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Manual prácticas termodinámica
Tipo: Apuntes
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- INTRODUCCIÓN…………………………………… Pág. - REGLAMENTO DE LABORATORIO………………………… En el estudio termodinámico es común idealizar los sistemas para que sus propiedades mecánicas y eléctricas sean lo más triviales posibles. Cuando el contenido esencial de la termodinámica se ha desarrollado, es una cuestión simple extender el análisis a sistemas con estructuras mecánicas y eléctricas relativamente complejas. La cuestión esencial es señalar que las restricciones en los tipos de sistemas considerados no son limitaciones básicas sobre la generalidad de la teoría termodinámica, y sólo se adoptan meramente para la simplificación expositiva. Quizá la complicación principal del análisis termodinámico como herramienta en ingeniería se deba a que es práctica común restringir los estudios a sistemas simples, definidos como sistemas que son macroscópicamente homogéneos, isotrópicos, y desprovistos de carga eléctrica, que son lo suficientemente grandes para que los efectos de frontera puedan ser ignorados, y que no se encuentran bajo la acción de campos eléctricos, magnéticos o gravitacionales. Nada más lejos de la realidad. Nota: Adaptado de: Notas del curso termodinámica para ingeniería de Oscar A. Jaramillo Salgado UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Centro de Investigación en Energía, Temixco Morelos (egresado de la FES-C).
HISTORIA DE LA TERMODINÁMICA Y DE LOS SISTEMAS DE UNIDADES.
Conocer la historia de la termodinámica y de los sistemas de unidades.
Termodinámica es la rama de la Física que estudia los cambios de magnitudes de los sistemas a nivel macroscópico. Estudiando generalmente los cambios de temperatura, presión y volumen. Historia El hombre es capaz de modificar el medio ambiente que lo rodea, mediante conocimientos y energía. Con el tiempo el hombre aprendió que mucho de los fenómenos de su interés, se repetían con regularidad en el tiempo y espacio, y la falta de entendimiento de estos fenómenos y la necesidad de adaptarse a las circunstancias, dio origen a la búsqueda de respuestas, para sacar provecho y beneficio de dichos fenómenos, empezando a diseñar herramientas sólidas que le permitiesen el uso más eficiente de su fuerza física, a utilizar a favor la fuerza de los animales, y descubriendo métodos para encender fuego, por medio de procedimientos para su mantenimiento y control. Se tienen indicios de que el hombre (aproximadamente 3500 a.C.) utilizaba el fuego para fundir metales como cobre estaño y hierro, para su defensa y podíamos decir que este era un principio de lo que más adelante se llamaría Termodinámica.
Un momento culminante donde se trató de generalizar los conocimientos, fue en la antigua Grecia del siglo V a.C. mediante la especulación filosófica, perdurando aproximadamente 2 milenios, hasta el Renacimiento en el siglo XV.
Para intentar hablar de cómo surgió la Termodinámica como un gran campo de estudio, se debería partir de la revolución científica que tuvo lugar en el Siglo XVI con la llegada de la filosofía experimentalista, dando un desarrollo a las ciencias existentes hasta nuestros días. Como muchas disciplinas la Termodinámica ha surgido de los procedimientos, que llevaron a la construcción de elementos que son útiles en el desarrollo de la vida del hombre. El origen fue sin lugar a dudas, el querer utilizar el movimiento producido por la energía del vapor de agua, para poder sustituir el trabajo manual, por una máquina que facilitaba su realización haciéndolo más fácil y con mayor rapidez, pegándole directamente a la economía, lo que le dio que se profundizarán en conocimientos, realizando leyes y principios que regían las operaciones realizadas con el vapor, para actividades como succionar agua de una mina, con rendimientos insignificantes, hoy
el manómetro para medir la presión del vapor y un indicador que podía dibujar la evolución presión-volumen del vapor en el cilindro a lo largo de un ciclo. Con el objetivo de establecer una medida de la potencia, realizó experiencias para definir el llamado caballo de fuerza, determinó que un caballo podía desarrollar una potencia equivalente a levantar 76kg a la altura de un metro en un segundo. En 1819 Robert Fulton puso en funcionamiento el primer barco de vapor de éxito comercial, el Clermont, que solo instaló una máquina de vapor en un barco. El Britania fue el primer barco de vapor inglés, que entro en uso en 1840, desplazaba 1150 toneladas y contaba con una máquina de 740 caballos de fuerza, alimentada por 4 calderas, alcanzando una velocidad de 14km/h. George Stephenson fue el primero en instalar una máquina de vapor sobre un vehículo terrestre dando inicio a la era del ferrocarril, en 1814 logró arrastrar una carga de 30 toneladas en una pendiente. En 1829 la locomotora llamada Rocket recorrió 19km en 53 minutos, siendo todo un record. Sadi Carnot es el fundador de la Termodinámica como disciplina teórica, realizando trabajos que después de 25 años con el físico Lord Kelvin tomó en cuenta las propuestas hechas por él. Carnot fue el que desarrollo el concepto de proceso cíclico de las máquinas de vapor y que todo dependía de dejar caer calor desde una fuente de alta temperatura hasta un depósito a baja temperatura. Posteriormente Clausius y Kelvin fundadores de Termodinámica teórica, ubicando el principio de Carnot, dando lugar al segundo principio de la Termodinámica. James Prescot Joule se convenció rápidamente que el trabajo y el calor eran manifestaciones de una misma cosa. A partir de sus investigaciones comenzó a debilitar la teoría del calórico, en especial a los trabajos de Lord Kelvin quien junto
