PROCESOS TERMODINÁMICOS Y BALANCE DE MATERIA

•Yoselin Mazondo López•María Roberto Soto Tapia•Rocio Ruiz Sánchez•Erik Wilfredo Martínez Calderón

Estado Gaseoso y Propiedades de los Gases Ideales

Los átomos son del mismo tamaño, estructura y forma, se encuentran separadas por grandes espacios; se encuentran unidas por puentes de hidrógeno o enlaces iónicos.

Son elásticos y con movimiento dinámico (se mueven por todo el recipiente que los contiene).

Estado Gaseoso y Propiedades de los Gases Ideales

Los choques que se suscitan son elásticos y expandibles.

Carecen de masa representativa o volumen propio (deben contenerse en recipientes cerrados)

Ley General del Estado Gaseoso Ideal

Relación entre variables de estado:Presión, Volumen, Temperatura y Masa:

PV = nRT• La presión es inversamente

proporcional al volumen pero directamente proporcional a la temperatura y a la cantidad de gas.

Si la Temperatura aumenta, el volumen aumenta, si se mantiene la presión constante

La Temperatura aumenta, la presión también, si se mantiene el volumen constante

PV=nRT Cuando la llanta gira hay

un calentamiento debido a la fricción entre esta y el pavimento, lo que genera un aumento de temperatura, y como el volumen es constante, el aumento de temperatura provoca un aumento en la presión en la llanta.

Ley de Charles y Gay Lussac:

El volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (a presión y cantidad de materia constantes)Proceso Isobárico

P= cte=>P1=P2

V1/V2=T1/T2; V a T; V/T=cte

n1=n21 2

V

P

Ley de Boyle y Mariotte

El volumen de un gas es inversamente proporcional

a la presión que soporta (a temperatura y cantidad

de materia constantes). Cuando la presión aumenta

el volumen disminuye y viceversa.

Proceso Isotérmico

T=cte=>T1=T2P1V1 = P2V2; V a 1/P; PV=cte; n1=n2

Ley de Avogadro y Amagat

Si el volumen se mantiene constante, la

temperatura y la presión son directamente

proporcionales.

Si aumenta la temperatura aumenta la presión

Proceso Isométrico o Isocórico

V=cte=>V1=V2P2/P2 = T1/T2; T a P; P/T=cte

Sistemas de UnidadesConstante General del Estado Gaseoso

R = 0.082 atm L/mol KPresión1 atm = 760 mmHg = 1.033 kg/cm2 = 14.7 lb/in2 = 0.988 bar = 14.7 psia

Volumen1 L = 1 dm3 = 1000 cm3 = 1000 ml = 0.001 m3 1 ft3 = 28.32 L1 Gal = 3.8 L1 ml = 1 cm3

Masa1 lb = 454 g = 0.454 kg1 kg = 1000 g = 0.001 ton

TemperaturaK = °C + 273 = ((°F-32)/1.8) + 273°F =1.8 °C + 32

Metodología para resolver problemas relacionados con las leyes de los gases ideales

1. Leer el problema2. Analizar el problema3. Elaborar el diagrama de variables y

diagrama de procesos4. Realizar todas las conversiones5. Hacer las sustituciones numérica y

dimensional en las ecuaciones generadas

6. Elaborar el diagrama P vs V real7. Resolver las preguntas del problema

Aplicación de la metodología

Supóngase que 4.50 lb de oxígeno a una temperatura de 284 °F y 973 mmHg de presión se someten a una serie de procesos consecutivos:1. Disminución de volumen a presión constante hasta un volumen de 17.65 ft3.2. Enfriamiento en donde P/T = cte hasta 0.5 bar.3. Proceso en el que la P a 1/V hasta el volumen incial. Con la información anterior determine:a) La cantidad en mol de oxígeno en el sistema.b) La descripción y las características de los proceos

involucrados.c) Todas las variables de estado.d) Elabore el diagrama P vs. V real.

n=m/PM = 2034 g/32 g/mol = 63,84 mol

V1= ((63,84 mol)(0,082 atm L/mol K)(413 K))/1.28 atm =1689 L

T2=((599L)(413K))/1689 L = 122,3 K

Aplicación de la metodología

Supóngase que 4.50 lb de oxígeno a una temperatura de 284 °F y 973 mmHg de presión se someten a una serie de procesos consecutivos:

1. Disminución de volumen a presión constante hasta un volumen de 17.65 ft3.

2. Enfriamiento en donde P/T = cte hasta 0.5 bar.

3. Proceso en el que la P a 1/V hasta el volumen inicial.

Con la información anterior determine:a) La cantidad en mol de oxígeno en el sistema.b) La descripción y las características de los procesos

involucrados.c) Todas las variables de estado.d) Elabore el diagrama P vs. V real.

