UNIDAD 1

Unidad 1

Unidad 1

CONCEPTOS Y PROPIEDADES

CONCEPTOS Y PROPIEDADES

TERMODINÁMICAS

TERMODINÁMICAS

 ANTECEDENTES

 ANTECEDENTES

TERMODINÁMIC TERMODINÁMIC A A Se desarrolló Se desarrolló como una como una tecnología, tecnología, mucho antes mucho antes de de convertirse convertirse en ciencia. en ciencia. ¿Cómo poder ¿Cómo poder calcular la calcular la cantidad de cantidad de trabajo que se trabajo que se puede obtener al puede obtener al quemar una quemar una cantidad cantidad conocida de conocida de carbón u otro carbón u otro combustible? combustible?

 ANTECEDENTES

 ANTECEDENTES

TERMODINÁMIC TERMODINÁMIC A A Se desarrolló Se desarrolló como una como una tecnología, tecnología, mucho antes mucho antes de de convertirse convertirse en ciencia. en ciencia. ¿Cómo poder ¿Cómo poder calcular la calcular la cantidad de cantidad de trabajo que se trabajo que se puede obtener al puede obtener al quemar una quemar una cantidad cantidad conocida de conocida de carbón u otro carbón u otro combustible? combustible?

TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICA

Ciencia de la Energía Ciencia de la Energía Del griego: Del griego: θερμo

θερμo,, termotermo= calor= calor

δύναμις

δύναμις,, dínamisdínamis,= fuerza o movimiento,= fuerza o movimiento

Es una rama de la Física que estudia la relación

Es una rama de la Física que estudia la relación

que existe entre el calor y demás tipos de energía

que existe entre el calor y demás tipos de energía

externa e interna a un sistema, así como los

externa e interna a un sistema, así como los

cambios, a nivel macroscópico, en la temperatura,

cambios, a nivel macroscópico, en la temperatura,

presión, densidad, masa y volumen desde un

presión, densidad, masa y volumen desde un

estado inicial a otro estado final de equilibrio sin

estado inicial a otro estado final de equilibrio sin

considerar el tiempo que transcurre entre ellos.

 ANTECEDENTES

TERMODINÁMICA Nació como ciencia en el siglo XIX. Como una necesidad de describir el funcionamiento de las máquinas de vapor y de establecer límites a lo que éstas podían hacer. Forma parte,  junto con la mecánica y el electromagnetism o, del conjunto de leyes básicas de la física.

TERMODINÁMICA

Los principios que rigen la termodinámica son:

•  Permite definir la temperatura como una

propiedad. Principio cero:

• define el concepto de energía  como

magnitud conservativa. Primer principio:

• define la entropía  como medida de la

dirección de los procesos. Segundo principio:

• interpretación física de la entropía como

orden de los sistemas; se usa en termoquímica.

 APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA

Las aplicaciones de la termodinámica se pueden agrupar de la siguiente forma:

El estudio del rendimiento de reacciones energéticas. El estudio de la viabilidad de reacciones químicas. El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (dilataciones, contracciones y cambios de fase).

Establece rangos delimitados de los procesos posibles en función de leyes negativas.

 APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA

INGENIERO QUÍMICO Calcular los requerimient os de calor físicos y químicos Cálcular los requerimiento s de Trabajo para procesos físicos y químicos Determinar las condiciones de equilibrio para Determinar las condiciones de equilibrio para la transferencia de especies químicas entre fases

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

SISTEMA:

Porción del universo objeto de estudio. Región restringida, no necesariamente de volumen cte., ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía.

Todo sistema queda limitado por un contorno, fronteras o límites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios. También se llaman superficie de control. Es la parte del universo próxima al

sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

SISTEMA TERMODINÁMICO:

Es una parte de la materia que se aisla, mediante límites reales y ficticios, para su estudio.

Los sistemas termodinámicos pueden realizar intercambios de materia y energía con el entorno, éstos se clasifican en

* S. abierto,. * S. cerrado . * S. aislado.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

Es una región de masaconstante a través de sus límites sólo se permite la trasferencia de energía. Se denomina

masa de control.

Este sistema no puede transferir materia ni energía con el medio rodante. El universo en su totalidad se puede considerar como un sistema aislado. Es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente cte. Se denomina volumen de control; la superficie limitante, que por lo menos en parte debe ser

permeable o

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

ESTADO

TERMODINÁMICO:

•Es una condición del sistema definida por determinados

valores de sus coordenadas termodinámicas. ESTADO DE EQUILIBRIO:

•Un estado esta en equilibrio cuando no tiene tendencia

por si mismo para cambiar su estado y por tanto sus propiedades. Para comprobar si un sistema esta en equilibrio habrá que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por si solo. Existen diferentes tipos de equilibrios, mecánicos, térmicos, químicos, electrostático ó termodinámicos.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

EQUILIBRIO TÉRMICO:

Cuando la temperatura es uniforme en la totalidad del sistema y es la misma que la de su medio rodante (cuando sus paredes sean diatérmicas).

