Fundamentos de termodinámica.


Propiedades termodinámicas.external image gas.jpg?w=640
La cocina es un lugar excelente para estudiar la forma en que las propiedades de la materia dependen de la temperatura. Cuando hervimos agua en una tetera, el aumento de temperatura produce vapor que sale silbando a alta presión. Si olvidamos perforar una papa antes de hornearla, el vapor a alta presión que se produce en su interior puede hacer que reviente. El vapor de agua del aire puede con­densarse en gotitas de líquido en las paredes de un vaso con agua helada; y si acabamos de sacar el vaso del congelador, se formará escarcha en las paredes al solidificarse el vapor.
Todos estos ejemplos muestran las interrelaciones de las propiedades a gran escala, o macroscópicas, de una sustancia, como: presión, volumen, temperatura y masa de la sustancia. Sin embargo, también podemos describir una sustancia desde una perspectiva microscópica. Esto implica investigar cantidades a peque­ña escala, como las: masas, velocidades, energías cinéticas y cantidades de movi­miento de las moléculas individuales de una sustancia.









Ecuaciones de estado
La ecuación del gas idealEsta ecuación sencilla describe el comportamiento de un gas en un sistema dado, a continuación veremos ejemplos de estos sistemas.
-Masa de aire en un tanque de buceoUn tanque de buceo típico tiene un volumen de 11.0 L y una presión manométrica, cuando está lleno, de 2.10 X 10^7 Pa. El tanque "vacio" contiene 11.0 L de aire a 21°C y 1 atm (1.013 x10^5 Pa). Cuando el tanque se llena con aire caliente de una compresora, la temperatura es de 42°C y la presión manométrica es de 2.10 x 10^7 Pa. ¿Qué masa de aire se agrego? (El aire es una mezcla de gases: aproximadamente 78% de nitrógeno, 21% de oxigeno y 1% de otros gases; su masa molar media es de 28.8 g/mol = 28.8 X 10^-3 kg/mol.)
La incógnita es la diferencia entre la masa presente al principio (estado 1) y al final (estado 2). Nos dan la masa molar del aire, así que podemos usar la ecuación mtot=nM (masa total, numero de moles y masa molar) pa­ra obtener la incógnita si conocemos el número de moles presentes en los estados 1 y 2. Determinamos n1 y n2 aplicando individual­mente la ecuación pV=nRT (ecuación del gas ideal) a cada estado.
Debemos recordar convertir las temperaturas a la esca­la Kelvin sumándoles 273, y convertir las presiones a absolutas sumándoles 1.013 x 10^5 Pa. Por la ecuación del gas ideal, el número de moles n1 en el tanque "vacio" es.
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El volumen del tanque metálico prácticamente no por el au­mento de presión, así que V1 = V2. El número de moles en el tanque lleno es
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Agregamos n2-n1 = 88.6 mol - 0.46 mol = 88.1 mol al tanque. La masa agregada es: M (n2 –n1)= (88.6 mol) (28.8 mol = kg/ mol) = 2.54 kg.
La masa agregada es considerable: bien podríamos usar una bascula para determinar si el tanque esta vacio o lleno.
El volumen es constante, así que p/nT=RV es constante y p1 /n1T1= p2 /n2T2; podríamos despejar la relación entre los moles
iniciales y finales. Sin embargo, necesitamos la diferencia de estos números, no su cociente, así que esa ecuación no basta para resolver el problema.