COMPONENTES DEL SISTEMA

Ecuación de estado Grados de libertad Vecindad o alrededores del sistema sistema en estudio Pared aislante Pared adiabática

Representación de paredes adiabáticas:

A) Adiabática. B) Diatérmica.

Sistema 1

Sistema 2Sistema 2

Sistema 1Sistema 1

Sistema 2

Sistemas termodinámicos

Abiertos Cerrados Aislado Homogéneo Heterogéneo Sistema reversible Sistema irreversible

Primera ley de la termodinámica o principio de equivalencia del calor en trabajo mecánico

La ley relaciona la energía interna, el trabajo y el calor; establece que si sobre un sistema con determinada energía interna se realiza un trabajo o se transfiere calor durante un proceso, la energía interna del sistema varia.

La diferencia entre la energía interna del sistema y la cantidad de trabajo es el calor que es la energía transferida del sistema a un potencial térmico.

Ecuación general de la conservación de la energía

E entra - E sale = E f, sistema - E i, sistema

Convención de signos para el trabajo y el calor según entrada y salida en un sistema termodinámico

Salida Entrada

Calor - +Trabajo + -

Calor y capacidad calorífica a presión o volumen constante.

El calor es considerado como un potencial térmico ocasionado por la energía.

dQ = nCxdT CX= Capacidad calorífica del sistema = Cantidad

de calor absorbente del sistema por cada grado de incremento en la temperatura

Qp = nCp dT y Qv= nCvdT

Diferencias entre calor y temperatura

CALOR TEMPERATURA

ES una forma de energía Medida de energía cinética

Depende se la cantidad de materia presente

No depende de la materia presente

La cantidad de calor se puede medir con un calorímetro

SE mide con un termómetro, termopar o pirómetro

Puede transformarse en otra forma de energía

No es transformable

Se mide en calorías o joule Se mide en grados Celsius, Fahrenheit, kelvin o Rankin

Tipos de calor en un sistema

Calor sensible

Calor latente

Entalpia o calor a presión constante

Es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor durante una transformación a presión constante en un sistema termodinámico

Variables del ciclo termodinámico Proceso efectuado Variable

termodinámica característica

Propiedades del proceso

Expansión isobárica P = cte V2>V1´P1=P2´ calentamiento

Expansión isotérmica T = cte V3>V2´P1<P3´ disminución de presión

Enfriamiento isocórico o isométrico

V = cte PV=Energía P1V2<P1V3´P4<P3

Comprensión isobárica

P = cte V1<V3´Enfriamiento

Compresión adiabática

Q = O T1<T5

Tipos de procesos

Procesos isotérmicos: la temperatura no cambia.

Procesos isobáricos: la presión no varía.

Procesos isócoros: volumen permanece constante.

Procesos adiabáticos: sin transferencia de calor alguna.

Procesos diatérmicos: pasa el calor fácilmente.

Ciclos termodinámicos

Un ciclo termodinámico se define como la serie de procesos consecutivos que retornan al equilibrio inicial o a las condiciones de las que originalmente se partió

CICLOS TERMODINÁMICOS

C. de Otto

C. de Rankine

C. de Brayton o

Joule

C. de Atkinson

C. Stirling

El ciclo de Otto es un ciclo termodinámico ideal que se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. Éste ciclo consta de cuatro procesos:

Ciclo de Otto

PROCESO ADIABÁTICO: Es aquel en el que no hay intercambio de energía térmica ∆Q entre un sistema y sus alrededores [TIPPENS:2001]

Ciclo de Otto

Hay cuatro procesos en el desarrollo de éste ciclo. Su principal aplicación se observa en plantas termoeléctricas.

