Física II Ingeniería Civil Agrícola TERMODINÁMICA

1. Física IIIngeniería Civil AgrícolaTERMODINÁMICA

2. FENÓMENOS CALORÍFICOS Medio Ambiente SISTEMA Sistema: Porción de la realidad aislada por el observador Medio Ambiente: Todo lo demás que guarda relación con el sistema

3. CANTIDADES MACROSCÓPICAS QUE DESCRIBEN EL SISTEMA : • Presión, Volumen, temperatura, energía interna, entropía, etc. VARIABLES BASE DE LA TERMODINÁMICA • Presión : Se relaciona con la capacidad de las moléculas de transmitir cantidad de movimiento. • Volumen: Espacio ocupado por las moléculas de un material determinado • Temperatura: Es el promedio de la energía cinética de todas las moléculas que conforman un cuerpo. Manómetro

4. EQUILIBRIO TÉRMICOLEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Si A y B se encuentran en equilibrio térmico con C (termómetro), entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí. A C B TEMPERATURAImportante rol al determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos (se prevé aumento de 1,4 a 5,8 ºC entre 1990 y 2100).- Afecta las propiedades de todos los materiales.

5. TRABAJO Y CALOR EN PROCESOS TERMODINÁMICOS Un gas contenido en un cilindro a una presión P efectúa trabajo sobre un émbolo móvil cuando el sistema se expande de un volumen V a un volumen V + dV. dW = Fdy = PAdy dW = PdV

6. El trabajo total cuando el volumen cambia de Vi a Vf es: El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el estado final es el área bajo la curva en un diagrama PV.

7. ENERGÍA INTERNA Energía interna (U): Energía térmica que tiene el sistema. Sistema adiabático: Trabajo que se efectúa sobre un sistema sin intercambiar calor. El cambio en la energía interna es igual al valor negativo del trabajo realizado: dU = -dW infinitesimal UB - UA = - WA  B finito La energía interna se relaciona con la energía de las moléculas de un sistema térmico, y es solo función de las variables termodinámicas.

8. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍALA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema: DU = UB - UA = - WA  B + QA  B Para cambios infinitesimales la primera ley es: dU = -dW + dQ

9. APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY Un proceso termodinámico es adiabático si no entra o sale energía térmica del sistemas, es decir, si Q = 0. En tal caso: DU = -W

10. Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es: P (Vf – Vi). Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (isócoro), en tal proceso el trabajo es cero y entonces: o

11. Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si consideramos un gas ideal es trabajo es: Para un gas ideal:

12. PROPIEDADES TÉRMICAS DE LA MATERIA LEYES DE LOS GASES IDEALES Según la teoría atómicalas moléculas pueden tener o no cierta libertad de movimientos en el espacio; estos grados de libertad microscópicos están asociados con el concepto de orden macroscópico. La libertad de movimiento de las moléculas de un sólido está restringida a pequeñas vibraciones; en cambio, las moléculas de un gas se mueven aleatoriamente, y sólo están limitadas por las paredes del recipiente que las contiene. Se han desarrollado leyes empíricas que relacionan las variables macroscópicas en base a las experiencias en laboratorio realizadas. En los gases ideales, estas variables incluyen la presión (p), el volumen (V) y la temperatura (T). 

13. LEYES DE LOS GASES IDEALES • La ley de Boyle - Mariotterelaciona inversamente las proporciones de volumen y presión de un gas, manteniendo la temperatura constante: • La ley de Gay-Lussacafirma que el volumen de un gas, a presión constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta: • La ley de Charles sostiene que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del sistema: Recordar: La temperatura se mide en Kelvin (273 ºK = 0ºC)

14. LEYES DE LOS GASES IDEALES Ley de los Gases Generalizada Como consecuencia de la hipótesis de Avogadro puede considerarse una generalización de la ley de los gases. Si el volumen molar (volumen que ocupa un mol de molécula de gas) es el mismo para todos los gases en CNPT, entonces podemos considerar que el mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura y presión que se someta al sistema.

