Download PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA Y

PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA Y ELECTROMAGNETISMO
Objetivo
El alumno analizará los conceptos, principios y leyes fundamentales de la
termodinámica y de los circuitos eléctricos para aplicarlos en la resolución
de problemas elementales de ingeniería, haciendo especial énfasis en el
concepto de energía y sus transformaciones. Además, el alumno
desarrollará sus habilidades de observación, manejo de instrumentos
experimentales y la interpretación de datos.
Temario
1.
Conceptos fundamentales
2.
Primera ley de la termodinámica
3.
Segunda ley de la termodinámica
4.
Ciclos termodinámicos
5.
Electromagnetismo
6.
Circuitos eléctricos en corriente directa
7.
Circuitos eléctricos en corriente alterna
M del Carmen Maldonado Susano
Página 1
Tema 1. Conceptos fundamentales
Objetivo: El alumno analizará algunos de los conceptos
básicos de la física identificando sus
dimensiones y unidades en el SI.
Contenido:
1.1
Conceptos de masa, fuerza, peso específico, densidad y volumen específico.
Dimensiones y unidades en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
1.2
Concepto de presión en fluidos. Presiones absolutas y relativas. Dimensiones y unidad
de medición en el SI.
1.3
Concepto de temperatura empírica. Escalas de temperatura de Celsius y de Kelvin. La
ley cero de la termodinámica.
1.4
Concepto y unidad de medición de la energía en el SI. Energías en transición: calor y
trabajo.
1.5
La energía como propiedad de la materia. Energías cinética, potencial gravitatoria e
interna.
M del Carmen Maldonado Susano
Página 2
1.1
Conceptos de masa, fuerza, peso específico,
densidad y volumen específico. Dimensiones y
unidades en el Sistema Internacional de
Unidades (SI).
Masa
La masa de un cuerpo es una magnitud escalar, numéricamente igual a la fuerza
necesaria para comunicarle la unidad de aceleración. Puesto que la experiencia
demuestra que (para que un cuerpo dado) la razón de la fuerza a la aceleración
es siempre la misma, basta realizar dos medidas una de la fuerza y la otra de la
aceleración correspondiente para determinar la masa.
Es la cantidad de materia que posee un cuerpo.
Fuerza
Es la causa que provoca un cambio del estado de movimiento de un cuerpo,
proviene de la interacción entre los cuerpos.
Densidad
La densidad de un material homogéneo se define como la masa contenida en la
unidad de volumen, esto es algebraicamente así:
 
m
V
m: masa (Kg)
V: volumen ( m 3 )
M del Carmen Maldonado Susano
Página 3
Densidad relativa
La densidad relativa de una sustancia es la razón de su densidad a la del agua;
por esta razón, es una cantidad adimensional; es decir, sin unidades y de valor
igual en cualquier sistema de unidades.
Tabla 1. Densidades de algunas sustancias.
Sustancia
Densidad (Kg/ m 3 )
7860
1000
1030
1.29
806
917
13600
Acero
Agua
Agua de mar
Aire
Alcohol etílico
Hielo
Mercurio
Peso Específico
De una sustancia es la fuerza con que la tierra atrae a la unidad de volumen de
dicha sustancia; algebraicamente se puede escribir como:
 
W
V
W: peso (N)
V: volumen ( m 3 )
Si recordamos la segunda Ley de Newton
F  m*a
m: masa (Kg)
a: aceleración ( m / s 2 )
M del Carmen Maldonado Susano
Página 4
El peso de un cuerpo es una fuerza de origen gravitacional, la cual le origina a la
masa, m, la aceleración de la gravedad.
W  m* g
m: masa (Kg)
g: gravedad ( m / s 2 )
Al sustituir el valor de W de la ecuación (3) en la ecuación (1), se obtiene:
 
Si  
m*g
V
m
V
Entonces
   *g
 : densidad (Kg/ m 3 )
g : gravedad ( m / s 2 )
Volumen específico
Es el recíproco de la densidad.
v 
V
m
v 
1