Leyes de la termodinámica
Primera ley de la termodinámicaexternal image images?q=tbn:ANd9GcS4n12EnG264s4ASKjf7u32RWz5Y012RpNqHCv3YN_wq-h8y2JKCada vez que conducimos un automóvil, que encendemos un acondicionador de aire o cocinamos algún alimento, recibimos los beneficios prácticos de la termodinámica, o sea el estudio de las relaciones en las que intervienen: el calor, el trabajo mecánico y otros aspectos de la energía y de su transferencia. Por ejemplo, en el motor de un automóvil, se genera calor por la reacción química entre el oxigeno y la gasolina vaporizada en los cilindros. El gas caliente empuja los pistones de los cilindros, efectuando trabajo mecánico que se utiliza para impulsar el vehículo. Este es un ejemplo de proceso termodinámico.
La primera ley de la termodinámica, es fundamental para entender tales procesos, es una extensión del principio de conservación de la energía; amplia este principio para incluir el intercambio de energía tanto por transferencia de calor como por trabajo mecánico e introduce el concepto de la energía interna de un sistema.
La conservación de la energía desempeña un papel vital en todas las aéreas de la física, y la primera ley tiene una utilidad muy amplia. Para plantear las relaciones de energía con precisión, necesitaremos el concepto de sistema termodinámico, y veremos el calor y el trabajo como dos formas de introducir o extraer energía en semejante sistema.


En seguida analalisaremos un problema de aplicación de esta ley de la conservacion de la energía.
-Para quemar el postre
Un estudiante de 60 kg se propone comer un mantecado de 900 calorias (con crema batida) y luego subir corriendo varios tramos de escaleras para quemar la energia que ingirio. ¿A qué altura debe trepar?
La ingestión del mantecado corresponde a un flujo de calor hacia el cuerpo, mientras que la subida de las escaleras implica efectuar trabajo. Podemos relacionar estas cantidades con la primera ley de la termodinamica.
El sistema consiste del cuerpo del estudiante. Nos dice que 900 calorias alimentarias de calor entran en el organismo. El objetivo de subir corriendo las escaleras es lograr que el estado final del sistema sea igual al inicial (ni más gordo ni más delgado), así que no hay cambio neto de energia interna:
DU = 0. El trabajo necesario para elevar una masa m una altura h es W=mgh; la incognita es h.
Usamos la primera ley de la termodinámica: DU = 0 =Q-W, así que Q = W: el trabajo efectuado subiendo escaleras debe ser igual al calor aportado por el mantecado. Utilizando W=mgh la altura que hay que subir es h - Q/mg. Antes de sustituir valores en esta ecuacion, convertimos unidades: una caloria de valor alimentario es 1 kcal = 1000 cal = 4190 J (con tres cifras significativas), asi que
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Y es asi como hemos camabiado una unida de energia calorica a trabajo con la aplicacion de la primera ley de la termodinamica.

-Termodinámica del agua en ebulliciónexternal image images?q=tbn:ANd9GcRkDm5qHHK9Y18sZhoBmydBJaHkI3oh5Sw0kZPjUjwJSFiPx7o
Un gramo de agua (1 cm^3) se convierte en 1671 cm^3 de vapor cuando se hierve a presión constante de 1 atm (1.013 X 10^5 Pa). El calor de vaporización a esta presión es Lv = 2.256 X 10^6 J/kg.
Calcule: a) el trabajo efectuado por el agua al vaporizarse y b) su aumento de energia interna.
El agua se evapora a presión constante, así que podemos usar la ecuación W=p(V2-V1) (trabajo efectuado en un cmabio de volumen a presion constante) para calcular el trabajo W efectuado por el agua. Podemos calcular el calor Q añadido al agua a partir de la masa y el calor de vaporización; después podremos calcular el cambio de energía interna empleando DU = Q - W.
a) Por la ecuación W=integral de pdV de v1 a v2 (trabajo efectuado en un cambio de volumen el trabajo efectuado por el agua al vaporizarse es
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b) Por la ecuación Q= ± mL (transferencia de calor en un cambio de fase), el calor agregado al agua para vaporizarla es
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Por la primera ley de la termodinámica Q2-Q1=Q-W, el cambio de energía interna es
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Para vaporizar 1g de agua. Debemos agregar 2256 J de calor. Casi toda esta energía (2087 J) permanece en el sistema como aumento de la energía interna. Los 169 J restantes salen del sistema cuando este efectúa trabajo contra su entorno al expandirse de líquido a vapor. El aumento de energía interna se asocia en su mayor parte a las fuerzas intermoleculares que mantienen a las moléculas en el estado líquido. Estas fuerzas son de atracción, así que las energías potenciales correspondientes son mayores después de realizarse trabajo para separar las moléculas y formar vapor. Es como aumentar la energía potencial gravitacional de un elevador alejándolo del centro de la Tierra.

