CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1.1
TERMODINÁMICA Y ENERGÍA
La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. La energía se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El término de termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía. La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica. La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía. La primera y la segunda leyes de la termodinámica surgieron de manera simultánea a partir de 1850, principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin. ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TERMODINÁMICA En la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interacción entre la energía y la materia; por consiguiente, es difícil imaginar un área que no se relacione de alguna manera con la termodinámica. Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida. 1.2
IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNNIDADES
Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energía E y volumen V se expresan en términos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas. HOMOGENEIDAD DIMENSIONAL En ingeniería, las ecuaciones son deben ser dimensionalmente homogéneas. Es decir, cada término de una ecuación debe tener la misma unidad. Si se suman dos cantidades que tiene unidades distintas, es una indicación clara de un error. Es importante recordar que una fórmula que no es dimensionalmente homogénea es definitivamente errónea, pero una fórmula con homogeneidad dimensional no necesariamente es correcta.
RELACIONES DE CONVERSIÓN DE UNIDADES Todas las unidades no primarias (unidades secundarias) se forman a través de combinaciones de unidades primarias. Las relaciones de conversión de unidades son iguales a 1 y no tienen unidades, por lo tanto , tales relaciones se pueden insertar de forma conveniente en cualquier cálculo para convertir unidades de manera adecuada. 1.3 SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera. Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos. Un sistema cerrado consta de una cantidad fija de masa y ninguna puede cruzar su frontera, es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado. Un sistema abierto, es una región elegida apropiadamente en el espacio. Tanto la energía como la masa pueden cruzar la frontera de un volumen de control. Un sistema aislado, en éste no cruza masa ni energía. 1.4
PROPIEDADES DE UN SISTEMA
Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Se considera que las propiedades son intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presión y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema. La masa total, volumen total y cantidad de movimiento total son algunos ejemplos de propiedades extensivas. 1.5
DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA
La densidad se define como la masa por unidad de volumen Densidad
ρ=
m V
El recíproco de la densidad es el volumen específico v, que se define como el volumen por unidad de masa. Volumen específico
v=
V m
Algunas veces la densidad de una sustancia se da como relativa a la densidad de una sustancia bien conocida. Entonces, se llama gravedad específica o densidad relativa. Densidad Relativa 1.6
SG=
ρ ρH 2O
ESTADO Y EQUILIBRIO
En un sistema que no experimenta ningún cambio, todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema, lo cual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condición o el estado del sistema. En un estado especifico, todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos, e incluso si cambia el valor de una propiedad, el estado cambia a otro diferente. En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus alrededores. Hay muchos tipos de equilibrio y un sistema no ésta en equilibrio termodinámico a menos que se satisfagan las condiciones de todos los tipos necesarios de equilibrio. Los tipos de equilibrio son equilibrio térmico, equilibrio mecánico y equilibrio químico. 1.7
PROCESOS Y CICLOS
Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es un proceso, y la serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso. Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, estamos ante un proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio. El prefijo –iso se usa con frecuencia para designar un proceso en la que una propiedad particular permanece constante. Por ejemplo, un proceso isotérmico, es aquel durante el cual la temperatura T permanece constante; un proceso isobárico es en el que la presión P se mantiene constante, y un proceso isocórico es aquel donde el volumen especifico V permanece constante. Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su estado inicial al final del proceso. PROCESO DE FLUJO ESTACIONARIO En ingeniería, un gran número de dispositivos operan por largos periodos bajo las mismas condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo estacionario. Los procesos en los que utilizan tales dispositivos se pueden presentar razonablemente bien mediante un proceso un poco idealizado, llamado proceso de flujo estacionario, que es posible definir como un
proceso durante el cual un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control. 1.8
TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA
La temperatura definida como una medida del “calor” y “frío”, aunque no es fácil ofrecer una definición exacta de este concepto. Con base en nuestras sensaciones fisiológicas, se expresa el nivel de temperatura de modo cualitativo con palabras frío congelante, frío tibio, caliente y al rojo vivo. Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que está a una temperatura diferente, el calor se transfiere del que ésta caliente al frio hasta que ambos alcancen la misma temperatura, en este punto se detiene la transferencia de calor y se dice que los cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.} ESCALAS DE TEMPERATURA Las escalas de temperatura usadas actualmente en el SI y en el sistema inglés son la escala Celsius y la escala Fahrenheit. 1.9 PRESIÓN La presión se define como una fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Tiene como unidad los newtons por metro cuadrado (N/m 2), también conocida como Pascal (Pa). La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta, y se mide respecto al vacío absoluto. Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibra a cero en la atmosfera, por lo que indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local; esta diferencia es la presión manométrica. Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas positivas y se relacionan mediante PMANOMÉTRICA = PABS - PATM PVACIO = PATM - PABS 1.10 MANÓMETRO Un manómetro se usa para medir diferencias de presiones pequeñas y moderadas. Un manómetro consta de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno o más fluidos como mercurio, agua, alcohol o aceite. 1.11 BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA La presión atmosférica se mide mediante un dispositivo conocido como barómetro; así, la presión atmosférica se denomina por lo común presión barométrica.