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

EQUILIBRIO QUÍMICO:

Cuando la composición química de un sistema permanece sin alteración, el sistema esta en equilibrio.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

EQUILIBRIO MECÁNICO:

La presión del sistema es la misma que la de los alrededores. El sistema no posee en su interior fuerza alguna no equilibrada y las que ejerce a través de sus fronteras se equilibran con las del exterior que actúan sobre él.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

EQUILIBRIO

ELECTROSTÁTICO:

Cuando no hay flujo de carga eléctrica a través de las paredes y su carga interna es constante.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO:

Si el sistema no tiene interacción con el medio, está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales, no hay flujo de energía, materia ni carga, etc., permaneciendo ellas y la composición constantes en el interior.

Cuando se produce una variación de una o varias de las propiedades del sistema, se dice que se da un CAMBIO DE ESTADO O PROCESO

Cuando un sistema no esta aislado, el equilibrio termodinámico se define con los alrededores del sistema.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

_F

A S E :

Cierta cantidad de materia, homogénea en composición química y estructura física. Puede estar compuesta de una sustancia pura o de

varios componentes. SUST

ANCI A

PURA :

Es un material formado por un solo constituyente, en oposición a la mezcla, es la que en el intervalo de propiedades estudiado, no se separa en sus componentes (aire en procesos físicos calentamiento, enfriamiento, compresión o expansión) No significa sustancia químicamente pura.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

SISTEMA HOMOGÉNEO:

•Es el sistema que contiene una

sola fase.

SISTEMA HETEROGÉNEO:

•Es el sistema que consta de dos

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

TIPOS DE LÍMITES DE LOS SISTEMAS:

• No pueden ser atravesados por el calor.

LÍMITES ADIABÁTICOS:

• Permiten la transferencia del calor.

LÍMITES DIATÉRMICOS:

• No permiten el cambio de volumen

LÍMITES RÍGIDOS:

• Cuando a través del sistema puede pasar cualquier

clase o sólo determinadas sustancias respectivamente.

LÍMITES PERMEABLES O SEMIPERMEABLES:

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROPIEDA D:

Cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de éste. Las propiedades de un sistema definen su estado. Se clasifican en:

*Propiedades internas. *Propiedades externas.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROPIEDADES INTERNAS (TERMODINÁMICAS):

•Son las que se relacionan con la

energía y definen su estado termodinámico. Son apropiadas para sistemas compresibles cerrados.

PROPIEDADES EXTERNAS (MECÁNICAS):

•Son para sistemas abiertos o cerrados

en movimiento Dependen del movimiento o de la posición del sistema en el campo gravitatorio. PROPIEDAD SÍMBOLO Masa m Presión P Temperatura T Volumen V Energía interna U PROPIEDAD SÍMBOLO Velocidad v  Altura z, L, h Energía cinética E_k Energía potencial E_p

FUNCIONES SÍMBOLO Presión P Volumen V Temperatura T Energía interna U Entalpía H Entropía S

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

FUNCIONES DE ESTADO:

Son las variables termodinámicas cuyo valor concreto depende más que del estado actual del sistema. Si el sistema evoluciona y pasa de un estado a otro, la variación de una función de estado sólo depende de los estados iniciales y finales y no de los caminos seguidos para realizar el cambio. Ejemplo:

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

Las funciones de estado (variables de estado, propiedades de estado ó variables termodinámicas) unas dependen de otras.

Las propiedades extensivas se convierten en intensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad). Estas propiedades se representan con letras minúsculas (excepto la temperatura T)

PROPIEDADES EXTENSIVAS:

•Dependen de la masa del

sistema. Ejemplo: Masa, Volumen y calor. Para designar estas propiedades, se utilizan letras mayúsculas (excepto la masa m).

PROPIEDADES INTENSIVAS:

•Son independientes del tamaño,

masa o magnitud del sistema. Tienen que ver con la estructura química interna de la materia. Por ejemplo: densidad, la presión, temperatura, viscosidad y altura.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO:

Un sistema experimenta un proceso, cuando se verifica un cambio de estado. El cambio de estado puede conseguirse por distintos procesos.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO CÍCLICO:

Cuando el sistema a través de una serie de cambios de estado, finalmente vuelve a su estado inicial.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO

CUASIESTÁTICO:

 Aquel proceso cuyos estados intermedios son todos de equilibrio. Este proceso no existe, es ideal o teórico.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO NO ESTÁTICO:

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO REVERSIBLE:

• Este proceso es cuasiestático,

que puede ser llevado al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios que el proceso directo, y sin que al final, ni en el sistema ni en el medio rodante, quede ningún efecto residual que pueda revelar que se ha verificado el proceso. No puede haber rozamientos ni deformaciones, no habrá degradación de la energía y por ello ninguna generación o producción de entropía.

