termodinamica tecnica y transmision de calor

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TERMODINAMICA TÉCNICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR 
INTRODUCCIÓN Y PRINCIPIO CERO 
 
 
Departamento de ingeniería Energética y Fluidomecánica 12/02/2013 1
INTRODUCCIÓN Y PRINCIPIO CERO 
1. Termodinámica, transmisión del calor e Ingeniería. 
2. Los conceptos de sistema termodinámico, estado, proceso y 
propiedades. 
3. El equilibrio térmico, el Principio Cero, concepto de temperatura y su 
medida. 
4. Propiedades térmicas de una sustancia pura. 
 
TERMODINAMICA TÉCNICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR 
INTRODUCCIÓN Y PRINCIPIO CERO 
 
 
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Objetivo del capitulo: introducción en los conceptos fundamentales de la 
Termodinámica Técnica. 
 
1. Termodinámica, transmisión del calor e Ingeniería. 
 
La ingeniería utiliza conceptos de la termodinámica combinados con otras 
ciencias como son Mecánica de Fluidos y Transmisión de calor para analizar y 
diseñar objetos destinados a satisfacer las necesidades humanas. 
 
 Obtención de trabajo: Motores térmicos para la producción de energía 
mecánica a partir de calor: 
o Automoción: tierra, mar y aire. 
o Generación de electricidad. 
o Motobombas. 
 
 Obtención de energía térmica: sistemas de combustión. 
 
 Transporte de energía térmica: 
o Sistemas de climatización para refrigerar o calentar 
o Sistemas de intercambio de energía térmica. 
 
 Cambio de las propiedades de una sustancia a partir de trabajo: 
bombas, compresores. 
 
Aunque los conceptos de la termodinámica pueden ser aplicados a sólidos, 
líquidos y gases, el campo en el que la aplicación de estos principios resulta de 
una utilidad mayor para el desarrollo de maquinas térmicas es el de los fluidos 
compresibles. 
 
La capacidad de almacenar energía que tiene un fluido se ve multiplicada en 
gran medida cuando este es compresible ya que al comprimirlo y variar su 
volumen se realiza un trabajo muy superior al que se realizaría si fuese 
incompresible. Este trabajo queda almacenado en el fluido y lo devolverá 
cuando se expanda. 
 
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2. Los conceptos de sistema termodinámico, estado, proceso y 
propiedades. 
2.1 Sistema 
Sistema termodinámico es todo aquello sobre lo que se pueda realizar un 
análisis para su estudio, puede tener diferentes grados de complejidad. 
 
Un sistema tiene unos límites específicos denominados fronteras que pueden 
ser fijos o móviles, al otro lado de la frontera está el entorno. El sistema 
interacciona (intercambia masa o energía) con el entorno a través de la 
frontera. 
La definición del sistema y su frontera tienen gran importancia a la hora de 
realizar un análisis adecuado a fin de obtener la información que queramos. 
 
Tipos de sistemas: 
 Sistema cerrado: aquel que no intercambia masa con el entorno, sin 
embargo puede intercambia energía. (Sistema cilindro pistón, motor 
eléctrico…). 
 Sistema aislado: es aquel que no intercambia ni masa ni energía. 
(Depósito con gas a presión a la temperatura ambiente). 
 Volumen de control (sistema abierto): aquel que puede intercambiar 
masa con el entorno a través de su frontera. 
o Motor alternativo: entran aire y combustible, salen: energía 
mecánica a través del eje y gases de escape. 
o Compresor, motor eléctrico y depósito: entra aire y energía 
eléctrica. 
 
Las propiedades de un sistema son las características macroscópicas que 
según su valor determinan el estado del sistema y cumplen ciertas relaciones 
entre ellas: Masa, volumen, presión, temperatura, energía, etc. 
 Existen magnitudes que no son propiedades del sistema como son los 
flujos de masa y energía. 
 Los valores de las propiedades se les pueden asignar sin conocer la 
historia del sistema. 
 