1.12 TÉCNICA PARA RESOLVER PROBLEMAS Cuando haya que resolver un problema, se recomienda usar los pasos siguientes según sea pertinente, ya que esto ayudará a evitar algunas de las más comunes dificultades que suelen presentarse. PASO 1: ENUNCIADO DEL PROBLEMA PASO 2: ESQUEMA PASO 3: SUPOSICIONES Y APROXIMACIONES PASO 4: LEYES FISICAS PASO 5: PROPIEDADES PASO 6: CÁLCULOS PASO 7: RAZONAMIENTO, COMPROBACIÓN Y ANÁLISIS
CAPÍTULO 2
ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y ANÁLISIS GENERAL DE ENERGÍA 2-1 INTRODUCCIÓN El principio de conservación de la energía expresado por la primera ley de la termodinámica es un concepto con el que se está familiarizado y siempre se hace hincapié en que durante el proceso, la energía no se crea ni se destruye, sólo cambia de una forma a otra. Esto parece bastante simple, pero sería necesario verificar qué tanto se comprende en realidad este principio. 2-2 FORMAS DE ENERGÍA La suma de todas las formas de energía de un sistema se llama energía total, que costa de energías interna, cinética y potencial para sistemas simples compresibles. La energía interna representa la energía molecular de un sistema y puede existir en las formas sensible, latente y química y nuclear. El flujo másico se define como la cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo, y se relaciona con el flujo volumétrico, el cual es el volumen de un fluido que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo. m = Pv = pAtVpromedio La tasa de flujo de energía relacionado con un fluido que fluye en m es E=me La energía mecánica se define como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal. 2-3 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR CALOR La energía puede cruzar fronteras de un sistema cerrado en la forma de calor o trabajo. Para volúmenes de control, la energía también puede transportarse mediante la masa. Si la transferencia de energía se debe a una diferencia de temperatura entre un sistema cerrado y sus alrededores, es calor, de lo contrario es trabajo.
2-4 TRANSFERENCIA DE ENERGÍA POR TRABAJO El trabajo es la energía transferida cuando una fuerza actúa sobre un sistema a lo largo de una distancia. Existen varias formas de trabajo: TRABAJO ELÉCTRICO TRABAJO DE FLECHA TRABAJO DE RESORTE 2-6 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera ley de la termodinámica es en esencia una expresión el principio de conservación de la energía, conocido también como balance de energía. El balance de masa y el balance de energía generales de cualquier sistema que experimenta cualquier proceso. 2-7 EFICIENCIA EN LA CONSERVACIÓN DE ENERGÍA La conservación de energía de una forma a otra se relaciona con frecuencia con efectos adversos en el medio, y el impacto ambiental debe ser una consideración importante en la conversión y utilización de energía
CAPÍTULO 4
ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS 4-1 TRABAJO DE FRONTERA MÓVIL Una forma de trabajo mecánico muy común en la práctica es aquella que está relacionada con la expansión o compresión de un gas de un dispositivo de cilindro-émbolo. Durante este proceso, parte de la frontera se mueve en vaivén; por lo tanto, el trabajo de expansión y compresión suele llamarse trabajo de frontera móvil o simplemente trabajo de frontera. El trabajo de frontera en la forma diferencial es igual al producto de la presión absoluta P y el cambio diferencial en el volumen Dv del sistema. PROCESO POLITRÓPICO Durante procesos reales de expansión y compresión de gases, la presión y el volumen suelen relacionarse mediante PVn=C, donde n y c son constantes. Un proceso de esta clase se llama proceso politrópico. 4-2 BALANCE DE ENERGÍA PARA SISTEMAS CERRADOS La primera ley de la termodinámica es en esencia una expresión del principio de conservación de la energía, llamado también balance de energía. Es posible expresar los balances de energía generales para cualquier sistema que experimenta algún proceso como
EENTRADA – ESALIDA = ΔESISTEMA Si se toma como cantidades positivas la transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo realizado por el sistema, el balance de energía para un sistema cerrado también se puede expresar como: Q – W = ΔU + ΔEC + ΔEP 4-3 CALORES ESPECÍFICOS La cantidad de energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de una masa unitaria de una sustancia se llama calor especifico a volumen constante CV para un proceso a volumen constante y calor específico a presión constante CP para otro a presión constante. Se define como