M del Carmen Maldonado Susano
Página 5
Dimensiones y unidades en el Sistema Internacional de
Unidades (SI)
Se designa con este nombre al Sistema de Unidades de medida cuyo
nombre y abreviación internacional (SI) ha sido designado por la 11ª. Conferencia
General de Pesas y medidas (CGPM) en 1960.
La formación del Sistema Internacional de Unidades quedó establecida en 3
partes:
Unidades fundamentales o base
Unidades derivadas
Unidades suplementarias
Unidades fundamentales o base
Son las unidades con las cuales se fundamenta la estructura del Sistema
Internacional y son siete, independientes unas de otras.
Magnitud
Nombre de la unida
Longitud
metro
Símbolo Internacional
de la unidad
m
Masa
Kilogramo
kg
Tiempo
segundo
s
Intensidad de
corriente eléctrica
ampere
A
Temperatura
termodinámica
Kelvin
K
Intensidad luminosa
candela
cd
Cantidad de
substancia
mol
mol
M del Carmen Maldonado Susano
Página 6
Unidades derivadas
Son las unidades que se forman combinando las unidades base o bien éstas
y las suplementarias según expresiones algebraicas que relacionan las
magnitudes correspondientes.
Muchas de estas expresiones algebraicas pueden ser reemplazadas por
nombres y símbolos especiales, los cuales pueden ser utilizados para la formación
de otras unidades derivadas.
Magnitud
Nombre de
la unidad
derivada
Símbolo
Expresión
en unidades
base
Hertz
Hz
1
s
Fuerza
Newton
N
Kg m
s2
Presión
Pascal
Pa
N
m2
Trabajo
Joule
J
Nm
Potencia
Watt
W
J
s
Carga
eléctrica
Coulomb
C
Volt
V
Capacidad
eléctrica
Farad
F
Resistencia
eléctrica
Ohm
Ohm
Energía
Joule
J
Frecuencia
Diferencia de
potencial
Expresión
en otras
unidades SI
As
M del Carmen Maldonado Susano
Página 7
Unidades suplementarias
Son las unidades con las cuales no se ha tomado una decisión de si
pertenecen a las unidades base o a las unidades derivadas.
Magnitud
Nombre de la unidad
símbolo
Ángulo plano
radián
rad
Ángulo sólido
Esterradián
sr
M del Carmen Maldonado Susano
Página 8
1.2
Concepto de presión en fluidos. Presiones
absolutas y relativas. Dimensiones y unidad de
medición en el SI.
Fluido
Es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular carece de forma
propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene.
Los fluidos se clasifican en líquidos y gases.
Líquidos
Fluido
Gases
M del Carmen Maldonado Susano
Página 9
Presión
Es la cantidad escalar que representan la magnitud de la fuerza perpendicular (F) que
actúa en cada unidad de área (A) del recipiente que contienen un fluido o que un
fluido ejerce sobre el recipiente que lo contiene en este caso se debe considerar a la
presión como una propiedad intensiva de dicho fluido. Matemáticamente se puede
escribir.
P 
F
A
F: fuerza (N)
A: área ( m 2 )
Presión hidrostática
Es la presión ejercida sobre el fondo de un recipiente que contiene un líquido.
P 
P 
F
A
W
A
W  mg
P 
 
