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Apuntes primer parcial Ingeniería térmica Aplicada de la UCA. (ITI Mecánica)S/ clases F. Sanchez de la Flor

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INGENIERIA TRMICA (Los Apuntes)

Asignatura: Ingeniera Trmica 20:26 3/05/02Apuntes 1er parcial 48

INGENIERIA TRMICA (Los Apuntes)

Tema 1

1.-DEFINICIONES TERMODINMICAS:

Termodinmica: Ciencia que estudia las transformaciones y transferencias de energa.

El estudio puede hacerse a nivel microscpico (Transferencias de energas entre tomos y molculas) y a nivel macroscpico (Transformaciones de energas entre cuerpos) Este ltimo punto de vista es el que adoptaremos en nuestro estudio

Sistema Termodinmico: En termodinmica se utiliza el trmino sistema para identificar el objeto de nuestro anlisis. La forma o volumen del sistema analizado no es necesariamente constante, como sucede con un cilindro que contiene gas y es comprimido por un pistn o con un globo cuando se hincha.

Tipos de sistemas termodinmicos: Distinguiremos entre dos tipos sistemas:

Sistema cerrado: Consiste en una cantidad fija de materia, es decir contiene siempre la misma materia aunque puede haber transferencia de energa entre el sistema y su entorno. Una particularidad de este sistema seria el llamado sistema aislado donde adems de no intercambiar materia tampoco lo hace la energa (de ah su nombre).

Sistema abierto (volumen de control): Regin del espacio a travs de la cual puede fluir masa (y/o energa)

Otra posible distincin puede ser:

Sistema homogneo: Compuesto por una sola sustancia o componente.

Sistema heterogneo: Compuesto por ms de una sustancia o componente.

Nota: Un sistema ser homogneo aunque su componente o sustancia este presente en ms de una fase. Evidentemente ser un sistema homogneo pero sin equilibrio trmico.

Propiedades termodinmicas fundamentales: Para describir un sistema y predecir su comportamiento necesitamos conocer un conjunto de propiedades y como se relacionan entre s.

Propiedades: Las propiedades son caractersticas macroscpicas de un sistema tales como la masa, volumen, energa, temperatura.a las que puede asignarse valores numricos sin un conocimiento previo de la historia del sistema (Variables de estado), es decir sin saber como ha llegado el sistema ha ese estado.

En termodinmica trabajaremos tambin con magnitudes que no son propiedades ( Flujo msico, calor, etc.)

Distinguiremos las propiedades de las que no son porque: Una magnitud es una propiedad si, y solo si, su cambio de valor entre dos estados es independiente del proceso.

Estado: La palabra estado expresa la condicin definida por el conjunto de sus propiedades. Puesto que normalmente existen relaciones entre dichas propiedades, el estado puede definirse normalmente con un subconjunto de dichas propiedades. Todas las dems propiedades podrn determinarse a partir de este subconjunto.

Cuando un sistema muestra los mismos valores de sus propiedades en dos instantes diferentes se dice que el sistema se encuentra en estado estacionario.

Proceso: Es una transformacin de un estado a otro. El cambio de estado o proceso puede ser no esttico o cuasiesttico.

Proceso no esttico: Cuando al pasar del estado 1 al estado 2 los estados intermedios no han sido estados de Equilibrio.

Proceso cuasiesttico: Cuando al pasar del estado 1 al estado 2, los estados intermedios han sido procesos de equilibrio.

Nota: Para definir un sistema termodinmico hemos dicho que debe conocerse un subconjunto de sus propiedades o variables de estado, ahora bien para conocer dichas variables es preciso que el sistema se encuentre en el equilibrio Trmico. Luego cualquier representacin grfica de diagramas p-v, T-p...,solo son posibles para procesos de cuasiequilbrio o cuasiestticos, que como ya se ha dicho son aquellos procesos suficientemente lentos para poder considerar una sucesin de estados de equilibrio.

Nota: Por qu distinguimos entre proceso no esttico y cuasiesttico en lugar de proceso no esttico y esttico? La razn es obvia, no existen los procesos estticos, nosotros nos conformaremos con que sean casi-estticos (cuasiestticos)

Tambin podemos distinguir entre:

Proceso reversible: Cuando al producirse un proceso de un estado 1 a un estado 2 se pueda volver de nuevo al estado 1 quedando as tanto el sistema como el entorno de este en la situacin original.

Proceso irreversible: Cuando no se puede volver al estado 1 o cuando se puede volver pero el entorno queda cambiado.

