Notas de clase - Universidad de Navarra

1 CAMPUS TECNOL GICO DE LA Universidad DE Navarra . NAFARROAKO UNIBERTSITATEKO CAMPUS TEKNOLOGIKOA Paseo de Manuel Lardiz bal 13. 20018 Donostia-San Sebasti n. Tel.: 943 219 877 Fax: 943 311 442 Tom s G mez-Acebo, octubre 2006 TERMODIN MICA Notas de clase Tom s G mez-Acebo Octubre de 2005 iii PRESENTACI N Estos apuntes son una recopilaci n de Notas de clase de la asignatura de Termodin mica; incluyen adem s en cada tema algunos problemas resueltos, bastantes de ex menes anteriores. La funci n de estas Notas es servir de apoyo al estudio de la asignatura, pero en ning n caso pretenden sustituir el uso de libros de texto. Son fruto de varios a os de docencia de esta asignatura en la Escuela de Ingenieros de San Sebasti n, de la Universidad de Navarra .

2 La Termodin mica que se estudia en esta asignatura est enfocada sobre todo a las aplicaciones de la Ingenier a Mec nica; estas aplica-ciones se estudian en los ltimos temas. Los primeros temas presentan las leyes de la Termodin mica y su aplicaci n a materiales de inter s en nuestro campo: los fluidos condensables y los gases. Por supuesto, la Termodin mica es una herramienta til para otras partes de la ciencia y la ingenier a, pero el enfoque aqu presentado se centra en los fluidos de inter s t cnico. Agradezco el esfuerzo que han dedicado varias personas en la elabo-raci n de estas Notas : Juan Carlos Ramos, Alberto Echeverr a, Aran-tza Abad, Amaia Aramburu. Soy consciente de que estas Notas est n bastante incompletas y son mejorables en muchos puntos.

3 Pido disculpas por los posibles fallos, y agradecer todo tipo de comentarios, sugerencias, notificaci n de erratas, etc., a la direcci n Tom s G mez-Acebo Donostia San Sebasti n, octubre de 2005 v TABLA DE CONTENIDOS PRESENTACI N .. III TABLA DE CONTENIDOS .. V TEMA 1 - INTRODUCCI N. CONCEPTOS Y DEFINICIONES .. 1 1. CONCEPTO DE LA TERMODIN 1 2. CONCEPTOS Y 2 3. DIMENSIONES Y 9 4. TEMPERATURA Y LA LEY 12 BIBLIOGRAF 17 EJEMPLOS DE CAMBIOS DE 18 TEMA 2 - LA ENERG A Y EL PRIMER 1. TRABAJO EN SISTEMAS MEC 2. TRABAJO EN SISTEMAS TERMODIN 3. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODIN 4. LA ENERG A 5. EL 6. BALANCE DE ENERG A EN SISTEMAS BIBLIOGRAF TEMA 3 - LA SUSTANCIA 1. EL POSTULADO DE 2.

4 ECUACIONES DE 3. LA RELACI N 4. RELACI N H-P-T .. 5. VALORES DE LAS PROPIEDADES TERMODIN BIBLIOGRAF PROBLEMAS TEMA 4 - EL GAS IDEAL .. 1. DEFINICI N DE GAS 2. EL GAS 3. PROCESOS CUASIEST TICOS EN GASES 4. EL PROCESO POLITR PROBLEMAS TEMA 5 - EL VOLUMEN DE CONTROL .. 92 1. TRANSICI N DE MASA DE CONTROL A VOLUMEN DE 92 2. CONSERVACI N DE LA MASA EN UN VOLUMEN DE 94 3. CONSERVACI N DE LA ENERG A EN UN VOLUMEN DE 97 4. AN LISIS DE VOL MENES DE CONTROL EN ESTADO 100 5. AN LISIS DE 102 BIBLIOGRAF 104 PROBLEMAS 105 TEMA 6 - EL SEGUNDO PRINCIPIO .. 1. INTRODUCCI 2. PROCESOS REVERSIBLES E 3. M QUINAS T 4. FORMULACIONES DEL SEGUNDO 5. CONSECUENCIAS DEL SEGUNDO 6.

