PET- • • • • • 5.5. 5.7. • • • • • • 6.2. 6.3. 6.5. 6.7. 6.8. • • -4- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana Describir los enunciados de Kelvin-Plank y Clausius de la segunda ley de la termodinámica. Aplicar la segunda ley de la termodinámica a ciclos y dispositivos cíclicos Describir el ciclo de Carnot Examinar los principios de carnot, las maquinas térmicas idealizadas de Carnot, refrigeradores y bombas de calor Determinar las expresiones para las eficiencias térmicas y los coeficientes de operación para maquinas térmicas reversibles, bombas de calor y refrigeradores. CONTENIDO 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.6. Introducción Depósitos de energía térmica Maquinas térmicas Refrigeradores y bombas de calor El ciclo de Carnot. Principios de Carnot La maquina térmica de Carnot El refrigerador de Carnot y la bomba de calor UNIDAD #5 ENTROPIA OBJETIVOS DEL TEMA Aplicar la segunda ley de la termodinámica a los procesos Definir la entropía, para cuantificar los efectos de la segunda ley de la termodinámica Establecer el principio de incremento de entropía Calcular los cambios de entropía que tienen lugar durante los procesos para sustancias puras, sustancias incompresibles y gases ideales Examinar los procesos idealizados llamados isentrópicos, y desarrollar las relaciones de propiedad de estos Aplicar el balance de energía introduciendo la entropía a varios sistemas CONTENIDO 6.1. 6.4. 6.6. 6.9. Entropía. Definición El principio de incremento de entropía Cambio de entropía de sustancias puras Procesos isentrópicos Diagramas de propiedades que involucran a la entropía Las relaciones Tds Cambio de entropía de sólidos y líquidos Cambio de entropía de gases ideales Balance de entropía 5. METODOLOGIA Y MEDIOS Exposición dialogada y proyección de diapositivas Exposición interactiva docente-alumno Diego Arredondo 23/08/2008-UAGRM
PET- -5- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana 6. EVALUACION Evaluación sumativa y formativa de acuerdo a normas y reglamentación interna. EXÁMENES 1º Ex. Parcial 2º Ex. Parcial 3º Ex. Parcial Trabajos Prácticos Diego Arredondo TEMAS Unidades 1 y 2 Unidades 3y 4 Unidades 5 y 6 PONDERACION 30% 30% 30% 10% 23/08/2008-UAGRM
PET- -6- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana Tema Nro. 1 Conceptos Básicos de Termodinámica 1. INTRODUCCION UNIVERSO MATERIA ENERGÍA LEY DE LA CONSERVACION MATERIA – ENERGÍA 1.1. Termodinámica: Ciencia que estudia la energía y sus transformaciones. 1.2. Energía: Es la capacidad que tiene n cuerpo para realizar un trabajo. 1.3. Trabajo: Es la transferencia de energía asociada a una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. 2. Sistemas Termodinámicos 2.1. Sistema Es la cantidad de materia elegida para un estudio. Ej: Una taza de café, un intercambiador de calor, una planta industrial, etc. Diego Arredondo 23/08/2008-UAGRM
PET- Q -7- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana ENTORNO Frontera Sistema Transferencia de energía de un sistema a otro Sistema Termodinámico Aislados Cerrados ? discontinuos Abiertos ? continuos 2.1.1. Sistema Aislado ? transferencia de materia ? transferencia de energía 2.1.2. Sistema Cerrado Diego Arredondo W ? transferencia de materia ? transferencia de energía 23/08/2008-UAGRM
PET- mv -8- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana 2.1.3. Sistema Abierto 0 me ? ? transferencia de materia 0 ? ms ? transferencia de energía 3. Formas de energía 3.1. Energía Eléctrica ? Voltaje, intensidad de corriente 3.2. Energía Química ? 3.3. Energía Térmica 3.4. Energía Nuclear 3.5. Energía Mecánica 3.5.1. Energía Cinética Es aquella energía que posee un cuerpo debido a su movimiento E p = 1 2 2 3.5.2. Energía Potencial Es la energía almacenada que posee un cuerpo debido a su reposo. E p = mgh “ La energía se puede transformar de una forma a otra, se puede almacenar o se puede transferir de un material a otro” Ejemplo: La caída de agua en una represa, la combustión de la gasolina en un motor, las reacciones químicas en las baterías, etc. 4. Propiedades de un Sistema Son propiedad de un sistema: masa, volumen, temperatura, presión, densidad, viscosidad, otros. 4.1. Propiedades Extensivas Aquellas propiedades que sí dependen de la cantidad de materia. (Masa, volumen) 4.2. Propiedades Intensivas: Aquellas propiedades que no dependen de de la cantidad de materia: Temperatura, densidad viscosidad, presión, volumen especifico. Diego Arredondo 23/08/2008-UAGRM