Un tipo particular de proceso es el llamado proceso estacionario. Un proceso es estacionario cuando sus variables de estado (propiedades termodinmicas) no dependen del tiempo. En un sistema cerrado esto implica que la accin exterior que produce el proceso (Q o W) es independiente del tiempo y en un sistema abierto debe entonces cumplirse:

Propiedades extensivas, intensivas, especficas y molares :

Las propiedades extensivas son aquellas que dependen de la masa, su valor para un sistema es igual a la suma de los valores correspondientes a las partes en que se subdivida el sistema. Por ejemplo la masa, la energa

Las propiedades intensivas por el contrario no pueden expresarse como la suma de los valores en los que se divida el sistema, en otras palabras no dependen de la masa.

Las propiedades especficas se obtienen al dividir las propiedades extensivas por la masa. (volumen especfico cm3/kg) Se consigue as que no dependan de la masa, es decir son variables de estado intensivas.

Las propiedades molares son homlogas a las anteriores.

Equilibrio Trmico: Un sistema se dice que se encuentra en el equilibrio termodinmico cuando sus propiedades termodinmicas son invariables en el tiempo e iguales en todos los puntos del sistema.

Luego para que un sistema se encuentre en el equilibrio termodinmico debe estar en una fase simple (liquido, slido o gaseoso. En nuestro estudio consideraremos un tipo idealizado de proceso llamado proceso de cuasiequilibrio (o cuasiesttico). Un proceso as es aquel que se desva del equilibrio de un modo infinitesimal. Todos los estados por los que pasa el sistema durante un proceso de cuasiequilibrio pueden considerarse estados de equilibrio.

Propiedad: TEMPERATURA

Propiedad intensiva.

La temperatura es la propiedad ms caracterstica del estado trmico de un cuerpo. Se dice que dos cuerpos estn a la misma temperatura cuando puestos en contacto no cambia ninguno de los dos. Si estn a distinta temperatura pasar calor de cuerpo ms caliente al ms fro hasta el equilibrio trmico. Por tanto temperatura es el estado trmico de un cuerpo con referencia a su capacidad de recibir o comunicar calor a otros cuerpos.

La experiencia muestra que cuando dos cuerpos estn en equilibrio trmico con un tercero, estn en equilibrio trmico entre si. Esta afirmacin se llama a menudo principio cero de la termodinmica.La temperatura segn la teora cintica de los gases: Segn esta teora las molculas de una porcin de un gas perfecto contenido en un recipiente cerrado a una cierta temperatura se hallan en movimiento incesante y desordenado, chocando unas contra otras y contra las paredes del recipiente. Microscpicamente la velocidad de traslacin varia mucho de una molcula a otra pero macroscopicamente la velocidad cuadrtica media del movimiento molecular permanece rigurosamente constante.

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto en la superficie de contacto las molculas de ambos cuerpos chocan e intercambian energa. Como en ambos cuerpos existen molculas dotadas de grande y pequea velocidad microscpicamente hay cesin de energa no solo del cuerpo ms caliente al ms fro sino tambin al contrario; pero macroscopicamente siendo la velocidad cuadrtica media del primer cuerpo superior al del segundo la resultante estadstica de estos choques aun en un tiempo muy pequeo es una transmisin de energa cintica del primer cuerpo al segundo, hasta que la velocidad cuadrtica media de ambos cuerpos sea igual, alcanzndose entonces el equilibrio trmico.

El termmetro

La medida de la temperatura se basa en realidad de la variacin de otra propiedad que varia con la temperatura. Por ejemplo se puede medir observando cambios en la presin, volumen

Nota: Al medir la temperatura con un termmetro estamos cambiando el estado termodinmico del sistema al introducirle un cuerpo a distinta temperatura (el termmetro) que absorber o ceder calor hasta alcanzar el equilibrio, es entonces cuando tomamos lectura del termmetro. Esto aunque cierto es algo que en la prctica no se tiene en cuenta.

La escala Celsius. El astrnomo sueco Celsius escogi como puntos fijos de su escala de temperaturas el punto de fusin del hielo y el punto de ebullicin del agua a la presin de una atmsfera, asignndoles arbitrariamente, los valores 0 y 100 respectivamente y dividi la distancia total entre esos dos puntos en 100 partes iguales.

Nota: Si la relacin entre la temperatura y el volumen de una sustancia tal como el mercurio no hubiese sido lineal los termmetros que usan est sustancia tendran una escala logartmica, es decir, la distancia entre dos lneas de escala sucesivas no seria un valor constante.

Propiedad: PESO ESPECIFICO Y VOLUMEN ESPECFICO

Propiedades intensivas.

El peso especfico es el peso de una cierta cantidad de masa de un cuerpo dividido por el volumen que ocupa la misma:

El volumen especfico es el recproco de la densidad

Propiedad: PRESION

Propiedad intensiva.

La presin media es la relacin existente entre la fuerza que acta normalmente sobre la superficie de un cuerpo y esa misma superficie.

En el interior de los fluidos compresibles, de los cuales se ocupa preferentemente la termodinmica y en particular de vapores y gases reina un est