSICIÓN. En equipo (máximo 4 personas por equipo) elige una de las máquinas del movimiento perpetuo que se presentan a continuación (o bien puedes buscar otra), investiga acerca de ella y realiza una presentación de la misma, se creativo, inclusive puedes traer un modelo de la máquina, pueden hacer concurso sobre que equipo fue el más creativo para realizar su presentación. Duración de la presentación 10 minutos. Valor: 10 – 15 puntos de los 60 de prácticas. Evaluación: Contenido, Presentación, Material de exposición, Preparación, Trabajo en Equipo y

trabajo Escrito (2 – 5 Hojas).

“Es imposible crear un dispositivo que no tenga sitio finalidad de

la de transportar calor desde una zona de baja temperatura desde

una alta temperatura. Sin que recibe trabajo externo”.

Para las maquinas

Frigoríficas Clausius

estableció la sig



VERSIÓN: 2

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Experimentos llevarían a un movimiento perpetuo…

1. El demonio de Maxwell: se trata de violar la segunda ley, alseparar dos gases mezclados, introduciendo un hipotéticodemonio que fuera moviendo las moléculas de los gases hacia ellugar apropiado.

El demonio de Maxwell separa las moléculas de los gases A y B.

2. El trinquete de Brown de Richard Feynman: un "móvilperpetuo" que extrae trabajo a partir de fluctuacionestérmicas, aparentando funcionar eternamente, aunquerealmente sólo lo haga mientras el entorno esté más calienteque el trinquete.

3. Máquina de Prometeo: también conocida como máquina cero,máquina N, máquina del futuro ó máquina de caloratmosférico. Estructura combustible de Prometeo.

4. Frasco de auto llenado de Roberto Boyle

5. El relojero de Maguncia.

6. Móvil perpetuo de Villard de Honnecourt ó Rueda de Villard de Honnecourt. 1235

7. Cascada de Escher

8. Diseño de Orffyreus de 1715.

9. Robert Fludd. Uno de los molinos de Fludd.

10. Rueda diseñada por Leonardo da Vinci.



VERSIÓN: 2

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TEMA 12. MÁQUINAS TÉRMICAS y MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

MÁQUINAS TÉRMICAS:

La MÁQUINA TÉRMICA, es un mecanismo o máquina que produce trabajo a partir del

calor en un proceso cíclico, se caracterizan porque: Son máquinas de fluido compresible.

En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye,

obteniéndose energía mecánica.

En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina.

Los MOTORES TÉRMICOS, son máquinas que emplean la energía resultante de un

proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica.

Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo

generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Algunos ejemplos de máquinas térmicas se dan a continuación:

Motoras

Volumétricas

Alternativas (Máquina de vapor)

Rotativas (Motor rotativo de aire caliente)

Turbo máquinas Turbinas

Generadoras

Volumétricas

Alternativas (Compresor de émbolo)

Rotativas (Compresor rotativo)

Turbo máquinas Turbocompresores



VERSIÓN: 2

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El ciclo realizado en una máquina térmica consta de: De un proceso durante el cual se produce la absorción del calor de un foco externo

a temperatura elevada denominado foco caliente. De un proceso durante el cual el calor expulsado a un foco externo a temperatura

más baja denominado foco frío.

MÁQUINAS FRIGORÍFICAS

Las MÁQUINAS FRIGORÍFICAS son un tipo de máquina térmica, cuyo propósito es el

de mantener un recinto refrigerado mediante la transferencia de calor. La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorífico, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.

Debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos: Compresor: Es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega

en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.

Condensador: El condensador es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.

Válvula de expansión: El refrigerante líquido entra en la válvula de expansión

donde reduce su presión. Al reducirse su presión se reduce bruscamente su temperatura.

Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador,

que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde esta situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.

En conclusión, el evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar, el

compresor aumenta la presión del refrigerante para facilitar la condensación posterior y posibilitar la circulación del fluido. La válvula de expansión reduce la presión provocando el enfriamiento del refrigerante.



