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Cap1 conceptos basicos_1301_udl
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1.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Termodinámica Semana 1: Conceptos básicos y definiciones Ing. Jorge Cabrejos Barriga
2.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1 CAPÍTULO Conceptos básicos de Termodinámica
3.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition CAPITULO 1. Conceptos básicos de Termodinámica 1.1 Termodinámica y Energía 1.2 Importancia de las dimensiones y unidades 1.3 Sistemas cerrados y abiertos 1.4 Propiedades de un sistema 1.5 Densidad y densidad relativa 1.6 Estado y equilibrio 1.7 Procesos y ciclos 1.8 Temperatura y ley cero de la termodinámica 1.9 Presión 1.10 Manómetro 1.11 Barómetro y presión atmosférica
4.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.1 Termodinámica y Energía • La termodinámica es una ciencia que basicamente se ocupa de la energía. • De manera amplia incluye aspectos de energía y sus transformaciones, la generación de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.
5.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Áreas de aplicación de la termodinámica Plantas de energia El cuerpo humano Sistemas de aire acondicionado Aviones Radiadores de autos Sistemas de Refrigeración
6.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Areas de aplicación …. • Una importante aplicación de la termodinámica es la biología. • La mayoría de dietas se basan en un balance de energía: la energía neta ganada por una persona en forma de grasa es igual a la diferencia entre la entrada de energía de los aliementos y la energía gastada por actividad fisica. • EJEMPLOS DE CALCULO:
7.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.2 Importancia de las dimensiones y unidades. Dimensiones primarias Dimensiones secundarias: TAREA: Hacer un resumen del sistema internacional (SI) y del sistema ingles de unidades. EJERCICIOS: Conversión de Unidades.
8.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition
9.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition EJERCICIOS 1. Convertir 1000 (cal/min) en (BTU/seg) Solución factores de conversión: 252.16 cal/BTU y 60 seg/min RPTA: 0.066 BTU/seg 2. Convertir 15.18 (psia m3/mol ºC) en (cal/ mol K) Solución factores de conversión: 14.696 psia/atm; 41.3 atm cm3/cal; y 106 cm3/m3 RPTA: 2 501.05 cal/mol K
10.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Balance de materia A un mezclado entran una corriente de 15 kg/min. De una solución acuosa con 5% (en masa) de una sal y otra corriente de agua pura a razón de 4 kg/min. La salida del estanque mezclador es una sola tubería por la que fluye la solución diluida. Determine a) el flujo de salida en kg/min; y b) la concentración en % en masa %W de la corriente de salida (W=100*masa de sal/masa total). Sol. diluida m3 agua m2 Sol. de entrada m1
11.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Balance de materia El aire es una mezcla de oxigeno (21% molar) y nitrógeno (79% molar). Si se desea obtener aire enriquecido con 40% molar de oxigeno, cuanto oxígeno debo agregar por cada 200 moles de aire ambiental? Aire enriquecido n3 O2 n2 Aire n1
12.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.3 Sistemas cerrados y abiertos • Un sistema se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para análisis. • La masa o region fuera del sistema se conoce como alrededores. • La superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores se denomina frontera, pudiendo ser esta fija o móvil.
13.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.3 Sistemas cerrados y abiertos • Un sistema de masa fijo es llamado un sistema cerrado, o masa de control, • Un sistema que incluye transferencia de masa sobre sus alrededores es llamado un sistema abierto, o volumen de control.
14.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Sistemas cerrados con fronteras fijas (Fig. 1-13) La masa no puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado, pero la energía si.
15.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Sistemas cerrados con fronteras móviles
16.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Volumen de control en fronteras fijas En un volumen de control, masa y energia cruzan las fronteras del sistema.
17.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.4 Propiedades de un sistema • Las propiedades de un sistema que dependen de la masa, son llamadas propiedades extensivas, • las que no dependen de la masa son llamadas propiedades intensivas. • e.g. La densidad (masa por unidad de volumen) es una propiedad intensiva. • Las propiedades extensivas por unidad de volumen son llamadas propiedades específicas. • e.g. volumen específico (volumen por unidad de masa).
18.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.5 Densidad y densidad relativa TAREA: Definiciones y ejemplos: Densidad, volumen especifico, gravedad especifica o densidad relativa. RESOLVER EJERCICIOS:
19.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Problemas: La densidad de una sustancia es 1.382 (gr/cm3) a 20 ºC: a) ¿Cuántos m3 son 500 kg de esa sustancia? b) ¿Cuál es el volumen en pie3?
20.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.6 Estado y equilibrio • Un sistema se dice esta en equilibrio [no experimenta cambios] termodinámico si mantiene un equilibrio: • térmico, si tiene una misma temperatura en todos sus puntos • mecánico, no presenta cambios de presión en alguno de sus puntos • de fase de equilibrio, cuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece alli, y • químico, cuando su composición química no cambia con el tiempo.
21.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Postulado de estado • El estado de un sistema compresible simple se específica por completo con dos propiedades intensivas independientes. • e.g. la temperatura y el volumen específico.
22.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.7 Procesos y ciclos • Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro es llamado proceso. • La serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso es una trayectoria del proceso. • Un proceso con idénticos estados inicial y final es denominado ciclo. • En un proceso cuasi – estatico o de cuasi- equilibrio, el sistema permanece prácticamente en equilibrio durante todo el tiempo. • El proceso de desarrolla lo suficientemente lento de forma que permanece infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio
23.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Proceso cuasiestatico o de cuasiequilibrio (Fig. 1-30) Cuasi equilibrio, trabajo producido por dispositivos que realizan trabajo.