PROCESO IRREVERSIBLE:

• Son los procesos reales. En ellos

siempre hay degradación de energía y generación de entropía

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

En base al flujo los procesos se clasifican: * Proceso de flujo estable.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO DE FLUJO ESTABLE:

• La masa del fluido dentro del volumen de control permanece cte. es decir la masa que entra está exactamente compensada por la masa que sale de tal manera que no hay acumulación de masa dentro del volumen de control. • El estado de la masa en cada punto de

volumen de control es estacionario, es decir no varia con el tiempo.

• La energía transferida en los contornos del volumen de control, tanto en la forma de transferencia de calor como de trabajo se hace a una rata cte.

PROCESO DE FLUJO TRANSITORIO: • El estado de la masa dentro del

volumen de control puede variar con el tiempo pero en cualquier instante el estado es uniforme a través de todo el volumen de control.

• El estado de la masa que cruza cada una de las áreas de flujo sobre la superficie de control es constante con el tiempo.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

PROCESO

TERMODINÁMICO:

Es el cambio de un estado a otro que ocurre a un sistema termodinámico. Un cambio de estado ocurre cuando una o más variables termodinámicas cambian sus valores. Ejemplo de procesos isotérmicos, isobáricos, isocóricos, adiabáticos.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

TRAYECTORIA DE UN PROCESO: Una serie de estados intermedios a través de loa cuales se lleva al sistema del estado inicial al final.

PROCESO ISOTÉRMICO •Proceso en el que la temperatura permanece constante T=cte. (mediante paredes diatérmicas) PROCESO ISOCÓRICO •Proceso en el que el volumen permanece constante V=cte. (mediante paredes rígidas) PROCESO ISOBÁRICO •Proceso en el que la presión permanece constante P=cte. (mediante paredes móviles, V y T variables) PROCESO ADIABÁTICO • Proceso en el que nada  permanece constante

SISTEMA DE UNIDADES

DIMENSIONES: son nombres que caracterizan alas magnitudes físicas.

MAGNITUD FÍSICA SIMBOLO

Masa m Longitud L Tiempo t Temperatura T Corriente eléctrica I Intensidad lumínica Iv Cantidad de sustancia mol

SISTEMA DE UNIDADES

UNIDADES: son las magnitudes y nombres arbitrarios asignados a las dimensiones adoptadas como estándares de medida.

MAGNITUD FÍSICA UNIDAD

Masa kilogramo

Longitud metro

Tiempo segundo

Temperatura kelvin Corriente eléctrica amperio Intensidad lumínica candela Cantidad de sustancia mol

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMAS DE UNIDADES: En los trabajos científicos, el Sistema de unidades empleado es el Internacional (SI, Systeme International). Otro de los Sistemas de unidades importante empleado por los EU, es el sistema ingles (USCS, United States Customary System).

MAGNITUD FÍSICA

SI USCS

UNIDAD SÍMBOLO UNIDAD SIMBOLO

Masa Kilogramo kg Libra masa Lb_m

Longitud Metro m Pie ft

Tiempo Segundo s Segundo s

Temperatura Kelvin °K Rankie °R

Fuerza Newton N Libra

fuerza

SISTEMA DE UNIDADES

PREFIJOS DEL SISTEMA INTERNACIONAL: Los múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI están indicados por prefijos.

MULTIPLO PREFIJO SIMBOLO

10-9 _{nano n} 10-6 _{micro µ} 10-3 _{mili m} 10-2 _{centi c} 103 _{kilo k} 106 _{mega M} 109 _{giga G}

SISTEMA DE UNIDADES

FACTORES DE CONVERSIÓN: Son los que se utilizan para homogenizar las unidades y magnitudes en los cálculos numéricos.

Por ejemplo: LONGITUD: pies, millas, cm

Estas unidades pueden relacionarse unas con otras mediante factores de conversión de unidades:

12 in =1 60 s =1

SISTEMA DE UNIDADES

MAGNITUDES EXTENSIVAS (dependen de la masa del sistema) ejemplo: Volumen (V), Energía (E) ó Area (A), se expresan con mayúsculas. La masa (m) y el número de moles (N)

MAGNITUDES INTENSIVAS ESPECÍFICAS (independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema), ejemplo: volumen específico (v ≡ V/m), densidad (ρ ≡ m/V) ó

energía interna específica (u ≡ U/m), se expresan con minúsculas. Las magnitudes

intensivas puras Presión (P) y Temperatura (T) se escriben con mayúsculas.