Segunda ley de la termodinámica
Muchos procesos termodinámicos se efectúan naturalmente en una dirección pero no en la opuesta. por ejemplo, el calor siempre fluye de un cuerpo caliente a uno más frio, nunca al revés. El flujo de calor de un cuerpo frio a uno caliente no violaría la primera ley de la termodinámica, pues se conservaría la energía; sin embargo, no se da en la naturaleza. ¿Por qué? También, resulta fácil convertir energía mecánica totalmente en calor; esto sucede cada vez que usamos los frenos del auto para detenerlo. En la dirección inversa, hay muchos dispositivos que convierten calor parcialmente en energía mecánica (el motor de un auto es un ejemplo), Pero ni los inventores más brillantes han logrado construir una máquina que convierta el calor totalmente en energía mecánica. ¿Por qué? La respuesta a ambas preguntas tiene que ver con la dirección de los procesos termodinámicos y constituye la segunda ley de la termodinámica. Esta ley impone limitaciones fundamentales a la eficiencia de una máquina o una planta de electricidad, así como al aporte de energía mínimo necesario para operar un refrigerador. Por tanto, la segunda ley se aplica directamente a muchos problemas prácticos importantes.
También podemos plantear la segunda ley en términos del concepto de entropía, una medida cuantitativa del grado de desorden o aleatoriedad de un sistema.
La noción de entropía ayuda a explicar porque la tinta mezclada con agua nunca se separa espontáneamente y porque multitud de otros procesos al parecer posibles nunca se observan.
La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más importante es en relación con la eficiencia limitada
de las máquinas térmicas. Expresada en forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía.
Maquinas termicasUna máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica.
ejemplo. un motor de gasolinaexternal image images?q=tbn:ANd9GcQHT3IlrOW2TaDu_LLaAcabFxkcIYHyp49kFQ1Mf4bHV9622lye
1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón3) la energía de desecho sale por el tubo de escape.










-Análisis de una maquina de calor
Un motor a gasolina de un camión toma 10,000 J de calor y produce 2000 J de trabajo mecanico por ciclo. El calor se obtiene quemando gasolina, cuyo calor de combustion es Lc=5.0 X 10^4 J/g. a) Calcule la eficiencia térmica del motor. b) ¿Cuanto calor se desecha en cada ciclo'? c) ¿cuanta gasolina se quema en cada ciclo? d) Si el motor ejecuta 25 ciclos por segundo. ¿que potencia desarrolla en watts y en hp? e) ¿Cuanta gasolina se quema por segundo? ¿Por hora?
El problema se refiere a una máquina de calor, de la cual nos dan la cantidad de trabajo efectuada por ciclo (W = 2000 J) y la cantidad de calor admitida por ciclo (Qc =10,000 J). Por tanto, usaremos la primera forma de la ecuación e=W/Qc=1+Qf/Qc=1-|Qf/Qc| para obtener la eficiencia térmica. La primera ley de la termodinamica nos da la cantidad de calor rechazada por ciclo, mientras que el calor de combustion nos dice cuanta gasolina es preciso quemar en cada ciclo y, por tanto, en la unidad de tiempo.
a) Por la primera expresión de la ecuación, la eficiencia térmica es
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Esta es una cifra tipica para autos y camiones si W solo incluye el trabajo suministrado a las ruedas. b) Por la ecuación (20.2), W=Qc+Qf, asi que
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Es decir, 8000 J de calor salen del motor en cada ciclo. c) Sea m la masa de gasolina quemada cada ciclo. Entonces
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d) La potencia P (rapidez con que se efectua trabajo) es el trabajo por ciclo multiplicado por el numero de ciclos por segundo:
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e) La masa de gasolina quemada por segundo es la masa por ciclo multiplicada por el numero de ciclos por segundo:
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Podemos comprobar nuestro resultado de la parte (e) convirtiéndolo en una cantidad mas conocida, la cantidad de combustible consumida por unidad de distancia. La densidad de la gasolina es de cerca de 0.70 g/cm^3, asi que esto es aproximadamente 25,700 cm^3 = 25.7 L de gasolina por hora. Si el camión viaja a 88 km/h, esto representa un rendimiento de combustible de 3.4 km/L. Este consumo es mucho mayor que el de un automóvil, pero típico de los camiones grandes.