15. ENERGÍA INTERNA DE UN GAS IDEAL La energía interna U de un gas ideal es enteramente cinética y solo depende de la temperatura

16. CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS IDEAL La temperatura de un gas puede elevarse en diferentes condiciones, por ejemplo a volumen o a presión constante: • Volumen constante • Presión constante

17. CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS IDEAL • A Volumen constante tenemos que W=0, DU=DQ y: Entonces

18. CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS IDEAL • En un proceso a Presión constante se tiene • Si se considera que dU es igual tanto para los procesos isotérmico e isobárico, entonces la ecuación anterior puede expresarse también en función de Cv

19. CAPACIDADES CALORÍFICAS MOLARES DE LOS GASES A BAJA PRESIÓN

20. COMPRESIÓN O EXPANSIÓN ADIABÁTICOS DE UN GAS IDEAL • En el caso de un gas ideal se tiene que dU=n CvdT; además dQ=0, por lo tanto la expresión que gobierna el proceso resulta de:

21. Compresión o expansión adiabáticos de un gas ideal (Continuación) Al sustituir R, integrando la última ecuación y combinándola con la Ec. General de gases ideales, se deducen dos ecuaciones para procesos ADIABÁTICOS:

22. EJEMPLO: • La razón de compresión de un motor Diesel, V1/V2 es aproximadamente 15. Si el cilindro, al comenzar la carrera de compresión, contiene aire a la presión absoluta de 1 atm y T=15°C, calcular la presión y temperatura final de esta carrera. Suponga que el aire se comporta como un gas ideal y que la compresión es adiabática (gaire= 1,40)

23. Inicialmente, para un proceso adiabático se tiene O bien La temperatura puede calcularse de acuerdo a la ecuación

24. Otra forma de encontrar T2, se obtiene al utilizar el valor de P2 estimado en la primera parte. A partir de la ec. General de gases ideales, se tiene:

25. MÁQUINAS TÉRMICAS Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Física II

26. MÁQUINAS TÉRMICAS Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ENERGIA INTERNA CALOR ENERGIA MECANICA La segunda ley de la termodinámica establece cuáles procesos pueden ocurrir y cuáles no en la naturaleza. Los siguientes son ejemplos de procesos que son consistentes con la primera ley de la termodinámica pero que proceden de un orden gobernado por la segunda ley:

27. MÁQUINAS TÉRMICAS Y LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA • Cuando dos objetos a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, la energía térmica siempre fluye del objeto más caliente al más frío, nunca del más frío al más caliente. • Una bola de hule que se deja caer al suelo rebota varias veces y finalmente queda en reposo, pero una bola que se encuentra en el suelo nunca empieza a botar por sí sola. • Debido a los choques con las moléculas de aire y la fricción, un péndulo oscilante finalmente se detiene en el punto de suspensión. La energía mecánica se convierte en energía térmica; la transformación inversa de energía nunca ocurre.

28. MAQUINAS TERMICAS La máquina absorbe energía térmica Qc de un depósito caliente, libera la energía térmica Qf al depósito frío y efectúa un trabajo W. • Una máquina térmica lleva cierta sustancia de trabajo a través de un proceso de un ciclo durante el cual: • la energía térmica se absorbe de una fuente a alta temperatura, • la máquina realiza trabajo • la máquina expulsa energía térmica a una fuente de menor temperatura. Deposito caliente Tc Qc MOTOR W Qf Deposito frío Tf

29. A partir de la primera ley de la termodinámica vemos que el trabajo neto W hecho por la máquina térmica es igual al calor neto que fluye hacia ella. Como podemos ver en la figura, Qneto = Qc - Qf; Así:  W = Qc - Qf El trabajo neto hecho por un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa el proceso en el diagrama PV. Diagrama PV para un proceso cíclico arbitrario. El trabajo neto realizado es igual al área encerrada por la curva. P Area =W V

30. La eficiencia térmica, e, de una máquina térmica se define como el cociente entre el trabajo neto realizado y la energía térmica absorbida a una temperatura más alta durante el ciclo: Esta fórmula muestra que una máquina tiene un 100% de eficiencia sólo sí Qf = 0. Es decir, no se entrega energía térmica al reservorio frío.