MAGNITUDES INTENSIVAS MOLARES, ejemplo: volumen molar (v ≡  V/N),

densidad molar (ρ ≡ N/V) o energía interna molar (u ≡  U/N), se emplean con

SISTEMA DE UNIDADES

MASA (m):

Definición: cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una magnitud escalar.

SI ≡ kg USCS ≡ lb_m

La masa del cuerpo no varia aunque estemos en distintos lugares tales como la Tierra o la Luna.

SISTEMA DE UNIDADES

PESO (W):

Definición: Es la fuerza que ejerce un cuerpo sobre un punto de apoyo, originada por la acción del campo gravitatorio local sobre la masa del cuerpo. Es una magnitud vectorial. La tierra, que tiene una masa muy grande, ejerce una fuerza sobre los objetos y los atrae. El peso mide esa fuerza que es proporcional a la masa que tenga el cuerpo. Cuanto más masa más pesa.

Cuando se dice que un cuerpo pesa una cantidad determinada, esto significa que es la fuerza con que el cuerpo es atraído hacia otro cuerpo (tierra, luna).

La aceleración de la gravedad estándar en la tierra a nivel del mar y 45° latitud es: SI g=9.807 m/s2

USCS g= 32 ft/s2

El peso de un cuerpo no es el mismo en la Tierra que en la Luna porque la Luna es más pequeña que la tierra y tiene menos masa y la fuerza con la que atrae a los cuerpos es menor.

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

VOLUMEN VOLUMEN (V): (V):

Definición: Es el espacio que

Definición: Es el espacio que ocupa una sustancia.ocupa una sustancia.

SI

SI ≡≡ m m33

USCS

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

DENSIDAD (

DENSIDAD (ρρ):):

Definición: Es la

Definición: Es la masamasa por unidad de volumen de una sust por unidad de volumen de una sustancia.ancia.

ρ ρ= m/V= m/V SI SI ≡≡kg/mkg/m33 USCS USCS≡≡ lb/ft lb/ft33 Picnómetro Picnómetro

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

PESO ESPECÍFICO PESO ESPECÍFICO ( (ᵞᵞ):):

Definición: Es la relación entre el

Definición: Es la relación entre el pesopeso  de una sustancia y su  de una sustancia y su

volumen. volumen. ᵞ ᵞ = = W = mg W = mg == ρρ gg V V VV SI ≡ N/m SI ≡ N/m33 g= aceleración g= aceleración local local

SISTEMA DE UNIDADES

DENSID AD

RELATIV A (ρ):

Definición: Es el cociente entre la densidad de la sustancia y la densidad de la sustancia de referencia ( agua a una temperatura dada, 4°C y 1 atm.) ρ_agua SI

= 1 g/cm3

USCS = 62.4 lb/ft3

Densidad relativa=ρ /ρ_agua

adimensional

SISTEMA DE UNIDADES

VOLUMEN ESPECÍFICO (v):

Definición: Es el volumen por unidad de masa (es el inverso de la densidad).

v = V/m = 1/ρ

SI ≡ m3/kg, cm3/g, m3/kmol

SISTEMA DE UNIDADES

VOLUMEN MOLAR (V_m):

Definición: Es el volumen que ocupa un mol de cualquier gas en condiciones normales de temperatura y presión y equivale a 22.4 litros.

El volumen molar contiene el número de Avogadro de moléculas del gas. Así, tomando como ejemplo al oxígeno:

1 mol de O₂= 32 g. = 22.4 litros en CN = 6.023 X 10 23_{moléculas de O} 2

SISTEMA DE UNIDADES

VOLUMEN MOLAR (V_m):

Ejemplo: ¿Qué volumen ocuparán 8 g de oxígeno en C.N.?

Si sabemos que el volumen que ocupa un mol de oxígeno en C.N. es 22.4 litros y que el peso molar del oxígeno es 32 g entonces nuestra relación queda:

32 g/mol → 22.4 l/mol

8 g → x

Despejando la incógnita:

X = __8 g x 22.4 l/mol X = 5.6 litros de O₂ 32 g/mol

SISTEMA DE UNIDADES

VOLUMEN MOLAR (V_m):

Ejemplo: Calcular el peso de 3 litros del gas amoníaco en C.N.

