Download Termodinámica - Ing. Gustavo A. Moreno Rodríguez

Termodinámica.
Presentado por: Ing. Gustavo A. Moreno R.
Profesor desde el año 2009 en la el recinto UNI-RUACS.
Termodinámica
Tipo de Asignatura
: Básica
Ubicación en el plan II año, III semestre
de estudios:
Asignatura pre-
: Física I
requisito:
Objetivos:
Establecer la existencia de la ecuación fundamental
de un sistema, la cual contiene una descripción
termodinámica completa del mismo.
Establecer la metodología de análisis
termodinámico.
Aplicar la termodinámica química y los fenómenos
fisicoquímicos, proyectándolos hacia su aplicación
industrial.
Índice de contenidos.
Introducción.
5.1 Primera ley de la termodinámica.
5.2 Primera ley para un sistema que sufre un
cambio de estado.
Unidad V: Primera ley de la Termodinámica
Introducción.
Hasta el momento en nuestro estudio de la termodinámica
hemos definido los sistemas termodinámicos y sus propiedades
físicas; estudiamos también el calor y el trabajo concluyendo que
ambos son tipos de energía en tránsito.
Nos proponemos ahora comprender cómo esos flujos de energía
(calor y trabajo) afectan los valores de las propiedades de un
sistema y cómo pueden cuantificarse para su aplicación en
situaciones problemáticas de la práctica ingenieril.
5.1 Primera ley de la termodinámica
El principio de conservación de la energía
se expresa como:
«la energía no se crea ni se destruye, sólo
se transforma de un tipo en otro»
Formulación de la primera ley
Una formulación más general de la ley de conservación
de la energía incluye los efectos de la transferencia de
calor y de las variaciones de energía interna.
Esta formulación recibe el nombre de primera ley (o
principio) de la termodinámica y se expresa como:
«la energía total de un sistema aislado permanece
constante»
El sistema aislado y su entorno
El sistema aislado no interactúa con el entorno.
Todas las transformaciones ocurren dentro del sistema.
Por ello la energía del sistema permanecerá sin cambio.
entorno
Sistema aislado
5.2 Primera ley para un sistema que sufre un cambio de
estado.
Cuando un sistema cambia de estado porque se le suministra
calor y se hace trabajo sobre él se encuentra que, aunque las
cantidades de calor suministrado y el trabajo realizado sean
diferentes porque se siguieron distintos procesos para llevar al
sistema de un estado inicial a un estado final, la cantidad (Q – W)
es siempre la misma.
Este hecho lleva a la conclusión de que la cantidad (Q – W)
cuantifica el cambio en la energía total del sistema al pasar éste
de un estado inicial a un estado final.
Sistema que cambia de estado
W
Q
Sistema en
estado inicial
Sistema
cambiando
Sistema en
estado final
Energía inicial
de estado
Energía final
Ei
Ef
Ecuación matemática de la 1ª ley para un
sistema que cambia de estado.
En forma de ecuación, la 1ª ley se expresa:
∆𝐸𝑐 + ∆𝐸𝑝 + ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
Ecuación 5-1
Donde:
∆𝐸𝑐: cambio en la energía cinética.
∆𝐸𝑝: cambio en la energía potencial.
∆𝑈: cambio en la energía interna.
𝑄: todas las trasferencias de calor desde o hacia el
sistema.
𝑊: todos los trabajos hechos por o sobre el sistema.
Ecuación de la primera ley si se desprecian los
cambios en energía cinética y potencial.
Si no se toman en cuenta las variaciones de las energías
cinética y potencial, la ecuación para la primera ley se
reduce a:
∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊
Ecuación 5-2
Convenio para los signos del calor y del trabajo
Al aplicar las ecuaciones 5-1 y 5-2 es necesario
adoptar un convenio para los signos del calor y
del trabajo; este convenio se representa en al
diagrama siguiente:
Q (+)
Q(-)
Sistema
W(-)
W(+)
Diagrama P-V de cambio de estado por distintos procesos
(adaptado de Resnick y otros. Física. Volumen 1. CECSA, 1999)
La figura muestra tres distintos procesos por los que un sistema
es llevado del estado «i» al estado «f»:
(1) Un proceso isobárico i-A
seguido de uno isócoro A-f.
(2) Un proceso isotérmico i-B,
seguido por uno isobárico B-f.
(3) Un proceso adiabático i-C y luego
proceso isócoro C-f.
Comentario respecto al diagrama anterior
El calor Q transferido y el trabajo W efectuado
son diferentes para cada trayectoria, pero la
cantidad (Q – W) tiene el mismo valor para
todas las trayectorias entre «i» y «f».
Actividad didáctica
Propósitos: Aplicar la ecuación de la 1ª ley de la
termodinámica e identificar el signo para el
calor y el trabajo.
Contenidos: 1ª ley para un sistema que cambia de
estado.
Material: enunciado de un problema suministrado por
el docente (impreso).
El problema.
Un tanque contiene un fluido que es agitado por una
rueda con paletas. El trabajo impuesto a la rueda es de
5900 kJ, el calor transmitido por el tanque al ambiente
es de 1500 kJ. Considerando el tanque y el fluido como
el sistema determine el cambio en la energía interna
del sistema.
Solución del problema.
Solución:
Datos: W = - 5900 kj (negativo porque se hace sobre el
sistema)
Q = - 1500 kj (negativo porque el sistema cede
calor al entorno)
Aplicando la ec´n 5-2:
∆𝑈 = −1500 − −5900 = 4400 𝑘𝑗
¿Qué le cambiaría a la presentación?
 Agregaría alguna animación en video
relacionada.
 Mejoraría las diapositivas, usando algunos
efectos.