Ciclo de Rankine

Éstos procesos son:

A-b. Expansión isoentrópicaB-c. Calentamiento isobáricoC-d. Compresión isoentrópicaD-a. Enfriamiento isobárico

A-b. Expansión isoentrópicaB-c. Calentamiento isobáricoC-d. Compresión isoentrópicaD-a. Enfriamiento isobárico

Ciclo de Rankine

Diagrama del ciclo de Rankine

Éstos procesos son:

1-2. Expansión isoentrópica2-3. Calentamiento isobárico3-4. Compresión isoentrópica4,5,6-1. Enfriamiento

isobárico

Se denomina así a un ciclo termodinámico de compresión, calentamiento y expansión de un fluido compresible, generalmente aire, que se usa para producir trabajo neto y su posterior aprovechamiento como energía mecánica o eléctrica.

Ciclo de Brayton o Joule

Ciclo de Atkinson

Pionero de los motores híbridos

Éstos procesos son:

1-2: Compresión isotérmica2-3: Calentamiento isométrico o isocórico 3-4: Expansión isobárica4-5: Expansión adiabática5-6: Enfriamiento isométrico o isocórico

•6-1: Compresión isobárica

Éste ciclo es un ciclo termodinámico del motor “Stirling” el cual busca obtener el máximo rendimiento. Por ésta razón , es semejante al ciclo de “CARNOT”. Ésta máquina esta constituida por dos DIABÁTICAS REVERSIBLES Y DOS ISOCÓRICAS.

El ciclo de Stirling ideal consiste en cuatro procesos termodinámicos que actúan sobre el fluido de trabajo:

Ciclo de Stirling

1-2: Compresión Isotérmica2-3: Calentamiento isocórico. Qr.3-4: Expansión Isotérmica .4-1: Enfriamiento Isocórico.Qr.

Procesos reversibles para gases ideales, sistemas cerrados con valores de Cv Y Cp medios

Isotérmico Isobárico Isométrico Adiabático

Relación

P,V,T

Boyle

T1=T2

P1V2

Charles

P1=P2

V1/T1=V2/T2

Gay-Lussac

V1=V2

P1/T1=P2/T2

P1V1ɤ=P2V2

λ

T2/T

1= (V1/V2) ɤ-

1

= (P2/P1) ɤ-1/

ɤ

T4/T3

= (P4/P3)R/Cp

= (V4/V3)R/Cv

Trabajo W=nRT In P2/P1

=nRT In V2/V1

Wirrev-Pop(V2-V1)

Wrev=∆H-∆E

W=0 WIRRE

=P(V2-V1)Wrev

=-∆E

Cambio de energía interna

∆E=0 ∆E=nCv∆T ∆E=nCv∆T ∆E=nCv ∆T

Isotérmico Isobárico Isométrico Adiabático

Cambio de entalpia

∆H=0 ∆H=nCp∆T ∆H=nCp∆T ∆H=nCp∆T

Calor Q = nRT In V2/V1

= nRT In P1/P2

Qp=∆H Qv=∆E Q=0

Metodología para resolver problemas de termofísica

Aqui lo importantes es que el calor que cede el sistema lo absorbe el entorno y viceversa.

El agua que sirve como principal regulador de la temperatura de los sistemas al ponerse en contacto indirecto con los reactivos, productos o sustancias involucradas en el proceso mediante una pared diatermica; esta agua pasa atravez de tuberias que rodean los tanques o reactores.

Estos dispositivos son los equipos de transferencia de calor que pueden ser de calentamiento o enfriamiento.

Autos hibrídos

Auto eléctrico hibrído: es un vehiculo en el cual la energía electríca que lo impulsa proviene de baterias y alternativamente de un motor de combustion interna que mueve un generador.

El motor térmico es la fuente de energía que se utiliza como ultima opcion y se dispone de un sistema electrico para determinar que motor usar y cuando hacerlo.

Desempeño de los autos hibridos

La clave del hibrido es que el motor de combustible puede ser mucho más pequeño que el de un auto convencional por lo tanto más eficiente.

En el motor pequeño la eficiencia puede ser mejorada utilizando partes más pequeñas y livianas, reduciendo el numero de cilindros y operando el motor cerca de su max potencia.

Razones por las cuales los motores pequeño son más eficientes que los grandes.

Los motores grandes son más pesados que los pequeños, necesitando energia adicional al acelerar o en una subida.

Pistones y componentes internos son más pesados, requiriendo más energia cada vez que se mueven en el motor.

El desplazamiento de los cilindros es más largo, se requiere más combustible para moverlos.