Download Unidad I: Indroducción a la Termodinámica.

ASIGNATURA: TERMODINÁMICA
CARRERA: Ingeniería Agro-industrial
Objetivos generales.
 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.
Unidad I: Indroducción a la Termodinámica.
Objetivos específicos.
 Definir Termodinámica y su aplicación en la Agroindustria de Nicaragua.
 Explicar la diferencia entre la termodinámica desde el punto de vista macroscópico
y microscópico.
 Definir sistema abierto, sistema cerrado y sistema aislado.
 Analizar diferencias entre propiedades intensivas, extensivas, específicas y molares.
 Afianzar los conocimientos sobre los Sistemas de Unidades Internacional e Inglés.
Contenidos temáticos.
Definición de Termodinámica.
La termodinámica es una ciencia experimental, la cual se desarrolló a partir de trabajos
realizados por científicos e ingenieros tales como: Boyle, Rumford, Joule, Kelvin,
Carnot, Fahrenheit, Clausius, Rankine, Brayton, Thompson, Watt… por mencionar
algunos. Es hasta el siglo diecinueve que adquiere carácter de ciencia.
Actualmente, podemos definir la termodinámica de una manera sencilla como: la rama
de la Física que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía.
Importancia de la termodinámica en la Agroindustria.
Todos los procesos para producir industrialmente los productos agrícolas involucran un
complejo de equipos que funcionan a base de intercambios de energía en forma de
calor, tales como: marmitas, autoclaves, calderas, hornos, calentadores, enfriadores,
etc…; también, equipos que transfieren energía en forma de trabajo como turbinas,
bombas y compresores.
Cada uno de estos equipos puede ser analizado, en cuanto al intercambio energético,
con los métodos y principios de la Termodinámica. La comprensión acerca de las
formas en que se transfiere energía y poder cuantificar esas transferencias energéticas
son asuntos que competen a la termodinámica; es allí donde esta ciencia cobra su mayor
importancia, pues en toda industria es preciso poder cuantificar la energía requerida
para un proceso cualquiera y con ello estimar el tamaño de los equipos a utilizar; esto
también proporciona una base para el cálculo de los costos que conlleva el producir
artículos de esta naturaleza.
Puntos de vista macroscópico y microscópico de la Termodinámica.
En ingeniería se trata, en general, con sistemas que pueden ser descritos y analizados en
cuanto a las transformaciones y transferencias de energía por medio de unas cuantas
propiedades macroscópicas tales como la presión, la temperatura, la densidad, etc…
Estas cantidades son el resultado promedio global del movimiento de las moléculas
constituyentes de la materia, la cual bajo este enfoque se considera como continua. Este
punto de vista es el que corresponde a la termodinámica clásica o ingeniería
termodinámica.
Por otra parte, cuando el estudio de un sistema requiere analizar el comportamiento
‘individual’ de las partículas constituyentes de la materia es necesario entonces recurrir
a los métodos de la termodinámica estadística, la cual se basa en la teoría cinética
molecular.
En este curso, la manera en que describiremos el comportamiento de un sistema es con
el punto de vista macroscópico de la termodinámica clásica. Por ejemplo; al considerar
la presión que un gas ejerce en su recipiente, no nos concierne atender a la acción
individual de las moléculas, sino la fuerza ejercida en un área dada, en un tiempo
promedio, la cual puede medirse con un manómetro. En vista de este enfoque
trataremos la sustancia como continua, pero debemos tener presente sí, que el concepto
del ‘continuo’ pierde validez cuando el camino libre de las moléculas en su recorrido es
comparable a las dimensiones del recipiente tal como sucede, por ejemplo, en la
tecnología del alto vacío.
Sistemas termodinámicos.
El término sistema se refiere a una cantidad de materia definida, limitada por alguna
superficie cerrada. La superficie puede ser real (como la de un tanque que contenga
oxígeno comprimido), o puede ser imaginaria como el límite de cierta masa de líquido
que circula a lo largo de una tubería, cuyo proceso se sigue mentalmente.
Hay tres tipos de sistemas termodinámicos:
Sistema aislado.
