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    Cap1 conceptos basicos_1301_udl Cap1 conceptos basicos_1301_udl Presentation Transcript

    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionTermodinámicaSemana 1: Conceptos básicos ydefinicionesIng. Jorge Cabrejos Barriga
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1CAPÍTULOConceptos básicosde Termodinámica
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionCAPITULO 1. Conceptos básicos deTermodinámica1.1 Termodinámica y Energía1.2 Importancia de las dimensiones y unidades1.3 Sistemas cerrados y abiertos1.4 Propiedades de un sistema1.5 Densidad y densidad relativa1.6 Estado y equilibrio1.7 Procesos y ciclos1.8 Temperatura y ley cero de la termodinámica1.9 Presión1.10 Manómetro1.11 Barómetro y presión atmosférica
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.1 Termodinámica y Energía• La termodinámica es una ciencia quebasicamente se ocupa de la energía.• De manera amplia incluye aspectos de energía ysus transformaciones, la generación de potencia,la refrigeración y las relaciones entre laspropiedades de la materia.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionÁreas de aplicación de latermodinámicaPlantas de energiaEl cuerpo humanoSistemas de aireacondicionadoAvionesRadiadores deautosSistemas de Refrigeración
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionAreas de aplicación ….• Una importante aplicación de la termodinámicaes la biología.• La mayoría de dietas se basan en un balance deenergía: la energía neta ganada por unapersona en forma de grasa es igual a ladiferencia entre la entrada de energía de losaliementos y la energía gastada por actividadfisica.• EJEMPLOS DE CALCULO:
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.2 Importancia de las dimensiones yunidades.Dimensiones primariasDimensiones secundarias:TAREA: Hacer un resumen del sistema internacional (SI) ydel sistema ingles de unidades.EJERCICIOS: Conversión de Unidades.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionEJERCICIOS1. Convertir 1000 (cal/min) en (BTU/seg)Soluciónfactores de conversión: 252.16 cal/BTU y 60 seg/minRPTA: 0.066 BTU/seg2. Convertir 15.18 (psia m3/mol ºC) en (cal/ mol K)Soluciónfactores de conversión: 14.696 psia/atm; 41.3 atm cm3/cal; y106 cm3/m3RPTA: 2 501.05 cal/mol K
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionBalance de materiaA un mezclado entran una corriente de 15 kg/min. De unasolución acuosa con 5% (en masa) de una sal y otra corrientede agua pura a razón de 4 kg/min. La salida del estanquemezclador es una sola tubería por la que fluye la solucióndiluida. Determine a) el flujo de salida en kg/min; y b) laconcentración en % en masa %W de la corriente de salida(W=100*masa de sal/masa total).Sol. diluidam3agua m2Sol. deentrada m1
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionBalance de materiaEl aire es una mezcla de oxigeno (21% molar) y nitrógeno (79%molar). Si se desea obtener aire enriquecido con 40% molar deoxigeno, cuanto oxígeno debo agregar por cada 200 moles deaire ambiental?Aireenriquecido n3O2 n2Aire n1
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.3 Sistemas cerrados y abiertos• Un sistema se define como una cantidad demateria o una región en el espacio elegidapara análisis.• La masa o region fuera del sistema se conocecomo alrededores.• La superficie real o imaginaria que separa elsistema de sus alrededores se denominafrontera, pudiendo ser esta fija o móvil.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.3 Sistemas cerrados y abiertos• Un sistema de masa fijo es llamado un sistemacerrado, o masa de control,• Un sistema que incluye transferencia de masasobre sus alrededores es llamado un sistemaabierto, o volumen de control.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionSistemas cerrados con fronteras fijas(Fig. 1-13)La masa no puede cruzar las fronteras de unsistema cerrado, pero la energía si.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionSistemas cerrados con fronterasmóviles
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionVolumen de control en fronteras fijasEn un volumen de control, masa y energia cruzan lasfronteras del sistema.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.4 Propiedades de un sistema• Las propiedades de un sistema que dependende la masa, son llamadas propiedadesextensivas,• las que no dependen de la masa son llamadaspropiedades intensivas.• e.g. La densidad (masa por unidad devolumen) es una propiedad intensiva.• Las propiedades extensivas por unidad devolumen son llamadas propiedadesespecíficas.• e.g. volumen específico (volumen porunidad de masa).