Si el peso molar del NH₃es 17 g y utilizando el valor del volumen molar

22.4 l/mol → 17 g/ mol

3 litros → X

SISTEMA DE UNIDADES

FUERZA (F):

Definición: Es una magnitud vectorial que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas.De la segunda ley de Newton, es el producto de la masa y la aceleración

F= m a

SISTEMA DE UNIDADES

g_c= 32.174( lb_m )(ft) (lb_f )-1_{( s)}-2

Lb_f = 4.4482216N

Lb_f  y lb_m son diferentes y no se cancelan en una ecuación, se debe FUERZA (F):

En el sistema ingles, la unidad de la fuerza se considera como una unidad independiente lb_f .

La lb_f  se define como la fuerza que acelera una libra masa 32.174 ft/s. Por lo que la ley de Newton debe incluir una cte. de proporcionalidad dimensional g_c.

F= 1 m a

SISTEMA DE UNIDADES

El peso de un trozo de metal es 100 N en un lugar donde la aceleración local de la gravedad g es 9.6 m/s2_{. Obténgase:}

a).- la masa del metal en kilogramos.

b).- el peso del metal sobre la superficie de la luna donde g= 1.67 m/s2

Datos: En la figura se muestra un trozo de metal bajo dos condiciones gravitatorias.

Incógnitas: a) masa de la tierra (kg) b) peso en la luna en (N) Análisis:

a).- El sistema de unida de SI esta basado en la segunda ley de Newton. Como el peso (W) es una fuerza y en este caso a=g, la segunda ley se escribe W=mg, despejando m= W = 100 N = 10.42 N s2 _{; como N= kg m} g 9.81 m/s2 _m 2 m=? g= 9.6 m/s2 Peso= 100 N

SISTEMA DE UNIDADES

b).- La masa de un trozo de metal seguirá siendo la misma independientemente de su localización.

El peso variará, al variar la aceleración de la gravedad.

Igualando el peso a la fuerza en la superficie de la luna se tiene:

Peso= F_luna= mg= (10.42 kg ) (1.67 m); como N= kg m = 17.4 N

s2 _s2

Comentario: Aunque la masa es la misma en ambos lugares, el peso resulta bastante diferente.

m=10.42 kg

g= 1.67 m/s2

SISTEMA DE UNIDADES

Ejemplo: Un astronauta pesa 730 N en Houston Texas donde la aceleración local de la gravedad es g= 9.792ms-2_.

SISTEMA DE UNIDADES

Ejemplo: El peso de un trozo de metal es 220.5 lb_f en un lugar donde la aceleración local de la gravedad g es 30.5 ft/s2_{. Obténgase:}

a).- La masa del metal en lb_m

b).- El peso del metal sobre la superficie de la luna, donde g= 5.48 ft/s2

Solución.

Datos: En la figura se muestra un trozo de metal bajo dos condiciones gravitatorias. Incógnitas: a) masa en la tierra en lb_m

b) peso en la luna en lb_f

Análisis: El análisis de un sistema en un campo gravitatorio se basa en la segunda ley de newton F=ma. En este caso la segunda ley se escribe como W= mg, puesto que el peso F= W y a=g. Por tanto

m= W/g= 220.5 lb_f/(30.5 ft/s2_{) =( 7.23 lb}

fs2/ft)(32.174 lbm ft/lbf s2)= 232.6 lbm

Donde se ha utilizado el factor de conversión de unidades entre la lb_f  y la lb_m

b).- La masa de un trozo de metal seguirá siendo la misma independientemente de su localización. El peso variará, sin embargo, al variar la aceleración de la gravedad. Igualando el peso a la fuerza en la superficie de la luna, se tiene:

Peso= F_luna = mg = (232.6 lb_m) (5.48 ft/s2)/(32.174 lb_mft)(lb_fs2) = 39.6 lb_f

Donde de nuevo se ha utilizado el factor de conversión de unidades entre la libra fuerza y la libra masa. m=? m=30.5 ft/s2 Peso=220.5 lb_f m=232.6 lbm g=35.48 ft/s2 Peso =?

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN (P):

Definición: Es la fuerza normal ejercida por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie. Es una magnitud escalar.

P = F = m a  A A

SI N/m2_{= Pa, al ser una unidad muy pequeña, también se usa el kPa ó}

MPa

USCS lb_f /in2_{= psi, atm}

1lb_f = 32.174 lb_mft/s

El instrumento que proporciona esta medición directa es el manómetro de peso muerto. ≡ m= masa a=g=aceleración de la gravedad  A= Área ≡

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN (P):

El pistón se ajusta de manera cuidadosa en el cilindro, de modo que el juego sea muy pequeño. A continuación se ponen pesos en la bandeja hasta que la presión del aceite, la cual tiende a hacer que se levante el pistón, quede equilibrada por la fuerza de la gravedad sobre el pistón y todo lo que éste soporta.