PET- ? m3 ? 3 -9- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana Toda propiedad extensiva por unidad de masa se denomina propiedad específica. V = V m ( volumen específico ) V = ? ? ( Propiedad termodinamica ) ? kg ? El V es una propiedad intensiva 5. Estado y Equilibrio 5.1. Estado Esta definido por sus propiedades o características propias. m = 8kg T = 20º C V = 5m Estado 1 5.2. Equilibrio No tiene variación a lo largo del tiempo. Sus propiedades son: – Térmico ? la temperatura no varía con el tiempo. – Mecánica ? la presión no varía con el tiempo. – Química ? la composición química no varía con el tiempo. 6. Procesos y Ciclos 6.1. Proceso Cambio de etapas – estados Estado 2 Trayectoria del proceso Estado 1 m = 8kg T = 20º C V = 8m3 Estado 2 Diego Arredondo 23/08/2008-UAGRM
PET- TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana 6.2. Ciclo Serie de procesos que parten de un punto y vuelve al estado inicial. 2 Diagrama P-V 1 3 P 2 P Ciclo de 4 procesos 2 3 1 Ciclo de 2 procesos V 1 4 V 7. El postulado de Estado El estado de un sistema viene definido por medio de sus propiedades. La temperatura y la presión son propiedades independientes en sistemas de una sola fase y dependientes en sistemas multifase. 7.1. Presión Se define como fuerza por unidad de área. P = F A Diego Arredondo – 10 – 23/08/2008-UAGRM
PET- TERMODINAMICA Sistema Pabsoluta Ing. Oscar Vargas Antezana Patmosférica Pmanométrica Entorno Pabs = Pman + Patm Pman = Pabs – Patm y PA > Patm Pvacío = Patm – Pabs y Pab < Patm Santa Cruz 680mmHg ? 5mmHg ( P. vacío ) reducción de presión Sistema Cero ? Pabs = Patm Pabsoluta Entorno 8. Temperatura Mide el grado de intensidad de calor (Medida de intensidad de calor) 8.1. Ley Cero de la Termodinámica Dos cuerpos se encuentran en equilibrio si se encuentran a la misma temperatura, incluso con un tercer cuerpo estarán en equilibrio entre sí. Diego Arredondo – 11 – 23/08/2008-UAGRM
PET- F N 8.2. Escalas de Temperatura TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana Punto ºC de ºF K R ebullición del 100 212 373.15 672 agua Punto de congelación del 0 32 278.15 492 agua Cero absoluto -273.15 -460 0 0 K =º C + 273 R =º F + 460 º F = 1.8º C + 32 Ejemplo 1. El embolo de un dispositivo de cilindro-embolo contiene un gas con una masa de 60kg, con un área de sección transversal de 0.04 m2 . La presión atmosférica local es de 0.97bares y la aceleración gravitacional es de 9.81 m s2 . Determinar la presión dentro del cilindro. m = 60kg A = 0.04m2 fw Patm Pabs = ? P = ; F = P · A A ? F = 0 Pabs 1Pa = m2 1bar = 100kPa Diego Arredondo – 12 – 23/08/2008-UAGRM
PET- N 1 kPa 1bar N a · m2 TERMODINAMICA Patm · A + W – Pabs · A = 0 A ( Patm – Pabs ) + mg = 0 Ing. Oscar Vargas Antezana Pabs = Patm + mg A Pa = 0.97bar + 60kg · 9.81 m s2 0.04m2 P = 0.97bar + 1471 2 · · m 1000T m2 100 kPa Pa = 1.117bar Ejemplo 2. Determinar la masa de la válvula de una olla de presión, cuya presión de operación es de 100kPa manométricos y que tiene un área de sección transversal con abertura de 4mm2 . Suponer una presión atmosférica de 101kPa y dibujar e diagrama de cuerpo libre de la válvula. Patm Vapor H 2O Patm = 101kPa Pman = 100kPa Pabs = 201kPa w 4mm2 · 1cm2 1m2 10mm2 100cm2 ? F = 0 Patm · A + mg – Pabs · A = 0 A ( Patm – Pabs ) + mg = 0 A ( Patm – Pabs ) m = g A = 4mm2 Pabs Diagrama de cuerpo libre m = (4 ×10 -6 m2 )(100) kPa · 9.81m s2 100 N 1 kPa m = 0.0477 kg · m m s2 s2 m = 40.77 gr Diego Arredondo – 13 – 23/08/2008-UAGRM
PET- 1 2 m ? ( Ah ) g m kPa m 3 m 1000 N m2 TERMODINAMICA Ing. Oscar Vargas Antezana Ejemplo 3. Se usa un manómetro para medir la presión en un tanque. El fluido utilizado tiene una densida relativa de 0.85 y la altura de la columna manométrica es de 55cm. Si la Patm local es de 96kPa, determinar la Pabs dentro del tanque. Patm Pabs = ? 1 h 2 P = P = Pabs w Pabs ? F = 0 Patm · A + w – Pabs · A = 0 A ( Patm – Pabs ) + mg = 0 Pabs = Patm + mg A ? = ; m = ? ·V ; V = Ah V Pabs = Patm + A Pabs = Patm + ? hg Pabs = 96kPa + 850 · 9.81 2 · 0.55 m s N 1kPa Pabs = 96kPa + 4586.175 2 · Pabs = 100.586kPa Diego Arredondo – 14 – 23/08/2008-UAGRM
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