La termodinámica clásica o macroscópica analiza los fenómenos que ocurren 
en los sistemas estudiando sus propiedades y los flujos de masa y energía de 
una forma global. No establece ninguna hipótesis sobre el estado de la materia. 
 
La termodinámica estadística o microscópica analiza la materia a un nivel 
molecular estudiando la interacción entre ellas desde un punto de vista 
 
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dinámico para dar explicación a los cambios que se producen las propiedades 
macroscópicas. 
 
2.2 Estado y proceso 
El estado de un sistema viene dado por el valor de sus propiedades, 
generalmente el valor de algunas de ellas determina el estado y en 
consecuencia el resto de propiedades ya que como se ha dicho existe relación 
entre ellas, esta relación depende del tipo de sistema. 
 
Cuando alguna de las propiedades de un sistema cambia, al mismo tiempo 
cambia su estado y esto ocurre porque el sistema ha sufrido un proceso de 
transformación que lo ha llevado de un estado a otro. 
 
Cuando en instantes diferentes el sistema tiene el mismo valor de sus 
propiedades, el sistema está en el mismo estado. Un sistema está en una 
situación estacionaria cuando sus propiedades no cambian y por lo tanto está 
en el mismo estado en cualquier instante de tiempo. El flujo neto de masa y 
energía a través e sus fronteras es nulo. 
 
Un ciclo termodinámico es proceso en el cual un sistema pasa por una serie 
de estados acabando en el estado inicial y en consecuencia las propiedades 
del sistema vuelven a tomar los mismos valores que tenían inicialmente. 
 
Si un sistema está en un estado, sus propiedades toman un valor 
independientemente de cómo haya llegado el sistema a ese estado, estos 
valores serán los mismos siempre que llegue al mismo estado, si una magnitud 
depende de los detalles del proceso no es una propiedad del sistema. 
 El agua de una bolsa de cubitos de hielo a 1bar y 5ºC es liquida 
independientemente de si viene del congelador y se ha calentado o si 
viene del grifo y se ha enfriado. El caudal de agua con el que se lleno la 
bolsa en su momento no es una propiedad del sistema. 
 
2.3 Propiedades 
Propiedades extensivas e intensivas 
 Una propiedad es intensiva si su valor es independiente del tamaño o 
extensión del sistema (de la masa). Pueden ser función de la posición y 
del tiempo. (presión, temperatura, densidad, volumen específico etc.) 
 Una propiedad es extensiva si su valor para un sistema es la suma del 
valor de cada una de las partes en que se subdivide el sistema. Pueden 
ser función del tiempo (Masa, volumen, energía) 
 En algunos casos las propiedades extensivas se hacen intensivas al 
dividirlas por la masa del sistema. 
Una fase es una materia que es homogénea en su estructura física y química. 
 
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Una sustancia pura es uniforme e invariante en su composición química. 
Podemos decir que un sistema esta en equilibrio si cuando lo aislamos de su 
entorno sus propiedades no varían, para que esto ocurra tiene que darse 
cuatro clases de equilibrio. 
 Equilibrio de fuerzas conocido de la mecánica. 
 Equilibrio térmico, de fases y químico. El equilibrio termodinámico es 
más extenso que el equilibrio de fuerzas. 
 
Para poder analizar los estados de un sistema y poder aplicar modelos 
termodinámicos sencillos es necesario considerar que el sistema está en 
equilibrio, esto no siempre es cierto en las transiciones de un estado a otro 
(procesos). La transmisión de la onda de presión en un fluido supone 
situaciones de no equilibrio, por lo general las ondas de presión se amortiguan 
rápidamente llegándose a un estado de equilibrio. 
 
Se denomina proceso cuasiestático (cuasiestacionario o cuasiequilibrio) aquel 
que va de un estado a otro desviándose del equilibrio en un modo infinitesimal, 
es decir evoluciona a través de diferentes estados de equilibriohasta llegar al 
estado final. 
 
3. El equilibrio térmico, el Principio Cero, concepto de temperatura y su 
medida. 
 
La temperatura es una propiedad intensiva habitualmente relacionada con el 
concepto de caliente o frío y difícil de definir de un modo riguroso en la 
termodinámica clásica. Sin embargo cuando la temperatura de un sistema 
cambia otras propiedades lo hacen también y de esta forma se puede 
determinar su valor. 
 
Cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto sus 
temperaturas evolucionan hasta igualarse, se dice que ha habido una 
interacción térmica que ha concluido con el equilibrio térmico. 
 
Ningún material interpuesto entre los dos cuerpos puede evitar que evolucionen 
hacia el equilibrio, no existe el aislante ideal o pared adiabática. 
 
Un sistema encerrado en una pared adiabática evoluciona en un proceso 
adiabático, un proceso en el que la temperatura del sistema permanece 
constante se denomina proceso isotermo. 
 
El principio cero de la termodinámica indica que si dos cuerpos están en 
equilibrio térmico con un tercero, están equilibrio térmico entre si. 
 
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Para determinar la temperatura de un sistema establecemos un equilibrio 
térmico con otro sistema a que se le suele denominar termómetro, el cual 
tiene una propiedad termométrica que se modifica en función de la 
temperatura de una manera fácilmente medible que nos permite determinar la 
temperatura del mismo y de nuestro sistema en equilibrio con el termómetro. 
 
Termómetro de bulbo. 
 
Termómetro de gas. 
 
Otros sensores: termopares, termoresistencias, termistores y pirómetros. 
 
La escala Kelvin de temperatura una escala termodinámica absoluta de 
temperatura que proporciona una definición continua de la temperatura, valida 
sobre todos los rangos de esta. Cualquier medida de temperatura puede 
relacionarse con la escala Kelvin. 
Escalas Celsius, Rankine y Fahrenheit 
Escala Kelvin Celsius Rankine Fahrenheit 
Punto de vapor 373.15 100.0 617.67 212 
Punto tripe del agua 273.16 0.01 491.69 32.02 
Punto de hielo 273.15 0.0 491.67 32.0 
Cero absoluto 0.0 -273.15 0.0 -459.67 
 
4. Propiedades térmicas de una sustancia pura. 
 
Densidad: Relación entre la masa y el volumen ocupado por la misma. 
 Es una propiedad intensiva y depende de la posición y del tiempo 
 El volumen sobre el que se considera la masa es lo suficientemente 
pequeño para que se considere un punto y lo suficientemente grande 
como para contener una cantidad de partículas grande para que los 
promedios estadísticos sean significativos. 
 
Volumen especifico: es la inversa de la densidad, es una propiedad intensiva 
 Muchas propiedades como el volumen se pueden expresar en forma 
específica es decir dividiendo una propiedad extensiva entre la masa 
que tiene esa propiedad para convertirlas en intensiva. También se 
puede hacer en base molar dividiendo entre el número de moles. 
 Una magnitud específica en base de masa se pasa a base molar 
multiplicándola por el peso molecular de la sustancia. 
 
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 Las propiedades específicas se suelen expresar con la minúscula de la 
propiedad extensiva y si son en base molar se coloca una barra sobre el 
símbolo. 
     molmvmolkgPmxkgmv 33  
Presión: es la fuerza que ejerce un fluido en reposo sobre un determinado 
área, dividida por esa área. 
 Es una propiedad intensiva 
 Al igual que la densidad el área es lo mas pequeña posible. 
 En el caso de fluido en movimiento hay que tener en cuenta solo la 
componente normal a la superficie. 
 El concepto de presión presentado se refiere a la presión absoluta, la 
presión manométrica se define como la diferencia entre la absoluta del 
sistema y la absoluta del entorno. 
 Cuando la presión del sistema es menor que la del entorno se suele 
utilizar el concepto del presión de vacío que es la manométrica 
cambiada de signo. 
 
PROBLEMAS 
 
Grupo 1 Grupo 2 
Problema 1.3 
Problema 1.5 
Problema 1.7 H2 y NH3 
Problema 1.10 
Problema 1.24 
Problema 1.4 
Problema 1.6 
Problema 1.7 N2 y C3H8 
Problema 1.14 
Problema 1.27