31. LA FORMA DE KELVIN-PLANCK DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía térmica de un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Deposito caliente Tc Qc MOTOR W Deposito frío Tf

32. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR Los refrigeradores y las bombas de calor son máquinas térmicas que operan a la inversa. La máquina absorbe energía térmica Qf del depósito frío y entrega energía térmica Qc al depósito caliente. Esto puede lograrse sólo si se hace trabajo sobre el refrigerador. El enunciado de Clausius afirma lo siguiente: Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo y que no produzca ningún otro efecto más que transferir energía térmica continuamente de un objeto a otro de mayor temperatura. En términos simples, la energía térmica no fluye espontáneamente de un objeto frío a uno caliente.

33. Diagrama esquemático de un refrigerador. Diagrama esquemático de un refrigerador imposible. Deposito caliente Tc Deposito caliente Tc Qc Qc MOTOR MOTOR M Qf Qf Deposito frío Tf Deposito frío Tf

34. Muro aislado Vacío Membrana Gas a Ti PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Un proceso reversible, es uno que puede efectuarse de manera tal que, a su conclusión, tanto el sistema como sus alrededores, hayan regresado a sus condiciones iniciales exactas. Un proceso que no cumple con esta condición es irreversible. Arena Depósito caliente

35. LA MÁQUINA DE CARNOT El teorema de Carnot puede enunciarse como sigue: Ninguna máquina térmica real que opera entre dos depósitos térmicos puede ser más eficiente que una máquina de Carnot operando entre los mismos dos depósitos. Primero supondremos que la segunda ley es válida. Luego, imaginamos dos máquinas térmicas que operan entre los mismos depósitos de calor, una de las cuales es una máquina de Carnot con una eficiencia ec, y la otra, cuya eficiencia, e, es más grande queec. Si la máquina más eficiente se opera para accionar la máquina de Carnot como un refrigerador, el resultado neto es la transferencia de calor del depósito frío al caliente. De acuerdo con la segunda ley, esto es imposible. En consecuencia, la suposición de que e > ec debe ser falsa.

36. EL CICLO DE CARNOT

37. Para describir el ciclo de Carnot supongamos que la sustancia que trabaja entre dos temperaturas Tf y Tc, es un gas ideal contenido en un cilindro con un émbolo móvil en el extremo. Las paredes del cilindro y el émbolo no son conductoras térmicas. En la figura anterior se muestran cuatro etapas del ciclo de Carnot, y el diagrama PV para el ciclo se muestra en la figura siguiente. El ciclo de Carnot consta de dos procesos adiabáticos y dos procesos isotérmicos, todos reversibles.

38. El proceso AB es una expansión isotérmica a temperatura Tc, en la cual el gas se pone en contacto térmico con un depósito de calor a temperatura Tc. Durante la expansión, el gas absorbe energía térmica Qc desde el depósito a través de la base del cilindro y efectúa trabajo WAB al levantar el émbolo. • En el proceso BC, la base del cilindro se sustituye por una pared que no es conductora térmica y el gas se expande adiabáticamente; es decir, ninguna energía térmica entra o sale del sistema. Durante la expansión, la temperatura cae de Tc a Tf y el gas realiza trabajo WBC al elevar el émbolo. • En el proceso CD, el gas se coloca en contacto térmico con un depósito de calor a la temperatura Tf y se comprime isotérmicamente a temperatura Tf. Durante ese tiempo, el gas libera la energía térmica Qf hacia el depósito y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es WCD. • En la etapa final, DA, la base del cilindro se sustituye por una pared no conductora y el gas se expande adiabáticamente. La temperatura del gas aumenta a Tc y el trabajo efectuado sobre el gas por un agente externo es WDA.

39. Ejemplo: Ciclo de Carnot para un gas ideal Para los procesos adiabáticos BC y AD

40. La eficiencia térmica de la máquina esta dada por: Es fácil mostrar que para el ciclo de Carnot se cumple: En consecuencia, la eficiencia térmica de la máquina de Carnot es:

41. Todas las máquinas de Carnot que operan de modo reversible entre las mismas dos temperaturas tienen la misma eficiencia. • De acuerdo con el teorema de Carnot, la eficiencia de cualquier máquina reversible que opera en un ciclo entre dos temperaturas es más grande que la eficiencia de cualquier máquina irreversible (real) operando entre las don mismas temperaturas. • Todas las máquinas reales son menos eficientes que la máquina de Carnot porque están sujetas a dificultades prácticas como la fricción y las pérdidas térmicas por conducción.