∂u
Cv = ( ∂T
)
v
y
CP =
( ∂T∂ h )
p
CAPÍTULO 5
ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENSE DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) 5-1 CONSERVACIÓN DE MASA El principio de conservación de la masa establece que la transferencia neta de masa hacia o desde un sistema durante un proceso es igual al cambio neto (incremento o disminución) en la masa total del sistema durante ese proceso, y se expresa como mentrada – msalida = Δmsistema mentrada – msalida = dmsistema/dt donde = Δmsistema = mfinal – minicial es el cambio en la amsa del sistema durante el proceso de mentrada y msalida son las tasas totales del flujo másico que entran y salen del sistema y dmsistema/dt es la tasa de cambio de la masa dentro de las fronteras del sistema. Las relaciones anteriores se conocen también como balance de masa y son aplicables a cualquier sistema que experimenta alguna clase de proceso. La cantidad de masa que fluye por una sección transversal por unidad de tiempo se llama flujo másico, y se expresa como: m = pVA donde p es la densidad del fluido, V es las velocidad promedio de un fluido normal a A, y A es la sección transversal normal a dirección de flujo. El volumen del fluido en movimiento a través de una sección transversal por unidad de tiempo se denomina flujo volumétrico y se expresa como: V= VA=m/p 5-2 TRABAJO DE FLUJO Y ENERGIA DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO El trabajo requerido para empujar una unidad de masa de fluido hacia dentro o hacia fuera de un volumen de control se llama trabajo de flujo o energía de flujo, y se expresa como wflujo=Pv. En el análisis de volúmenes de
control es conveniente combinar en la entalpia a las energías de flujo e interna. Entonces la energía total de un fluido en movimiento se expresa como: Ѳ= h + ec + ep = h + V2/2 + gz La energía total que transporta un fluido en movimiento de masa m con propiedades uniformes es mѲ. La tasa de transportación de energía mediante un fluido con un flujo másico. Cuando son insignificantes las energías cinética y potencial de una corriente de fluido, la cantidad y la tasa de transportación de energía se convierte en Emasa = mh y Emasa = mh., respectivamente. 5-3 ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO La primera ley de la termodinámica es en esencia una expresión del principio de co9nservacion de la energía, conocida también como balance de energía. Los balances generales de masa y energía para cualquier sistema que experimenta cualquier proceso se puede expresar como: EENTRADA – ESALIDA = ΔESISTEMA Los procesos termodinámicos relacionados con volúmenes de control se pueden considerar en dos grupos: procesos de flujo estacionario y de flujo no estacionario. Durante un proceso de flujo estacionario, el fluido pasa por el volumen de control de forma estacionaria sin experimentar cambios con el tiempo en una posición fija. El contenido de masa y energía del volumen de control permanecen constantes durante un proceso de flujo estacionario. Si se considera que la transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo realizado por el sistema son cantidades positivas. 5-4 ALGUNOS DISPOSITIVOS DE INGENIERÍA DE FLUJO ESTACIONARIO Para sistemas de una sola corriente (una entrada y una salida) como toberas aceleradoras, difusores, turbinas, compresores y bombas, las ecuaciones se simplifican a m1 = m2
1 1 V 1 V1 A1 = V 2 V2 A2
5-5 ANÁLISIS DE PROCESOS DE FLUJO NO ESTACIONARIO La mayor parte de los procesos de flujo no estacionario se pueden modelar como un proceso de flujo uniforme, el cual requiere que el flujo del fluido e cualquier entrada o salida sea uniforme y estacionario, así que las propiedades del fluido no cambian con el tiempo o con la posición en la sección transversal de una entrada o salida. De lo contrario, se promedian y se tratan como constantes durante todo el proceso. Al resolver los problemas termodinámicos, se recomienda usar para todos los problemas la forma general de balance de energía y simplificarla para los problemas particulares en lugar de usar las relaciones específicas dadas aquí para procesos diferentes.