≡ ≡

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN (P):

En los manómetros, la presión se expresa como la altura equivalente de una columna de fluido. La conversión de la altura a fuerza por unidad de área, se desprende de la Ley de Newton aplicada a la fuerza de gravedad que actúa sobre la masa de fluido en la columna, en donde la masa es: m= Ahρ

P = F = mg = Ahρg = hρg

 A A A

 A= área de sección transversal de la columna

h= Altura

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN (P)

En el caso de un gas, la presión es el resultado de los impactos de las moléculas del gas contra la pared. Como las moléculas se mueven en todas direcciones, la presión es la misma con independencia de la orientación de la pared donde se mide.

≡

Manómetro para la medida de presiones.

Los puntos 1 y 2 están a la misma presión

P_gas= P₁=P₂=P_atm + ρgL

ρ= densidad del líquido del manómetro

g = aceleración de la gravedad (9.83 m/s2₎

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN (P)

En el caso de líquidos, la presión se debe a la fuerza de la gravedad (peso) del líquido: se denomina presión hidrostática. La presión en el punto 2 será la presión atmosférica (P_{0 )}más la fuerza ejercida por el peso de la columna de líquido, por unidad de área:

≡ P₂= P₀ + F =P₀ + mg =P₀ + ρVg = P₀ + ρgL  A A A Presión hidrostática, P.

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN (P):

La variación de la presión con la altura es mucho mayor en líquidos que en gases ≡  AGU  A  AIRE  ΔZ= 10 ft P= 1 atm _{P= 1 atm} P= 1.0012 atm P= 1.966 atm

SISTEMA DE UNIDADES

CLASIFICACIÓN DE LA PRESIÓN: a).- Presión absoluta.

b).- Presión atmosférica.

SISTEMA DE UNIDADES

a).- PRESIÓN ABSOLUTA (P) : Es la presión de un fluido medido al vacio perfecto o cero absoluto.

Presión absoluta= Presión manométrica + Presión barométrica (atmosférica).

0 absoluto P absoluta

EN LOS CÁLCULOS TERMODINÁMICOS DEBEN EMPLEARSE PRESIONES ABSOLUTAS.

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN ATMOSFÉRICA (barométrica): Es la fuerza que ejerce el aire sobre cierto punto de la superficie terrestre, depende de su altura sobre el nivel del mar, debido a que cuanto más alto esté el punto, tanto menor será la presión, ya que también es menor la cantidad de aire que hay por encima. Tomando como referencia el nivel del mar, P_atmosférica= 1 atm. Se mide con un barómetro.

0 absoluto ≡ ≡ P. Atmosférica 0 BARÓMETRO

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN ATMOSFÉRICA:

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN MANOMÉTRICA O RELATIVA (P_man)= Es la presión que ejerce un medio distinto al de la presión atmosférica. Toma como base la presión atmosférica. Se mide con un manómetro.

Presión manométrica=Presión absoluta _– Presión atmosférica Normalmente son superiores a la atmosférica.

ρgL; como L puede ser negativa entonces la presión puede ser negativa.

VACIO: Se refiere a presiones manométricas menores que la 0 absoluto ≡ P. vacio P. Atmosférica 0 P manométrica VACUÓMETRO BARÓMETRO MANÓMETRO

La presión máxima de vacio puede ser 1 atm

SISTEMA DE UNIDADES

PRESIÓN MANOMÉTRICA O RELATIVA:

≡ _{La presión del gas es}

MAYOR que la presión atmosférica. P_gas = P_h+ P_atm La presión del gas es

MENOR que la presión atmosférica.

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

Ejemplo: Para medir la presión de un depósito se emplea un manómetro. El líquido manométrico es un aceite de densidad relativa 0.87 y la altura del líquido h=45.2 cm. Si la presión barométrica es 98.4 kPa, determínese la presión absoluta en el depósito en kilopascales y atmósferas si g= 9.79 m/s2

P₂= 98.4 kPa g= 9.79 m/s2 Densidad relativa =0.87 Siste ma gaseo soP_kPa1=? 45.2 cm

Análisis: El sistema es el gas del interior del depósito. La presión absoluta dentro del depósito es

De la ecuación de la presión hidrostática P=h ρ g , entonces la presión absoluta

P_gas= P_atm + ρgL,

la densidad relativa=Pabs= 98.4kPa + (870kg/mρ/ ρ_agua por lo que la densidad del aceite =870 kg/m3 3_)(9.8m/s2_)(0.452m)(Ns2_{/kgm)(1kPa/10}3_N/m2₎

= (98.4 + 3.8) kPa = 102.2 kpa

SISTEMA DE UNIDADES

Ejemplo: En un barómetro se lee a).- 735 mmHg y b).- 28.9 inHg a temperatura ambiente. Determínese la presión atmosférica (barométrica) del aparato a en mbar y del aparato b en lb_f /in2 _(psia).

a).- 980 mbar b).-14.30 lb_f /in2

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

ENERGÍA (E):

Definición: Capacidad de un sistema para producir trabajo.