Se llama así a un sistema que no intercambia ni sustancia ni energía con el resto del
universo. Es decir, un sistema aislado no recibe influencia alguna del exterior (ni
energía ni masa cruzan los límites del sistema).
Sistema cerrado.
Es aquel que puede intercambiar energía en forma de calor o trabajo con el medio,
pero no fluye masa a través de sus límites.
Sistema abierto o volumen de control.
Es aquel sistema capaz de intercambiar tanto energía como sustancia con el medio
que lo rodea.
Propiedades termodinámicas.
Una propiedad es una magnitud mesurable que sirve para describir un sistema. Así por
ejemplo, son propiedades la presión, la temperatura, el volumen específico, etc…
Las propiedades definen el estado de un sistema y tienen un solo valor definido para un
estado dado, por eso una propiedad puede definirse como una cantidad que depende del
estado del sistema y es independiente de la trayectoria por la cual el sistema llegó a ese
estado.
Las propiedades de una sustancia pueden dividirse en cuatro clases generales:
Intensivas.
Son las propiedades que no dependen de la masa, tales como: la presión, la
temperatura, la densidad.
Extensivas.
Varían directamente con la masa: el volumen, la masa, la energía cinética, la
cantidad de movimiento, etc…
Específicas.
Si una propiedad extensiva se divide por la masa, se obtiene una propiedad que no
depende de la cantidad de masa, y se denomina específica. Como ejemplo, el
volumen específico, el cual se define como el volumen por unidad de masa.
Molares.
Si un propiedad extensiva se divide por el número de moles de sustancia, se obtiene
una propiedad específica molar; por ejemplo, el volumen específico molar.
Sistemas de unidades.
La tendencia en el mundo es que todos los países utilicen un solo sistema de unidades
llamado Sistema Internacional (SI), sin embargo aún se utilizan unidades del sistema
inglés (SU), y es por ello que haremos, en nuestro estudio de la termodinámica, uso
también de este sistema.
El Sistema Internacional (SI).
En este sistema hay siete unidades fundamentales: el metro ( longitud), el
kilogramo (masa), el segundo (tiempo), el kelvin (temperatura), el mol (cantidad de
sustancia), el ampere (intensidad de corriente eléctrica) y la candela (intensidad
luminosa). En termodinámica usaremos con frecuencia las primeras cinco. Todas
las demás unidades se derivan de éstas siete. Por ejemplo, la unidad de fuerza, el
newton, se deriva por medio de la segunda ley de Newton
F = m.a
1N = (1Kg)(1m/s2)
Así, un Newton se define como la fuerza que aplicada sobre una masa de 1 Kg, le
imprime a ésta una aceleración de 1 m/s2.
Se dice que las unidades del SI forman un sistema absoluto de unidades, pues al
escoger la masa como unidad fundamental las mediciones son independientes de la
localización donde se realicen. Pueden usarse en cualquier parte sobre la Tierra o
en cualquier otro planeta. Siempre tienen el mismo significado.
El Sistema Inglés (SU de ‘Standar Units’).
En este sistema, la fuerza, cuya unidad es la libra (lb), es una de las unidades
fundamentales y la unidad de masa, el slug (del inglés sluggish, lento), se deriva por
medio de la segunda ley de Newton:
1 lb = (1 slug)(1 pie/s2)
De donde: 1 slug = 1 lb.s2/pie
Así, un slug, es la masa que adquiere una aceleración de 1 pie/s2 bajo la acción de un
fuerza de 1 lb.
En Estados Unidos y otros países que aún usan unidades inglesas, es más común usar
como unidad de masa la libra estándar (o libra-masa, abreviado lbm), la cual se define
como 0.45359243 Kg y es la masa de un estándar de platino que se guarda en el
National Bureau of Standars en Washington. La libra (fuerza) se define entonces como
el peso de ese estándar de platino. Como el peso de un cuerpo depende de la atracción
gravitacional de la Tierra, se especifica que la libra estándar debe ser colocada a nivel
del mar y a una latitud de 45° para definir correctamente una fuerza de una libra.