24.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.7 Procesos y ciclos (Fig. 1-31) Diagrama de compresion P-v
25.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition … procesos Se usa el prefijo ISO para designar un proceso en el que una propiedad particular permanece constante. PROCESO ISOTERMICO: Aquel durante el cual la temperatura T permanece constante. PROCESO ISOBARICO: Aquel en el cual la presión P permanece constante. PROCESO ISOCORICO O ISOMETRICO: Aquel en en cual el volumen V permanece constante.
26.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.8 Temperatura y ley cero de la termodinámica • Establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio termico con un tercero, estan en equilibrio termico entre si. • Este hecho sirve como base para validar la medicion de la temperatura. • Si el tercer cuerpo se sustituye por un termometro, la ley cero se puede expresar como dos cuerpos estan en equilibrio térmico si ambos tienen la misma temperatura incluso cuando no estan en contacto.
27.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Escalas de temperatura • Las escalas de temperatura usadas en el SI y en el sistema ingles son las escalas Celsius y Fahrenheit respectivamente. • La escala de temperatura absoluta en el SI es la escala Kelvin, que esta relacionada con la escala celsius por:
28.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Escalas de temperatura • En el sistema ingles, la escala de temperatura es la escala Rankine, que esta relacionada con la escala Farenheit por la relación: • Las magnitudes de cada division de 1 K y 1 ºC son idénticas, y de la misma manera para la magnitud de cada division de 1 R y 1º F. Así, • y ∆T (R) = ∆T (ºF)
29.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Comparación de escalas de temperatura (Fig. 1-48)
30.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.9 Presión • Presión, es la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área, y se expresa en unidades kilopascal (kPa). • La presion relativa al vacio absoluto se llama presion absoluta, y la diferencia entre la presion absoluta y la presion atmosferica local se llaman presiones de vacio.
31.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Presiones absolutas, manométricas y de vacío (Fig. 1-36)
32.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Variación de la presión con la profundidad • Diferencias de presion pequeñas a moderadas son medidas por un manómetro, y una altura de columna diferencial h corresponde a la presión: • Donde ρ es la densidad del fluido y g es la aceleración de la gravedad local.
33.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.10 El manómetro básico Consta principalmente de un tubo en U de vidrio o plástico que contiene uno o mas fluidos como agua, mercurio, alcohol o aceite. Se usa para medir presiones pequeñas y moderadas.
34.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition • Las presiones manometricas, absolutas, y de vacio estan relacionadas:
35.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition 1.11 Barómetro y presión atmosferica • La presión atmosférica es medida por un barómetro y es determinada por: • donde h es la altura de la columna de líquido sobre la superficie libre.
36.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Ejemplo 1-8 Medición de la presión atmosférica con un barómetro. Determine la presión atmosférica en un lugar donde la lectura barométrica es 740 mm Hg y la aceleración gravitacional es g = 9.81 m/s2. Suponga que la temperatura del mercurio es de 10ºC, a la cual su densidad es 13 570 kg/m2. SOLUCION
37.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Ejemplo 1-9 Efecto del peso de un embolo sobre la presión en un cilindro La masa del embolo de un dispositivo vertical de cilindro-embolo que contiene un gas es de 60 kg, su área de sección transversal es de 0.04 m2, como se muestra en la figura. La presión atmosférica local es de 0.97 bar y la aceleración gravitacional es de 9.81 m/s2. a) Determine la presión dentro del cilindro. b) Si se transfiere calor al gas y se duplica su volumen ¿esperaría un cambio en la presión interna del cilindro?
38.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Problema 1.53 Medición de la presión con un manómetro de varios fluidos 1.53 El agua en un recipiente esta a presión, mediante aire comprimido, cuya presión se mide con un manómetro de varios líquidos, como se ve en la figura. Calcule la presión manométrica del aire en el recipiente si h1 = 0.2 m, h2 = 0.3 m y h3 = 0.46 m. Suponga que las densidades del agua, aceite y mercurio son 1 000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13 600 kg/m3 respectivamente.
39.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Problema 1.58 1.58 Los diámetros del embolo que se muestra en la figura son D1 = 3 pulg, D2 = 1.5 pulg. Determine la presión en psia en la cámara [P3], cuando las demás presiones son P1 = 150 psia y P2 = 250 psia P3 P1 P2 P3
40.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Problema 1.58
41.
WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Un dispositivo cilindro embolo vertical contiene un gas a una presión absoluta de 180 kPa. La presión atmosférica exterior es de 100 kPa, y el área del embolo es de 25 cm2. Determinar la masa del embolo. SOLUCION g = 9.81 m/s2 El diagrama de cuerpo libre del embolo se muestra en la grafica: Problema 1.113
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McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Problema 1.113 SOLUCION: P.A = Patm.A + W Reemplazando W = m.g P.A = Patm.A + m.g Despejando m: Reemplanzado datos: m = 0.02039 kg m = 20.4 g
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McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Formas de abastecer la misma energía (Fig. 1-52) Formas de abastecer a un cuarto, energía equivalente a 300-W de una resistencia de un calentador electrico.
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McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Bomba calorimétrica usada para determinar el poder calorífico de un alimento. (Fig. 1-53)
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WCB/McGraw-Hill © The
McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Resumen del capítulo • La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de la conservación de la energía, y su consecuencia es que la energía es una propiedad termodinámica. • La segunda ley de la termodinámica define que la energía tiene calidad tanto como cantidad, y que el proceso actual ocurre en la dirección de la disminución de la calidad de la energía.
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McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Thermodynamics Çengel Boles Third Edition Resumen del capítulo • La suma de todas las formas de energía de un sistema es llamada energía total, que incluye la energía interna, cinética y potencial. • La energía interna representa la energía molecular de un sistema y puede existir como calor sensible, calor latente y formas nucleares.
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