O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico.
En la práctica, se encuentra que todas las máquinas térmicas sólo convierten una pequeña fracción del calor absorbido en trabajo mecánico. Por ejemplo un buen motor de un automóvil tiene una eficiencia aproximada de 20% y los motores diesel tienen una eficiencia en el rango de 35% a 40%. En base a este hecho, el enunciado de Kelvin – Planck de la segunda ley de la termodinámica es el siguiente:
“es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo,no tenga otro efecto que absorber la energía térmica de una fuente y realizar lamisma cantidad de trabajo”.
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Procesos reversibles e irreversibles
En general, un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial.

Un ejemplo familiar y ampliamente utilizado es la ecuación de Bernoulli que hemos visto para llevar a cabo balances de flujos de entrada y salida Los procesos reversibles son extremadamente útiles para definir límites al sistema o del comportamiento de dispositivos, para identificar las áreas en las cuales ocurren las ineficiencias y permite dar criterios en el diseño de dispositivos.


Todos hemos visto alguna vez un vaso que se cae desde una mesa y se hace añicos contra el suelo. Lo que antes estaba ordenado en una única pieza de vidrio, se convierte en una multitud de fragmentos desordenados. Pero la situación contraria, la recomposición de un vaso a partir de sus fragmentos de manera espontánea, al menos que se sepa, no la ha visto nadie.

La ruptura del vaso es un suceso natural e irreversible, una secuencia temporal adecuada; su recomposición, en cambio, no lo es.

Ciclos termodinamicos

Ciclo de otto

Un motor de tipo Otto de cuatro tiempos posee un rendimiento mecanico del 50% y desarrolla una potencia util o efectiva de 60KW a 4000 rpm. Calcule
Trabajo indicado por el ciclo



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Ciclo Diesel


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Mecanismos de transferencia de calor

Cómo ya sabemos, todas las interacciones energéticas debidas a Diferencias de Temperatura están directamente vinculadas con los Balances de Energía y Mecanismos de Transferencia de Calor, ellos son los que permiten analizar esas situaciones tan comunes en nuestra vida cotidiana, como hervir o congelar agua, congelar o cocinar alimentos, tener aire acondicionado o tomar el sol en la playa, y aún más significativo a nivel industrial son el principio de funcionamiento de equipos tales como Intercambiadores de Calor, Calderas y Hornos entre otros.
Por ejemplo, ¿Sabes como se da el proceso de ebullición del agua? ¿y luego, cómo se evapora?, ¿O cómo se enfría el agua caliente?, aquí encontraras algunas situaciones y problemas que deberán resolver y dar respuesta.
Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se puede realizar por tres mecanismos físicos: conducción, convección y radiación, que se ilustran en la figura


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CONDUCCION
Por conducción es cuando hay contacto directo entre dos sistemas.

1- Cuando tocas la olla para ver si está caliente y resulta que sí.

2- Cuando ambientas mantequilla a la cacerola y se derrite

3- un hierro que se calienta de una punta,el calor pasa al otro extremo.






CONVECCION
Por convección es cuando no hay contacto directo y se pasa por otro medio como un líquido o un gas.

1- Cuando pones el biberón del chamaco en baño maría. (agua)

2- Cuando sales a asolearte y el sol te quema la piel. (aire)
3- El agua se calienta primero por su base y posteriormente los remolinitos, que calientan el resto del agua.



RADIACIÓN
1-El calor atraviesa una habitación por la ventana en forma de rayos infrarrojos.
2-El Microondas

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