5 EL CICLO DE BIBLIOGRAF PROBLEMAS TEMA 7 - ENTROP A .. 1. LA DESIGUALDAD DE 2. DEFINICI N DE LA VARIACI N DE ENTROP 3. VALORES NUM RICOS DE LA ENTROP A (SUSTANCIA PURA, SIMPLE Y COMPRESIBLE) .. 4. BALANCE DE ENTROP A EN SISTEMAS 5. BALANCE DE ENTROP A EN VOL MENES DE BIBLIOGRAF PROBLEMAS TEMA 8 - APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY .. 1. ENTROP A GENERADA Y TRABAJO 2. TRABAJO EN PROCESOS DE EXPANSI N Y COMPRESI 3. EFECTIVIDAD DE PROCESOS ADIAB 4. TRABAJO Y CALOR EN PROCESOS 5. EFECTIVIDAD DE INTERCAMBIADORES DE 6. TEST DE IMPOSIBILIDAD DE BIBLIOGRAF TEMA 9 - MEZCLAS DE GASES IDEALES. AIRE H MEDO .. 1. PROPIEDADES DE MEZCLAS 2. MEZCLAS GASEOSAS CON UN COMPONENTE 3.

6 AIRE H 4. temperaturas CARACTER STICAS DEL AIRE H 5. DIAGRAMA PSICROM 6. PROCESOS CON AIRE H BIBLIOGRAF PROBLEMAS TEMA 10 - MEZCLAS REACTIVAS Y COMBUSTI 1. EL PROCESO DE COMBUSTI 2. ESTEQUIOMETR A DE LOS PROCESOS DE COMBUSTI 3. COMBUSTI N EN R GIMEN 4. COMBUSTI N A VOLUMEN BIBLIOGRAF PROBLEMAS TEMA 11 - CICLOS CON VAPOR .. 1. CICLOS DE 2. FACTORES QUE AFECTAN AL 3. MODIFICACIONES PARA MEJORAR EL 4. CICLOS DE RANKINE BIBLIOGRAF PROBLEMAS TEMA 12 - CICLOS CON GAS. OTROS 1. CICLO 2. CICLOS PARA M QUINAS DE COMBUSTI N 3. TENDENCIAS ACTUALES EN LA PRODUCCI N DE BIBLIOGRAF PROBLEMAS CAMPUS TECNOL GICO DE LA Universidad DE Navarra . NAFARROAKO UNIBERTSITATEKO CAMPUS TEKNOLOGIKOA Paseo de Manuel Lardiz bal 13.

7 20018 Donostia-San Sebasti n. Tel.: 943 219 877 Fax: 943 311 442 Tom s G mez-Acebo, octubre 2006 Tema 1 - INTRODUCCI N. CONCEPTOS Y DEFINICIONES En este primer cap tulo, tras una breve introducci n hist rica, se definen algunos con-ceptos que se emplear n durante todo el curso (sistema, propiedad, estado y proceso); y se presentan las tres variables m s importantes: presi n, volumen y temperatura , esta ltima con m s detalle. Este tema es de referencia: habr que volver durante el curso a las definiciones aqu presentadas. 1. CONCEPTO DE LA TERMODIN MICA La ENERG A, palabra griega que significa fuerza en acci n, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la Termodin mica.

8 La TERMODIN MICA es la Ciencia que estudia la conversi n de unas formas de energ as en otras. En su sentido etimol gico, podr a decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensi n, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relaci n con el calor y el trabajo. La Termodin mica se desarrolla a partir de cuatro Principios o Leyes: Principio Cero: permite definir la temperatura como una propiedad. Primer Principio: define el concepto de energ a como magnitud conservativa. Segundo Principio: define la entrop a como magnitud no conservativa, una medida de la direcci n de los procesos. Tercer Principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura. El desarrollo hist rico de esta ciencia no ha sido ciertamente 1 Peter William Atkins ha expuesto as la cronolog a de las leyes termodin micas (The Second Law, Sci-entific American Library 1984): "There are four laws.

9 The third of them, the Second Law, was recognized first; the first, the Zeroth Law, was formulated last; the First Law was second; the Third Law might not even be a law in the same sense as the others. Happily, the content of the laws is simpler than their chro-nology, which represents the difficulty of establishing properties of intangibles." 2 Tema 1 - Introducci n. Conceptos y Definiciones 2. CONCEPTOS Y DEFINICIONES SISTEMA, PARED, ENTORNO, UNIVERSO Sistema es una porci n del universo objeto de estudio. Un sistema es una regi n res-tringida, no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisi n de masa y energ a. Se debe definir cuida-dosamente.

10 Figura Conceptos de sistema, entorno, pared y universo. Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o l mites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios. Tambi n se llaman superficie de control. La fron-tera separa el sistema del resto del universo; esta frontera puede ser material o no. A trav s de la frontera suceden los intercambios de trabajo, calor o materia entre el siste-ma y su entorno. El medio rodeante o entorno es la parte del universo pr xima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema. El universo es todo lo accesible a nuestro experimento. Para el termodin mico, el uni-verso est formado por el sistema examinado y su entorno con el que es capaz de inter-accionar en su evoluci n: universo = sistema + entorno [ ]Por convenio, el universo para el termodin mico es un sistema aislado.