VERSIÓN: 2

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TEMA 13. ENTROPÍA “S”

La ENTROPÍA es la propiedad termodinámica de la materia que mide es grado de

desorden molecular. La magnitud de la entropía refleja el desorden del estado microscópico. Si no existiera dicho desorden, podría aprovecharse toda la energía molecular, esto es lo que hace imposible la conversión de toda la energía molecular en trabajo útil.

EJERCICIO 12.

LA ENTROPÍA, ¿UN TEMA DIFÍCIL DE ENTENDER? Discute con tus compañeros los siguientes enunciados:

La palabra entropía procede del griego y significa evolución o transformación.

Es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para

producir trabajo. Se interpreta como la medida de la uniformidad de la energía de un sistema.

El universo, tiende a distribuir la energía uniformemente, es decir, maximizar la entropía.

La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámica.

La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un

sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene una alta entropía.

Puesto que un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a

reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía.

La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio,

alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.

Considerando lo anterior, podemos ver el papel que juega la entropía en los procesos ambientales:

Si queremos entender mínimamente algo de cómo es este universo en el que estamos,

hemos de tener en mente ideas relativas a desorden, azar, organización...es decir, de entropía.

“La Segunda ley de la Termodinámica nos dice que la entropía, en cierto modo, el desorden del Universo debe aumentar, que todos los procesos que se den en él son irreversibles”.



VERSIÓN: 2

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“El Universo se va a ir diluyendo en una especie de caldo homogéneo y uniforme en el que las irregularidades, discontinuidades, agregados se van a ir diluyendo hasta llegar a un estado de máxima entropía, de máximo desorden”.

“Como la dirección del tiempo viene marcada por una evolución desde un estado de menor a otro de mayor entropía”.

¿qué pasa hasta llegado el momento de máxima entropía?

¿de qué forma a pesar de una tendencia de cualquier sistema aislado a evolucionar en

el sentido de máximo desorden, aparecen los seres vivos, se crean estructuras cada vez más organizadas, es decir, cada vez más ordenadas?

“Los seres vivos, sólo alcanzamos el equilibrio cuando morimos”.

“Los procesos que conforman lo que denominamos vida, son procesos fuera del

equilibrio. ¡Estamos vivos porque no estamos en equilibrio!”.

Los sistemas intercambian materia y energía con sus alrededores y en los que en las relaciones que gobiernan su comportamiento, una pequeña variación en las causas no producen pequeñas variaciones en los efectos, sino variaciones impredecibles e incluso de gran amplitud.

En estos sistemas pueden aparecer puntos de crisis, en los que el sistema deja el

estado constante y evoluciona hacia otro estado distinto que puede presentar una apariencia más "organizada" que el estado de partida.

Durante el proceso se ha abandonado la "producción mínima de entropía", la producción

global de ella ha aumentado, pero lo que se observa es un comportamiento ordenado. Así, ¡el sistema evoluciona espontáneamente!



VERSIÓN: 2

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Ya no se puede asociar la direccionalidad del tiempo con el aumento del desorden, puesto que procesos espontáneos generan estados cada vez más organizados (por ejemplo, el crecimiento de un ser vivo).

Jorge Luis Borges dijo:

"Cuando oigo decir que frente al problema de la naturaleza del tiempo se han hecho muchos avances en estos últimos cien años, no puedo dejar de pensar que esta respuesta es tan absurda como si respondiésemos que frente al problema de la

naturaleza del espacio, se dijese que se han hecho muchos avances en estos últimos cien metros".



VERSIÓN: 2

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TEMA 14. CICLOS TERMODINÁMICOS

Un CICLO TERMODINÁMICO, es un proceso que tiene lugar en dispositivos destinados

a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura, y de manera inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportación de trabajo.

CICLO DE CARNOT

El CICLO DE CARNOT, es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de

temperatura, en el cual el rendimiento es máximo. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior.