Es una función de estado (sólo depende del estado inicial y final). Es extensiva ( depende de la masa del sistema) Unidad de medida Joul.

SISTEMA DE UNIDADES

 Al ocurrir la transformación en el sistema, la cantidad de energía existente varía, ésta se produce por el intercambio entre el sistema y el entorno, y puede ocurrir en forma de calor o trabajo.

La unidad más conocida es la caloría (cal). Corresponde a la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 °C. Como es una cantidad muy pequeña se utilizan kilocalorías (kcal). En reacciones químicas es común el kilojoul (kJ). La equivalencia:

1cal= 4.184 J 1kcal= 4.184 kJ

SISTEMA DE UNIDADES

En química los tipos de energía más utilizadas son: Ec, Ep y U.

ENERGÍA CINÉTICA (E_c): Es la energía que posee un cuerpo en movimiento y está determinada por la velocidad que tenga este y su masa. • E_c= ½ mv2 • SI ≡ kgm2s-2; como 1N= kgms-2 • ≡ Nm= J • USCS E_c=(½) mv2/g_c en donde g_c= 32.174 (lb_m)(ft)(lbf)-1(s)2 • ≡ ftlb_f

• Se agrega g_c para lograr la consistencia dimensional.

m= masa v= velocidad

SISTEMA DE UNIDADES

ENERGÍA POTENCIAL (E_p):

Definición: Es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuraciones.

E_p= mgh

SI ≡ kgm2s-2; como 1N = kgms-2 SI ≡ Nm= J

USCS Ep=mgh/g_cen donde g_c= 32.174 (lb_m)(ft)(lbf)-1_(s)2

≡ ftlb_f

Se agrega g_c para lograr la consistencia dimensional.

m= masa g= gravedad h= altura a la que se

encuentra desde un centro de referencia

SISTEMA DE UNIDADES

Si un cuerpo recibe cierta energía al elevarlo, entonces el cuerpo debe conservarla o retenerla hasta que lleve a cabo el trabajo que es capaz de hacer.

Un cuerpo elevado, al cual se le permite caer libremente, debe ganar en energía cinética lo que pierde en energía potencial, de modo que su

capacidad para hacer trabajo permanezca sin cambio. Para un cuerpo en caída libre:

 ΔE_c + ΔE_p =0

 ΔE_c= E_c2- E_c1  ΔE_p= E_p2- E_p1

SISTEMA DE UNIDADES

ENERGÍA INTERNA (U):

Cualquier sistema químico a presión y temperatura determinada, posee una cantidad de energía almacenada en su interior debido a su composición, llamada energía interna (U),la cual es característica del estado en el que se encuentra un sistema químico, y que equivale a la totalidad de la energía cinética y potencial de las partículas que la constituyen.

Definición: La suma de energías individuales (cinéticas y potenciales) de todas las partículas (sean moléculas, átomos o iones)

 A la energía interna contribuyen diversas formas de energía: E. traslación, E. rotación, E. vibración, E. electrónica, E. nuclear e interacciones moleculares.

SISTEMA DE UNIDADES

Cuando se calienta agua, por el efecto de aumento de la temperatura, las moléculas se trasladan de un punto a otro, rotan y vibran con mayor

intensidad, pero disminuyen las interacciones moleculares.

LA ENERGÍA INTERNA DEPENDE DE LA TEMPERATURA Y DE LA

MASA del material, es una función de estado, ante cualquier modificación, la magnitud depende del valor inicial y final.

SISTEMAS DE UNIDADES

TRABAJO (W):

Definición: Cada vez que una fuerza actúa a lo largo de una distancia, se realiza trabajo.

Cuando se integra la expresión ,se tiene un proceso finito.

El trabajo se considera POSITIVO cuando el desplazamiento esta en la misma dirección de la fuerza aplicada.

El trabajo se considera NEGATIVO cuando el desplazamiento y la fuerza aplicada tienen direcciones opuestas.

dW= Fdl

= uerza dl= línea de desplazamiento.

SISTEMA DE UNIDADES

En termodinámica es frecuente encontrar el trabajo que acompaña al cambio de volumen de un fluido. Considerando la compresión o expansión de un fluido en un cilindro provocada por el movimiento del pistón.

dW= -PAdV/A; como A es cte. dW= -PdV; integrando W= - ʃ  V1 V2 PdV La fuerza: ejercida

por el pistón sobre el fluido es igual al producto del área del pistón y la presión del fluido.