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.5 Densidad y densidad relativaTAREA: Definiciones y ejemplos: Densidad,volumen especifico, gravedad especifica odensidad relativa.RESOLVER EJERCICIOS:
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionProblemas:La densidad de una sustancia es 1.382 (gr/cm3) a 20 ºC:a) ¿Cuántos m3 son 500 kg de esa sustancia?b) ¿Cuál es el volumen en pie3?
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.6 Estado y equilibrio• Un sistema se dice esta en equilibrio [noexperimenta cambios] termodinámico si mantieneun equilibrio:• térmico, si tiene una misma temperatura en todossus puntos• mecánico, no presenta cambios de presión enalguno de sus puntos• de fase de equilibrio, cuando la masa de cadafase alcanza un nivel de equilibrio y permanecealli, y• químico, cuando su composición química nocambia con el tiempo.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionPostulado de estado• El estado de un sistema compresible simple seespecífica por completo con dos propiedadesintensivas independientes.• e.g. la temperatura y el volumen específico.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.7 Procesos y ciclos• Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otroes llamado proceso.• La serie de estados por los que pasa un sistemadurante este proceso es una trayectoria del proceso.• Un proceso con idénticos estados inicial y final esdenominado ciclo.• En un proceso cuasi – estatico o de cuasi-equilibrio, el sistema permanece prácticamente enequilibrio durante todo el tiempo.• El proceso de desarrolla lo suficientemente lento deforma que permanece infinitesimalmente cerca de unestado de equilibrio
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionProceso cuasiestatico o de cuasiequilibrio(Fig. 1-30)Cuasi equilibrio, trabajo producido por dispositivos querealizan trabajo.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.7 Procesos y ciclos(Fig. 1-31)Diagrama de compresion P-v
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition… procesosSe usa el prefijo ISO para designar un proceso en el que unapropiedad particular permanece constante.PROCESO ISOTERMICO: Aquel durante el cual la temperaturaT permanece constante.PROCESO ISOBARICO: Aquel en el cual la presión Ppermanece constante.PROCESO ISOCORICO O ISOMETRICO: Aquel en en cual elvolumen V permanece constante.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.8 Temperatura y ley cero de la termodinámica• Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibriotermico con un tercero, estan en equilibrio termico entre si.• Este hecho sirve como base para validar la medicion de latemperatura.• Si el tercer cuerpo se sustituye por un termometro, la leycero se puede expresar como dos cuerpos estan enequilibrio térmico si ambos tienen la misma temperaturaincluso cuando no estan en contacto.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionEscalas de temperatura• Las escalas de temperatura usadas en el SI y enel sistema ingles son las escalas Celsius yFahrenheit respectivamente.• La escala de temperatura absoluta en el SI es laescala Kelvin, que esta relacionada con la escalacelsius por:
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionEscalas de temperatura• En el sistema ingles, la escala de temperatura esla escala Rankine, que esta relacionada con laescala Farenheit por la relación:• Las magnitudes de cada division de 1 K y 1 ºCson idénticas, y de la misma manera para lamagnitud de cada division de 1 R y 1º F. Así,•y ∆T (R) = ∆T (ºF)
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionComparación de escalas de temperatura(Fig. 1-48)
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.9 Presión• Presión, es la fuerza normal que ejerce un fluidopor unidad de área, y se expresa en unidadeskilopascal (kPa).• La presion relativa al vacio absoluto se llamapresion absoluta, y la diferencia entre la presionabsoluta y la presion atmosferica local se llamanpresiones de vacio.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionPresiones absolutas, manométricas y devacío(Fig. 1-36)
