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Termodinámica
Es la rama de la Física que se encarga del estudio de la Transformación del calor en trabajo
y viceversa.
Sistema Termodinámico.
Es alguna porción de materia que separamos del resto del universo por medio de un límite
o frontera con el propósito de poder estudiarlo.
Frontera
Pared diatérmica y adiabática.
La frontera de un sistema puede estar constituida con paredes diatérmicas o adiabáticas.
Pared diatérmica: Permite la interacción térmica del sistema con los alrededores.
Pared adiabática: No permite que exista interacción térmica del sistema con los
alrededores.
Pared Diatérmica.
Sistema
Propiedades para describir el estado de un sistema.
Presión, Volumen y Temperatura.
La presión se define como la fuerza normal a una superficie ejercida por unidad de área del
sistema.
Unidades que puede tener la Presión: Pascales (Pa) (
𝑁
𝑚
2
𝐾𝑔𝑓
𝑐𝑚
2
) y Psi (Pounds-force per
square inch) (
𝑙𝑏𝑓
𝑖𝑛
2
Factores de Conversión:
1 Giga 1 𝑥 10
9
1 Mega 1 𝑥 10
6
1 Kilo 1 𝑥 10
3
1 mili 1 𝑥 10
− 3
1 micro 1 𝑥 10
− 6
1 nano 1 𝑥 10
− 9
Ejercicios 1.
2
2
2
2
= 101497. 02 𝑃𝑎 ó 101. 49 𝐾𝑃𝑎
Ejercicio 2.
3000 𝑃𝑠𝑖 ó 3 𝐾𝑠𝑖 →
2
2
2
2
Unidades de Presión en el Sistema Inglés.
Temperatura.
La magnitud física que indica que tan caliente o fría, es una sustancia respecto a un cuerpo
que se toma como base o patrón es la Temperatura.
Se denomina calor a la Transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre
distintos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura.
El calor es una energía en tránsito y siempre fluye de un cuerpo de mayor Temperatura a
las de menor Temperatura.
De Celsius a Kelvin.
Kelvin a Grados Celsius.
Celsius a Grados Fahrenheit.
Volumen: Espacio que ocupa un Cuerpo.
3
3
3
3
3
3
6
3
Ejercicio 1. Determine el volumen del siguiente contenedor en Litros (Volúmenes en sólidos
regulares).
2
2
3
3
1 𝑚
3
10
6
𝑐𝑚
3
- 31 𝑓𝑡
3
1 𝑚
3
1728 𝑖𝑛
3
1 𝑓𝑡
3
1 𝐿
- 02 𝑖𝑛
3
Ejercicio 2. Con contenedores Irregulares.
Obtener el volumen de un contenedor definido por la superficie 𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑦
2
, en la
región limitada por los planos coordenados y la superficie 𝑥
2
2
40 cm
80 cm
Se utiliza para definir el calor la caloría y BTU.
Caloría:
Es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su Temperatura 1 °C de
14.4 °C a 15.5 °C.
Kilocaloría.
Es un múltiplo de la caloría y equivale a:
1 Kcal = 1000 calorías.
Sistema Inglés.
BTU
Es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (454 g) para que eleve su Temperatura
1 °F.
Capacidad calorífica.
Se ha observado que, al suministrar la misma cantidad de calor a dos sustancias diferentes,
el aumento de Temperatura no es el mismo.
Para conocer el aumento de Temperatura que tiene una sustancia cuando recibe calor,
debe emplearse su capacidad calorífica.
La capacidad calorífica se define como la r3elación existente entre la cantidad de calor Δ𝑄
que recibe y su correspondiente elevación de Temperatura Δ𝑇.
El calor 𝑄 puede expresarse en calorías, BTU, kcal, Joules.
La Temperatura T puede expresar en °C, K, °F.
Capacidad calorífica:
𝑘𝑐𝑎𝑙
°𝐶
𝐽
°𝐶
𝐽
𝐾
𝐵𝑇𝑈
°𝐹
Mientras más alta sea el valor de la capacidad calorífica de una sustancia, significa que
requiere mayor cantidad de calor para elevar su Temperatura.
Calor Específico.
La capacidad calorífica no es la misma dependiendo la cantidad de material.
El calor específico 𝐶 𝑒
de una sustancia es igual a la capacidad calorífica C de dicha sustancia
entre su masa.
𝑒
𝑒
Ejercicio 1
Que cantidad de calor se debe aplicar a una barra de Plata de 12 Kg para que se eleve su
Temperatura de 22°C a 90°C.
𝑒
𝑒
𝑓
𝑖
𝑒
) ( 12 𝐾𝑔)(90°𝐶 − 22°𝐶) = 191760 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 ó 191. 8 𝐾𝐽
Ejercicio 2
600 g de Hierro se encuentran a una Temperatura de 20°C ¿Cuál será su Temperatura Final
si se suministran 8000 Calorías?