Esquema de una máquina de Carnot Diagrama PV del ciclo de Carnot

La máquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede calor a la fría T2

produciendo trabajo, y su rendimiento está dado por:

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas, dadas por dos procesos isotermos y dos

procesos adiabáticos:



VERSIÓN: 2

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1. Expansión isotérmica: Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, y no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo. La entropía aumenta en este proceso de acuerdo a lo siguiente:

2. Expansión adiabática: A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no

hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que:

3. Compresión isotérmica: Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema, en este caso se tiene que:

4. Compresión adiabática: Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema, aquí:



VERSIÓN: 2

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44

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y la entropía

CICLO DE OTTO

El CICLO DE OTTO, es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de

combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos:

1-2: Compresión adiabática. 2-3: Ignición: aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente

antes de comenzar el tiempo útil.

3-4: Expansión adiabática o parte del ciclo que entrega trabajo. 4-1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante.

Ciclo Otto en función de la presión y el volumen.



VERSIÓN: 2

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Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este, junto con el motor diesel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos.

MOTOR DE DOS TIEMPOS

El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene un

rendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son más contaminantes. Por otro lado, suelen dar más potencia que uno de cuatro tiempos para el mismo número de cilindros, ya que este hace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión por cada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles.

Éste tipo de motores se utilizan mayoritariamente en motores de poco cilindraje,

(motocicletas, cortacésped, moto sierras, etc.), ya que es más barato y sencillo de construir.

1. Admisión - Compresión: Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferencia de presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuando el pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido el pistón la comprime.

2. Expansión - Escape de Gases: Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezcla está comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistón se desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

MOTOR DE CUATRO TIEMPOS

1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisión

permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire hacia dentro del cilindro.

2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.



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4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo.

Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación.

Una de las formas llegar a una sobre alimentación bien "equilibrada" (ya que la mezcla de nafta y aire tiene que ser justa para una buena combustión) es poniendo un filtro de aire de admisión directa que hace que no haya excedentes de nafta en la cámara de compresión ya que los filtros convencionales frenan mucho el aire.

EJERCICIO 13.

CONTESTA LO SIGUIENTE:

1. ¿Cuáles son los pasos que integran el ciclo Otto? 2. ¿Cuál es diferencia entre los motores de gasolina de inyección de combustible y los motores

diesel?

3. ¿Por qué son más contaminantes los motores de dos tiempos que los de cuatro tiempos? 4. ¿Cómo difiere un ciclo Diesel de un ciclo Otto?

5. Los motores diesel o de gasolina operan a relaciones de compresión más altas ¿Por qué?

Mezcla

Aire - combustible

Tiempo de Compresión Tiempo de Potencia Tiempo de

escape

Carrera de

admisión

Gases

de Escape



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BIBILIOGRAFIA

1. Cengel A. Yunus y Boles a. Michel “Termodinámica” 2a Ed. Tomo I y II. Mc Graw Hill ,USA 1994

2. José A. Manrique y Rafael S. Cárdenas. “Termodinámica” 1a. edición 1981 Editorial Harla.

3. Smith - Van Ness “Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química” 4a edición. Mc Graw Hill.

1989 México.

4. Irving Granet “Termodinámica” 3a. edición. Prentice Hall Hispanoamérica 1988. México

5. Michael M. Abbott y Henrdrick C. Vanness. “Termodinámica” 2a. edición. Mc Graw Hill. México.

6. Faires Moring Virgil, “Termodinámica” UTEHA 1980. 2a. edición, México.

7. Kadambi y Manohar Prasad. “Conversión de energía” vol. 1 De. Limusa.1985.

8. Himmelblau M. David, “Balance de Materia y energía” 4a. edición. Prentice Hall Hispanoamérica 1988. México

9. Contreras M. G. “Química del petróleo E. S. I. Q. I. E. IPN 1963.



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GLOSARIO

Altura Lo “alto” o “bajo” de un tono, como en una escala musical, lo cual es regido por

frecuencia. Una fuente vibrante de alta frecuencia produce un sonido alto; una de baja frecuencia produce un sonido alto; una de baja frecuencia produce un sonido bajo