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionVariación de la presión con la profundidad• Diferencias de presion pequeñas a moderadasson medidas por un manómetro, y una altura decolumna diferencial h corresponde a la presión:•Donde ρ es la densidad del fluido y g es laaceleración de la gravedad local.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.10 El manómetro básicoConsta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico quecontiene uno o mas fluidos como agua, mercurio, alcohol oaceite.Se usa para medir presiones pequeñas y moderadas.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition• Las presiones manometricas, absolutas, y de vacio estanrelacionadas:
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird Edition1.11 Barómetro y presión atmosferica• La presión atmosférica es medida por un barómetro y esdeterminada por:•donde h es la altura de la columna de líquido sobre lasuperficie libre.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionEjemplo 1-8 Medición de la presiónatmosférica con un barómetro.Determine la presión atmosférica en un lugar donde la lecturabarométrica es 740 mm Hg y la aceleración gravitacional es g =9.81 m/s2. Suponga que la temperatura del mercurio es de 10ºC,a la cual su densidad es 13 570 kg/m2.SOLUCION
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionEjemplo 1-9 Efecto del peso de un embolo sobre lapresión en un cilindroLa masa del embolo de un dispositivo vertical de cilindro-embolo que contiene ungas es de 60 kg, su área de sección transversal es de 0.04 m2, como se muestraen la figura. La presión atmosférica local es de 0.97 bar y la aceleracióngravitacional es de 9.81 m/s2. a) Determine la presión dentro del cilindro. b) Si setransfiere calor al gas y se duplica su volumen ¿esperaría un cambio en lapresión interna del cilindro?
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionProblema 1.53Medición de la presión con un manómetro de variosfluidos1.53 El agua en un recipiente esta a presión, mediante aire comprimido,cuya presión se mide con un manómetro de varios líquidos, como se veen la figura. Calcule la presión manométrica del aire en el recipiente sih1 = 0.2 m, h2 = 0.3 m y h3 = 0.46 m. Suponga que las densidades delagua, aceite y mercurio son 1 000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13 600 kg/m3respectivamente.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionProblema 1.581.58 Los diámetros del embolo que se muestra en la figura son D1 = 3pulg, D2 = 1.5 pulg. Determine la presión en psia en la cámara [P3],cuando las demás presiones son P1 = 150 psia y P2 = 250 psiaP3P1P2P3
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionProblema 1.58
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionUn dispositivo cilindro embolo vertical contiene un gas a unapresión absoluta de 180 kPa. La presión atmosférica exteriores de 100 kPa, y el área del embolo es de 25 cm2. Determinarla masa del embolo.SOLUCIONg = 9.81 m/s2El diagrama de cuerpo libre del embolo se muestra en lagrafica:Problema 1.113
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionProblema 1.113SOLUCION:P.A = Patm.A + WReemplazando W = m.gP.A = Patm.A + m.gDespejando m:Reemplanzado datos:m = 0.02039 kgm = 20.4 g
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionFormas de abastecer la misma energía(Fig. 1-52)Formas de abastecer a un cuarto, energía equivalente a 300-W de unaresistencia de un calentador electrico.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionBomba calorimétrica usada para determinar el podercalorífico de un alimento.(Fig. 1-53)
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionResumen del capítulo• La primera ley de la termodinámica essimplemente una expresión del principio de laconservación de la energía, y su consecuencia esque la energía es una propiedad termodinámica.• La segunda ley de la termodinámica define que laenergía tiene calidad tanto como cantidad, y queel proceso actual ocurre en la dirección de ladisminución de la calidad de la energía.
    • WCB/McGraw-Hill © The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998ThermodynamicsÇengelBolesThird EditionResumen del capítulo• La suma de todas las formas de energía de unsistema es llamada energía total, que incluye laenergía interna, cinética y potencial.• La energía interna representa la energíamolecular de un sistema y puede existir comocalor sensible, calor latente y formas nucleares.