mg
A
m
V
m  V
P 
V g
A
M del Carmen Maldonado Susano
Página 10
V  Ah
P 
 Ah g
A
P   gh
Presión
Capacidad de un sistema para producir una fuerza normal contra una unidad de
superficie que lo delimita, se calcula entonces como:
P = F/A
Las unidades de la presión son [Kg/cm2]; [N/m2] (Pascales), [bares], [Lb/pulg2]
[psi], atmósferas [atm], [mm columna de mercurio].
M del Carmen Maldonado Susano
Página 11
Presión atmosférica
Es la fuerza que ejerce el peso de la columna de aire sobre una área unitaria en
un lugar determinado, es decir, la presión producida por la atmósfera de la
tierra.
La presión atmosférica a nivel del mar es de 760 mm columna de mercurio, 30
pulg. de mercurio, 14.7 psi, 1.01325 Bar.
Presión absoluta
Es presión real que se ejerce sobre un cuerpo.
Presión manométrica
Es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.
Cuando la presión absoluta es menor a la presión atmosférica, esta se conoce
como presión vacuométrica.
M del Carmen Maldonado Susano
Página 12
1.3
Concepto de temperatura empírica. Escalas de
temperatura de Celsius y de Kelvin. La ley cero de
la termodinámica.
Temperatura
Es una propiedad de la materia que nos indica la energía molecular de un
cuerpo.
Equilibrio térmico
La temperatura de un sistema es aquella propiedad que determina si se
encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas.
QA  QB  0
Cuando dos o más sistemas se encuentran en equilibrio térmico se díce que
tienen la misma temperatura.
Ley Cero de la Termodinámica
“Si A y B se encuentran en equilibrio térmico con un tercer grupo C
(termómetro), entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí”.
M del Carmen Maldonado Susano
Página 13
1.4
Concepto y unidad de medición de la energía en el
SI. Energías en transición: calor y trabajo.
Energía
Es la capacidad latente o aparente que poseen los cuerpos para producir
cambios en ellos mismos o en el medio que los rodea.
“La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”.
Calor
Es energía que fluye de un cuerpo a otro debido a que hay entre ellos una
diferencia de temperaturas.
Es la energía que se transfiere entre 2 cuerpos a diferentes temperaturas.
Ce 
dQ
m dT
T2
Q  m  Ce dT
T1
Q  m Ce (T2  T1 )
4186 Joule = 1 Kilocaloría
Capacidad calorífica
Las sustancias difieren una de las otras en la cantidad de calor que se
necesita para producir una elevación de temperatura dada a una masa
determinada.
La relación de la cantidad de calor Q aplicada a un cuerpo a su
correspondiente elevación de temperatura T , se llama capacidad calorífica
C del cuerpo.
C
Q
T
M del Carmen Maldonado Susano
Página 14
Capacidad calorífica específica o Calor específico
La capacidad calorífica de un cuerpo por unidad de masa llamada calor
específico es característica del material de que está compuesto el cuerpo.
Ce 
Q
m T
Por lo tanto, el calor específico Ce de un material a cualquier temperatura.
Ce 
dQ
m dT
La capacidad calorífica específica del agua es 4186
J
Kg K
ó
J
Kg C
Trabajo
Es una manifestación de la energía definida por el producto escalar de una
fuerza cuya componente está en la dirección del desplazamiento. Sus
condiciones son:
Debe existir una fuerza aplicada.
Debe actuar a lo largo de cierta distancia; es decir, debe existir
desplazamiento.
Esta fuerza debe actuar en alguna forma en dirección del
desplazamiento.
dW = -Fdx
M del Carmen Maldonado Susano
Página 15
Si una de las paredes es un pistón móvil de área A y éste se desplaza dx, el
intercambio de energía del sistema con el mundo exterior puede expresarse
como el trabajo realizado por la fuerza F a lo largo del desplazamiento dx.
dW = -Fdx = -PAdx = -PdV
Siendo dV el cambio del volumen del gas. El signo menos indica que si el sistema
realiza trabajo (incrementa su volumen) su energía interna disminuye, pero si se
realiza trabajo sobre el sistema (disminuye su volumen) su energía interna
aumenta. El trabajo total realizado cuando el sistema pasa del estado A cuyo
volumen es VA al estado B cuyo volumen es VB.
a
a
Wb  

Wb  

Wb  

a
b
F dl
a
b
PA dl
a
b
P dV
a
M del Carmen Maldonado Susano
Página 16
1.5
La energía como propiedad de la materia.
Energías cinética, potencial gravitatoria e interna.
Energía Potencial
Es aquella que depende exclusivamente de la posición del cuerpo en el
universo.
Ep  m g h
Energía Cinética
Es aquella que depende exclusivamente de la velocidad del cuerpo.
Ec 
1
mv2
2
Energía Interna
El calor perdido o ganado por un sistema depende no solamente del trabajo
efectuado por el sistema en sus estados inicial y final, sino también de los
estados intermedios; esto es, de la trayectoria o recorrido por el proceso.
Al cambiar el estado de un sistema del estado inicial al estado final, cantidad
Q  W depende sólo de las coordenadas iniciales y finales de la trayectoria
seguido entre estos 2 puntos extremos.
Llegamos a la conclusión de que hay una función de las coordenadas
termodinámicas cuyo valor final menos su valor inicial es igual al cambio
Q  W que ocurre en el proceso. A esta función le llamamos función de
energía interna.
U  U f  U i
U  Q  W
M del Carmen Maldonado Susano
Página 17
1ª. Ley de la Termodinámica
Todo sistema termodinámico en un estado de equilibrio posee una variable
de estado llamada la energía interna cuyo cambio dU está dado por
dU  d Q  dW
Donde es aplicable a todo proceso de la naturaleza en equilibrio.
M del Carmen Maldonado Susano
Página 18
Referencias
Apuntes de Física Experimental, Gabriel Jaramillo
Apuntes de la materia de Rigel Gámez
Apuntes de la materia de Manuel Vacio
Apuntes de la materia de Máquinas Térmicas
Libro de Física Universitaria, Sears Zemansky
M del Carmen Maldonado Susano
Página 19