Boyle, ley de: El producto de la presión y el volumen es una constante, para una masa dada de gas confinado, sin importar que se cambie la presión o el volumen por separado, en tanto no se cambie la temperatura: P1 V 1 = P2 V2

Barómetro: Cualquier aparato que mide la presión atmosférica

Calor: Es la cantidad de energía que fluye a través de las fronteras de un sistema a través del cambio de estado.

Calor de un Cuerpo: Significa contenido de energía térmica de un cuerpo.

Calor Especifico: De una sustancia es la cantidad de calor que se aplica a un gramo de la misma sustancia para que aumente un grado centígrado su temperatura.

Calor Especifico (Cp):

Cantidad de calor que es necesario sumar a la unidad de masa del gas para elevarse temperatura 1º, efectuandose este proceso a presión.

Calor Especifico (Cv): Cantidad de calor que es necesario suministrar a la unidad de masa del gas para elevar su temperatura 1º, efectuándose este proceso a volumen constante (Cv).

Centro de gravedad: Es el punto imaginario donde se considera que ésta concentrado todo su peso.

Condensación: Cambio de gas a líquido, al enfriar el vapor.

Cuerpo: Es un pedazo de materia que tiene un tamaño y una forma determinados.

Cero Absoluto: Temperatura más baja posible que puede tener una sustancia ; temperatura a la cual las moléculas de una sustancia tienen su energía cinética mínima .El cero absoluto es 0 K ,

Densidad: Es la cantidad de materia por unidad de volumen.

Dilatación: Es el aumento de tamaño de un cuerpo cuando se le aplica calor Equilibrio: Diversas características que describen la condición en que se encuentran una masa

dada de una sustancia.

Energía : Es la capacidad que tiene la materia para efectuar un cambio.

Energía Térmica: Todas las sustancias están formadas por moléculas las cuales están en constante movimiento (rotación, translación, vibratorios).

Energía Mecánica Es la suma de las energías cinética y potencial

Energía Potencial: Es la que presenta un cuerpo en virtud de su posición relativa, que ocupa en el espacio. Energía Sensible: A temperaturas elevadas, las moléculas poseerán energía cinética mayores y tendrán



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una energía interna más alta (fuerzas intermoleculares).

Energía Eléctrica: Consiste en un flujo de electrones.

Energía Química Es la energía almacenada en los enlaces de los átomos en las moléculas.

Energía Nuclear: Es la energía que se libera del núcleo de un átomo durante una

Entropía: Medida del desorden de un sistema. Siempre que la energía se transforma libremente de una forma a otra, la dirección de la transformación es hacia un estado de mayor desorden y, por tanto, de mayor entropía.

Escala Celsius: Escala centígrada de temperatura en la que se asigna el valor de 00

al punto de congelación del agua, y de 100

0 C al de ebullición de ésta.

fase: Cualquier parte de un sistema que tiene propiedades y composición uniforme.

Frontera: Es la superficie que interacciona con el sistema y el medio o alrededores.

Fuerzas de atracción: Se manifiesta entre las moléculas de dos cuerpos diferentes que se encuentren en

contacto.

Fuerzas de Cohesión Se mantiene unidas las moléculas de un mismo cuerpo.

Fuerza: Modifica un movimiento, deformar o presionar un cuerpo.

Fluido: Sustancias capaces de escurrir o fluir.

Gaseoso: Si las fuerzas intermoleculares son casi nulas y sus moléculas se alejan unas a otras.

Gravitación: Véase Ley de la gravitación universal.

Inversión Térmica: Condición en la cual las regiones superiores de la atmósfera están más calientes que las inferiores.