𝑒
𝑓
𝑖
𝑓
𝑒
𝑖
𝑓
Ejercicio 3
Determinar la cantidad de calor que cede al ambiente una barra de Plomo de 534 g al
enfriarse de 200 °C a 50°C.
) ( 183480 𝑔)(15°𝐶) = 85318. 2 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑎𝑠 ó 85. 318 𝐾𝑐𝑎𝑙
LEYES DE LOS GASES IDEALES.
Ejercicio 1 Ley de Boyle.
- Calcular el volumen en Litros de un gas al recibir una presión de 2 atmósferas, si su
volumen es de 25 𝑖𝑛
3
a una presión de 8.36 Psi.
𝑃 1 = 8. 36 𝑃𝑠𝑖
3
3
2
2
Ejercicio 2.
Calcular el diámetro final de una esfera cuando es sometida a una presión de 1200 Pa, al principio
del experimento en un sistema isotérmico, el diámetro de la esfera era de 62 pulgadas a una presión
de 7223 Pa.
4
3
3
4
3
3
3
3
1200 Pa
3
3
3
3
Ejercicio 3. Calcular la presión final que recibe un contenedor cuyo volumen inicial era de 2730 Litros
a una presión de 378.38 Psi, el volumen final que reporta el objeto es de 1873 𝑐𝑚
3
.
3
3
6
3
3
3
3
3
3
- 1873 Litros
= 5513929. 5 𝑃𝑠𝑖 ó 5513. 9 𝐾𝑠𝑖
Ejercicio 4. La densidad del agua es de 997 𝐾𝑔/𝑚
3
que esta sometido a una variación de
Temperatura de 83.6 °C y después se mantiene constante, cuando al final del proceso deja
de recibir 2867 calorías, la presión del manómetro marca 287 Psi al inicio del calentamiento,
si el contenedor no debe exceder más del 50% de su volumen inicial. ¿Se deben abrir o
cerrar las válvulas?
∆𝑄 = 2867 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑎𝑠
𝑒
𝑒
2867 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑎𝑠
Una masa determinada de nitrógeno gaseoso está en el pivote que tiene dos contenedores,
en el contenedor 1 tiene un volumen inicial como se indica en la figura, a una temperatura
de 23°C y una presión de 3 atmosferas.
¿Cuál es la temperatura requerida para que el gas ocupe el contenedor 2 en un sistema
isobárico?
𝑉 1
𝑇 1
=
𝑉 2
𝑇 2
2
3
2
3
3
3
Ejercicio 2.
Cuál es la temperatura máxima que soporta un cilindro contenedor de vapor de agua a una
temperatura inicial 27.6 °C que ejerce una presión constante sobre el área transversal de
279.3 Psi, en la superficie aplicada hay una fuerza de 9.2 N. Como factor de seguridad las
paredes del contenedor solo pueden expandirse 18.5% del volumen inicial.
( 279. 3
𝑙𝑏𝑓
𝑖𝑛
2
) (
1 𝐾𝑔𝑓
- 2 𝑙𝑏𝑓
) (
- 8 𝑁
1 𝐾𝑔𝑓
) (
1 𝑖𝑛
- 0254 𝑚
)
2
= 1928443. 40 𝑃𝑎 ó 1. 93 𝑀𝑃𝑎
- 40
𝑁
𝑚
2
= 4. 77 × 10
− 6
2
4. 77 × 10
− 6
2
= 4. 05 × 10
− 5
3
𝑉 2 = 4. 05 × 10
− 5
3
+ ( 4. 05 × 10
− 5
3
)(. 185 ) = 4. 79 × 10
− 5
3
4. 79 × 10
− 5
3
( 4. 05 × 10
− 5
3
Ejercicio 3. (REPASO LEY DE BOYLE)
La densidad del vapor de agua es de 960 𝐾𝑔⁄𝑚
3
sometido a una variación de temperatura
de 83°C después de recibir 3128 calorías, pasa por una tubería de 20m y la temperatura se
mantiene constante cuando recibe 220 Psi de presión, al inicio del calentamiento, para
evitar un rompimiento de la tubería el volumen no debe exceder 19.32% de su volumen
inicial.
3
3
𝑉 1
𝑇 1
=
𝑉 2
𝑇 2
𝑉 2 = 𝑇 2
𝑉 1
𝑇 1
=
(
- 73 𝐾
)
3
= 3. 71 𝑚
3
𝑟 =
√
3 𝑉 2
4 𝜋
3
=
√
3
(
- 71 𝑚
3
)
4 𝜋
3
= 0. 9603 𝑚
𝑑 = 2 𝑟 = 2 ( 0. 9603 𝑚) = 1. 921 𝑚
