1 Preparado por: Ing. Gustavo Adolfo Moreno Rodríguez Propiedades de la sustancia pura. 1.1 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. 1.2 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. 1.3 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:
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Propiedades de la sustancia pura....El estado de una sustancia está determinado por propiedades como la temperatura, la presión y la densidad. Cada una de las propiedades en un estado
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Preparado por: Ing. Gustavo Adolfo Moreno Rodríguez
Propiedades de la sustancia pura.
1.1 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.
1.2 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.
1.3 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:
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1.3.1 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).
1.3.2 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.
1.3.3 Sistema abierto o volumen de control.
Es aquel sistema capaz de intercambiar tanto energía como sustancia con el
medio que lo rodea.
1.4 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.
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1.5 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.
1.5.1 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.
1.5.2 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 cuando actúa
sobre ella una fuerza de 1 lb.
En Estados Unidos y otros países que aún usan unidades inglesas, es 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.
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1.6 Presión.
La presión se define como la razón entre la fuerza normal (perpendicular) que ejerce
una sustancia sobre una superficie y el área de esa superficie.
𝑝 =𝐹
𝐴 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.6 − 1
Donde: F = fuerza normal, A = área
Las unidades para la presión se indican en el cuadro siguiente:
Sistema Unidad Símbolo Observaciones
SI N/m2 = pascal Pa 1 kPa = 103 Pa (kilopascal)
1 MPa = 106 Pa (megapascal)
SU lb/pul2 Psi psi: pounds per square inch (libras
por pulgada cuadrada).
1.6.1 Variación de la presión con la altura.
Considere un líquido contenido en un recipiente. La presión en un punto situado a la
profundidad “h” está dada por
𝑃 = 𝑃𝑆 + 𝜌𝑔ℎ 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.6.1 − 1
Donde P = presión total que ejerce el líquido a la profundidad “h”, PS = presión en la
superficie del líquido, 𝜌 = densidad del líquido, h = distancia desde la superficie libre
del líquido hasta el punto considerado (profundidad) y g = 9.81 m/s2 = 32.2 pies/s2
(valor de la aceleración gravitacional a nivel del mar, a menos que se especifique otro
valor).
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Solución:
h = 90(sen 30˚) = 45 cm = 0.45 m
Presión en el fondo:
P = 𝜌𝑔ℎ = (1000)(9.81)(0.45) =
4414.5 Pa.
Figura 1.6.1-1: La presión en función de la profundidad.
Observe que la presión sólo depende de la profundidad y de la densidad del líquido,
no depende de la posición horizontal.
Ejemplo 1. Calcúlese la presión en el fondo de la probeta mostrada, si ésta
contiene agua.
Datos: 𝜌 = 1000 kg/m3, g = 9.81 m/s2
Recuerde que: 1 N = 1 (kg*m/s2) y 1 Pa = 1 N/m2
1.6.2 Presión absoluta.
La presión que ejercen líquidos y gases, es el resultado de la interacción de sus
moléculas componentes con las paredes del recipiente que los contiene. Si las
moléculas no estuvieran en movimiento, o no hubieran moléculas, no habría
presión y esta situación representaría el “cero absoluto” para la presión. Se
llama presión absoluta a la presión total con respecto a ese cero absoluto.
La presión en el punto A de la figura es:
𝑃𝐴 = 𝑃𝐵 + 𝜌𝑔ℎ
PB es la presión en la superficie del líquido y se toma
como cero si el recipiente está abierto a la atmósfera. El
segundo término del miembro derecho de la ecuación es
la presión que ejerce la columna de líquido en el punto A.
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1.6.3 Presión atmosférica.
La mezcla de gases (aire), que componen la atmósfera de la Tierra ejerce
presión sobre los cuerpos inmersos en ella. A esta presión se denomina
presión atmosférica (o barométrica), la cual se mide con un aparato llamado
barómetro (como el ilustrado en la Figura 1.6.3-1).
Con el barómetro la presión se mide en términos de columna de algún líquido,
generalmente mercurio. De este modo, la presión atmosférica se expresa en
“mm de mercurio” o “pulgadas de mercurio”, etc…
La presión atmosférica estándar (a nivel del mar), tiene los siguientes