Ley de gravitación Universal

Cada uno de los cuerpos de los más cuerpos con una fuerza que, para los dos cuerpos, es proporcional al cuadrado de la distancia que los separa: F = mn

´ / d

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Líquido: Estado de materia que posee un volumen definido, con el mismo significado que se le aplica a un sólido, pero no tiene forma definida, sino que toma la del recipiente que lo contiene.

Materia: Es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio.

Magnetismo Para separar un mineral con propiedades magnéticas de otro que no lo sea, por ejemplo: Hierro, Cobalto y Níquel utilizando con un Electroimán.

Masa Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.



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Mezcla: Unión de dos o más elementos o compuestos unidos en proporciones fijas o variables.

Medir Es comparar una magnitud con otra de la misma clase que se ha aceptado como unidad.

Movimiento Es el cambio de lugar de un cuerpo

Movimiento vibratorio: Es el movimiento oscilatorio realizado por un cuerpo elástico

Molécula: Unidad más pequeña de una sustancia en particular. los átomos se combinan para formar moléculas

Peso: Consiste en la fuerza gravitacional que ejerce un cuerpo.

Presión: Es la fuerza sobre una unidad de volumen.

Presión Absoluta: Es un punto de la presión total que existe en dicho punto, es la suma de la manométrica y barométrica.

Presión Atmosférica: Presión ejercida contra los cuerpos en la atmósfera, como resultado del peso y movimiento de las moléculas de los gases atmosféricos. Al nivel del mar, la presión atmosférica es de casi 10

5 Newton por metro cuadrado.

Presión manométrica: Presión relativa respecto a la presión Atmosférico

Propiedades: Se entiende cualquier característica observable del sistema como: es la presión, volumen, temperatura, etc.

Proceso: Existe una variación o modificación debido al cambio de una de las propiedades que los constituyen.

Punto Critico: Es cuando se habla de la presión critica y temperatura

Punto de Ebullición:

Es la temperatura a la cual un líquido hierve.

Punto triple: Las líneas que aparecen en un diagrama de fases y que lo dividen en las regiones Sólido, liquido y Vapor, que corresponden los valores de Presión y Temperatura a los cuales podemos encontrar la sustancia simultáneamente en dos estados.

Sustancia de Trabajo: Es la sustancia que fluye a través de los equipos que integran a las maquinas

Sistema: Porción de espacio y de materia que se separa del universo con propósitos de estudio teórico o experimental medio o alrededores.

Sistema Heterogéneo: Son aquellos en los cuales su composición y propiedades específicas son diferentes en cualquiera de sus partes.



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Sistema Homogéneo: Son aquellos en los cuales su composición y propiedades específicas son iguales en cualquier punto de solución.

Solidificación: Cambio de Líquido a sólido al enfriar dicho líquido.

Sólido: Estado de la materia caracterizado por volumen y forma definidos

Trabajo: Cuando una fuerza se desplaza un cuerpo sobre el cual actúa.

Trayectoria: Es la línea que describe el cuerpo en su movimiento.

Temperatura: Se define como la propiedad termodinámica que gobierna el flujo de calor.

Temperatura Critica: Es la temperatura arriba de la cual no puede lograrse por el solo efecto de la compresión convertir un gas en líquido.

Termodinámica: Es la rama de la física que estudia la transformación de la energía y en particular la transformación de la energía calorífica (CALOR) en otras formas de energía y viceversa.

Termómetros: Es para la temperatura que se considera una cantidad física para medir, a fin que se tenga un concepto cuantitativo.

Volumen: Es el espacio que ocupa la materia

Viscosidad: Se define como la resistencia que representa un fluido al fluir.

Velocidad : Especificación de la rapidez con que se mueve un cuerpo y la dirección de su movimiento, es una cantidad vectorial.

Vibración forzada: Establecimiento de vibraciones en un cuerpo por medio de una fuerza vibrante.

GUÍA DEL PROFESOR Y ALUMNO PROCESOS TERMODINÁMICOS UTJ

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