42. LA ESCALA DE TEMPERATURA ABSOLUTA La proporción Qf /Qc depende sólo de la temperatura de los dos depósitos térmicos. La proporción Tf/Tc puede obtenerse operando una máquina térmica reversible en un ciclo de Carnot entre estas dos temperaturas y midiendo Qf y Qc. Una escala de temperaturas puede determinarse respecto a ciertas temperaturas de punto fijo. La escala de temperatura absoluta o kelvin se definió al elegir 273.16 K como la temperatura del punto triple del agua.

43. La temperatura de cualquier sustancia puede obtenerse de la siguiente manera: 1) se somete la sustancia a un ciclo de Carnot 2) se mide la energía térmica Q absorbida o liberada por el sistema a alguna temperatura T 3) se mide la energía térmica Q3 absorbida o liberada por el sistema cuando está a la temperatura del punto triple del agua. La temperatura desconocida es:

44. REFRIGERACIÓN • La palabra refrigeración implica mantener una temperatura menor que la de los alrededores, lo que requiere de una continua absorción de calor a un nivel de temperatura bajo, lográndose por la evaporación de un líquido bajo un proceso continuo a régimen permanente. • El vapor generado deberá regresar a su estado líquido original para ser nuevamente evaporado, lo que se logra por una compresión y luego a una condensación.

45. REFRIGERACIÓN • El Ciclo de Carnot Inverso es considerado como el estándar de comparación dentro de los ciclos de refrigeración existentes, dado que por ser ideal, da el rendimiento máximo posible por un proceso cíclico. • Este será el patrón de comparación al evaluar eficiencia y operación de todos aquellos ciclos mecánicos reales que transforman el calor o energía interna en trabajo mecánico.

46. CICLO DE UN REFRIGERADOR • Para obtener un ciclo de refrigeración en la práctica se emplea una bomba calorimétrica, donde el líquido a evaporar a presión constante, permite absorber calor a temperatura constante. Este líquido refrigerante puede ser desde un glicol-éter o un producto halogenado hasta agua, dependiendo de las condiciones de operación requeridas y su aplicación. • El ciclo de refrigeración de compresión de vapor que se efectúa en una bomba calorimétrica se repite aprox. cada 15 minutos, y realiza los siguientes procesos reversibles sobre la sustancia refrigerante:

47. 1) Una evaporación donde se suministra calor poniendo en contacto indirecto una sustancia mas caliente con el refrigerante. Este comienza a hervir y pasa a fase vapor. 2) Ya en fase de vapor, este se introduce a un compresor de donde sale a mayor presión y temperatura. 3) El vapor comprimido pasa por un condensador, en donde se pone en contacto indirecto (ej. serpentín) con un fluido de menor temperatura. Durante este proceso el refrigerante cede calor logrando así su condensación. 4) Esta mezcla de vapor y líquido se pasa por una válvula de expansión isoentálpica, saliendo de ella a baja presión y temperatura. Ciclo de Refrigeración de Compresión de Vapor

48. PARTES DE UN EQUIPO REFRIGERADOR

49. HAY CINCO PARTES BÁSICAS EN UN REFRIGERADOR (O AIRE ACONDICIONADO) • Compresor– El elemento que suministra energía al sistema. El liquido refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión. • Condensador – Un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador (más adelante) y la energía del compresor. En el condensador, el líquido refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido. El condensador esta ubicado fuera del refrigerador usualmente en forma de un tubo de forma espiral. • Válvula de expansión- El refrigerante entra en la válvula de expansión donde se reduce su presión. Al reducir la presión del refrigerante, también se reduce bruscamente su temperatura. • Evaporador: El refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de calor, y absorbe el calor del recinto donde esta situado. El líquido refrigerante que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto. El evaporador esta ubicado dentro del refrigerador. • Refrigerante – El liquido que se evapora dentro del refrigerador para crear las bajas temperaturas. Muchas instalaciones industriales usan amoniaco puro como refrigerante. El amoniaco puro se evapora a una temperatura de -27 grados Fahrenheit (o -32 grados Celsius).

50. EL MOTOR BENCINERO El motor de gasolinas puede describirse mediante el Ciclo Otto, el cual se ilustra en la figura