a Clausius terminaron de establecer las bases teóricas de la termodinámica como disciplina independiente. En el año 1850 Clausius descubrió la existencia de la entropía y enunció el segundo principio:
En 1851 Lord Kelvin publicó un trabajo en el que compatibilizaba los estudios de Carnot, basados en el calórico, con las conclusiones de Joule, el calor es una forma de energía, compartió las investigaciones de Clausius y reclamó para sí el postulado del primer principio que enunciaba así:
Lord Kelvin también estableció un principio que actualmente se conoce como el primer principio de la termodinámica. Y junto a Clausius derrotaron la teoría del calórico. Hoy se ha llegado a un interesante perfeccionamiento de las máquinas térmicas, sobre una teoría basada en las investigaciones de Clausius, Kelvin y Carnot, cuyos principios están todavía en vigencia, la variedad de máquinas térmicas va desde las grandes calderas de las centrales nucleares hasta los motores cohete que impulsan los satélites artificiales, pasando por el motor de explosión, las turbinas de gas, las turbinas de vapor y los motores de retropropulsión, etc. Sistemas de unidades: Es un conjunto de unidades de medida, del cual se derivan las demás medidas de unidades. Existen varios sistemas de unidades:
3.- El contenido “normal” de plomo en la sangre humana es de aproximadamente 0.40partes por millón (es decir, 0.40 g de plomo por millón de gramos de sangre) Un valor de 0.80 partes por millón (ppm) se considera peligroso. ¿Cuántos g de plomo están contenidos en 6000 g de sangre (la cantidad en un adulto promedio) si el contenido de plomo es de 0.62ppm 4.- Un trozo de plata metálica que pesa 194.3 gramos se coloca en una probeta que contiene 242.0 ml de agua. La lectura en la probeta es ahora de 260.5 ml. Calcule la densidad de la lata con esos datos. 5.- Una hoja de papel aluminio de 1.0 pies^2 y una masa de 3.636 g ¿Cuál es el espesor del papel en mm?
VARIABLES Y MEDICIONES EN UN SISTEMA TERMODINÁMICO
Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se aísla para su estudio. El sistema termodinámico es parte de la tierra, se da en el agua, en el viento y en las reacciones físicas y químicas, por eso se dice que es un sistema universal, porque se da en todos lados, es globalmente proporcional. Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental, o de una manera ideal, cuando se trata de abordar un estudio teórico.
los alrededores.
circundante, solo se puede dar un intercambio de energía.
con los alrededores.
En la tabla 2 .1 se presentan algunas unidades de presión y sus factores de conversión.
Pascal bar N/mm² kp/m² kg/cm² atm Torr 1 Pa (N/m²)= 1 10 -^5 10 -^6 0,102 0,102×10-^4 0,987×10-^5 0, 1 bar (daN/cm²) = 100000 1 0,1 1020 1,02 0,987 750 1 N/mm² = 106 10 1 1,02×10^5 10,2 9,87 7500 1 kg/m² = 9.81 9,81×10-^5 9,81×10-^6 1 10 -^4 0,968×10-^4 0, 1 kg/cm² = 98100 0,981 0,0981 10000 1 0,968 736 1 atm (760 Torr) = 101325 1,01325 0,1013 10330 1,033 1 760 1 Torr (mmHg) = 133 0,00133 1,33×10-^4 13,6 0,00136 0,00132 1 Temperatura La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto, ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay cuatro escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), la escala Kelvin (K) y la escala Rankine. Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia tal como se muestra en la figura 2.
Aunque parezca confuso, cada una de las cuatro escalas de temperatura discutidas permite medir la energía del calor de una manera ligeramente diferente. Una medida de la temperatura en cualquiera de estas escalas puede ser fácilmente convertida a otra escala usando una simple fórmula Instrumentos de medición Un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión. Dos características importantes de un instrumento de medida son la precisión y la sensibilidad. Los físicos utilizan una gran variedad de instrumentos para llevar a cabo sus mediciones. Desde objetos sencillos como reglas y cronómetros hasta microscopios electrónicos y aceleradores de partículas
PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
Las variables termodinámicas se pueden clasificar en extensivas e intensivas. Las variables extensivas se caracterizan por su aditividad, en el sentido de que su valor en el sistema es la suma de sus valores en cualquier conjunto de subsistemas en que el sistema se divida. Son pues variables globales. El volumen y la cantidad de materia son ejemplos de variables extensivas Las variables intensivas son variables locales, que se caracterizan por estar definidas en cada pequeña región del sistema. En un sistema en equilibrio, las variables intensivas tienen el mismo valor en todo el espacio de una misma fase. La temperatura y la presión son ejemplos de variables intensivas. Las variables intensivas, como la temperatura, T o la presión P, que caracterizan el equilibrio termodinámico, tienen el mismo valor en todo el sistema, con independencia del número de fases que existan en el mismo. En el caso de sustancias puras es frecuente expresar las variables extensivas dividiéndolas por el número de moles. Se denominan entonces variables molares. Si se dividen las variables extensivas por la masa, se obtienen las denominadas variables específicas.
La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m^3 ), aunque frecuentemente se expresa en g/cm^3. La densidad es una magnitud intensiva Donde:
m es la masa y V es el volumen del cuerpo Densidad relativa La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades) Viscosidad , propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.