El desplazamiento del pistón: es igual al cambio em el volumen del fluido dividido entre el

SISTEMA DE UNIDADES

W= - ʃ 

V1 V2

PdV

En estas ecuaciones el signo (-) se incluye para que éstas cumplan com la convención del signo adoptada por el trabajo.

Cuando el pistón se mueve dentro del cilindro comprimiendo el fluido, la fuerza aplicada y su desplazamiento están en la misma dirección, por lo tanto el TRABAJO ES POSITIVO. El signo (-) es necesario debido a que el cambio en el volumen es (-). Para um proceso de expansión, la fuerza aplicada y su desplazamiento tienen direcciones opuestas. El cambio de volumen es positivo y se requiere del signo (-) para hacer que el trabajo sea (-).

SISTEMA DE UNIDADES

Para el siguiente sistema: En el cual se encierra un gas en un recipiente, este puede realizar trabajo sobre el entorno al expandirse y desplazarse el pistón. Esto ocurrirá si la presión del gas es mayor que la presión exterior. La expansión seguirá hasta que ambas presiones se igualen.

SISTEMA TRABAJO ENERGÍA

INTERNA

CALOR En contra de las

fuerzas

Negativo (-) Disminuye --- A favor de las

fuerzas

Positivo (+) Aumenta ---Libera calor --- Disminuye Negativo (-)  Absorbe calor --- Aumenta Positivo (+)

SISTEMA DE UNIDADES

Cada vez que un sistema se expande, su trabajo es negativo para el sistema.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

Ejemplo

Ejemplo

SISTEMA DE UNIDADES

SISTEMA DE UNIDADES

Ejemplo

Ejemplo

SISTEMA DE

SISTEMA DE

 UNIDADES

 UNIDADES

CALOR (Q):

CALOR (Q):

Definición: Es la transferencia de energía que se produce de un sistema a otro como

Definición: Es la transferencia de energía que se produce de un sistema a otro como

consecuencia de una diferencia de temperatura. El calor fluye desde el cuerpo de mayor

consecuencia de una diferencia de temperatura. El calor fluye desde el cuerpo de mayor

temperatura al de menor temperatura hasta que ambos se igualan, es decir que llegan a

temperatura al de menor temperatura hasta que ambos se igualan, es decir que llegan a

equilibrio térmico. La unidad de medida es calorías o

equilibrio térmico. La unidad de medida es calorías o Joul.Joul.

El calor no es

El calor no es una propiedad de los cuerpos, es energía en tránsito. Los cuerpos nouna propiedad de los cuerpos, es energía en tránsito. Los cuerpos no

poseen calor.

SISTEMA DE UNIDADES

El calor puede transmitirse por:

* Conducción (El calor fluye desde el objeto más caliente hasta el más frio, hasta que los objetos alcanzan las misma temperatura),

* Convección  (se da en líquidos y gases, se da cuando áreas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido frio)

* Radiación  (transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor).

 Al calor se le asigna valor positivo, si la energía fluye desde el entorno al sistema. (Q>0 y W>0)

 Al calor se le asigna un valor matemático negativo  si la energía fluye desde el sistema hacia el entorno. (Q<0 y W<0)

SISTEMA DE UNIDADES

CAPACIDAD CALORÍFICA: Es la cantidad de flujo de calor necesario para elevar la temperatura 1 °C. mientras mayor sea la masa de la sustancia, se requiere más calor para producir el calentamiento.

CALOR ESPECÍFICO (c): se expresa por gramo de sustancia.

c= qm∆T

CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR (C): se expresa por mol de sustancia

q= calor transferido m= masa de las sustancia

∆T = cambio de temperatura (T_final

SISTEMA DE UNIDADES

_TEM

PER ATU RA:

Es una magnitud escalar que se mide con termómetros, esta relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Es la propiedad que determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Es una propiedad termodinámica que determina si un sistema se encuentra en equilibrio térmico con otros sistemas

Para la escala Celsius:

Es 0: en el punto del hielo fundente (punto de congelación del agua saturada con aire a presión atmosférica estándar).

Es 100: en el punto de vapor (punto de ebullición del agua pura a presión atmosférica estándar) .

SISTEMA DE UNIDADES

ESCALAS DE

TEMPERATURA:

La escala de temperatura absoluta en el SI es el la escala Kelvin T(°C)=T(°K) -273.15 USCS≡ °R, °F T(°R) = 1.87(°K) T(°F)= T(°R) - 459.67 T(°F)= 1.87(°C) +32

SISTEMA DE UNIDADES

Si ponemos en contacto un cuerpo caliente con otro frio, la experiencia nos dice que el primero se enfría y el segundo se calienta, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura.

Esto es debido a una transferencia de energía del cuerpo caliente al frio en forma de calor .