Primera y Segunda Ley Combinadas

 Considerando el caso genérico de un volumen de control en el que se producen cualquier tipo de procesos físicos o químicos(sin considerar los nucleares), em el que existen varios flujos de materia entrando y saliendo del sistema, transferencia de calor con varios reservorios a diferentes temperaturas.

El diagrama de energías del volumen de control se presentan en la siguiente figura, en donde quedan representados todos los flujos de masa y energía conforme a la descripción de párrafo anterior.

El Balance de Primera Ley o balance de energía queda como:


en donde He y Hs corresponden a las entalpías específicas de cada flujo de entrada y salida respectivamente.

El balance de Segunda Ley o balance entrópico queda como:

en donde Se y Ss son las entropías de los flujos entrantes y salientes respectivamente y dSg es la entropía generada por el sistema en el intervalo de tiempo dt.
Si de las ecuaciopnes de balance de energía y entroía despejamos Q10 nos queda:

en donde la sumatoria de los calores es desde i=1 hasta n, descontando el Q0


igualando ambas ecuaciones y despejando el trabajo útil nos queda

 Si definimos como el Ambiente Estable de Referencian (AER) las condiciones de T=To y P=Po, podemos ver de la ecuación anterior que los dos primeros términos de la derecha corresponden a la diferencia de energías de lops flujos calor y el último término es la destrucción de exergía.

Por lo que el balance de exergía queda expresado como:



Energía Disponible, Trabajo Máximo y Disponibilidad

 Recordando que la Segunda Ley de la Termodinámica expresa la posibilidad total y continuamente el calor en trabajo.

La Entropía es todo proceso es ´´Degenerativo´´ en cuanto la capacidad de realizar un trabajo.

BALANCE DE ENERGÍA

Es importante conocer no asolo las pérdidas en un sistema mediante un balance de energía, sino también la parte de esta que aún puede convertir en trabajo; como por ejemplo los gases de combustión que se pueden volver a recuperar.

PROCESO REVERSIBLE
Es una gráfica de (T-S), toda el área bajo la curva para un proceso se lo conoce como Q.

La derivada del trabajo es: 



La cantidad de calor disipado a la atmósfera es la derivada de calor inicial Qo que es igual a la temperatura inicial To por la derivada sobre la temperatura final:
Entonces, para procesos reversibles:


PROCESO IRREVERSIBLE
Para un proceso irreversible en un diagrama (T-S), no tiene interpretación física.



Balance de Energía

 La energía total de un sistema corresponde a la sumatoria de tres tipos de energía:

*Energia Cinética
*Energía Potencial
*Energía Interna

La Energía Cinética sucede debido al movimiento traslacional del sistema, respecto a una referencia ó bien la rotación de un sistema alrededor de un eje.

La Energía Potencial es debida a la posición del sistema en un campo potencial (campo gravitatorio o campo electromagnético)

La Energía Interna sucede por el movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa del sistema o energía, esto pasa por las interacciones electromagnética entro los átomos y/o partículas subatómicas. 

Recordando que las dos formas de emergía em tránsito son el Calor y el Trabajo.

*Calor: Es la energía que fluye como resultado de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.

*Trabajo: Es la energía que fluye como consecuencia de cualquier fuerza impulsora diferente a un gradiente de temperatura.

Estos términos son referidos a solamente energía que se puede transferir, es normal hablar de calor o trabajo en base a lo transferido a un sistema.

CALCULO DE ENERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL

Ec=1/2 *m * V^2

Ep= m.g.z

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS CERRADOS

En la más general de las formas, la primera ley dice que la velocidad a la cual la energía (cinética + potencial + interna) es ingresada a un sistema por un fluido.
El balance integral de un sistema cerrado debe ser planteado entre dos instantes de tiempo, como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o consumo no tiuenen sentido llegando a:

Acumulación = entrada - salida


BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS
En este proceso hay un flujo de materia que atraviesa los limites del mismo mientras el proceso se lleva a cabo.
En ambos trabajos (ingresar o egresar) deben ser incluidos en el balance de energía, y la diferencia entre ambos es el trabajo de flujo.


SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

El segundo principio de la termodinámica expresa que: La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

Este principio establece la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor. Es un principio de loa evolución que fue enunciado por primera vez por Sadi Carnot en 1824. Después ha sido objeto de numerosas generalizaciones y formulaciones sucesivas por Clapeyron.

El segundo principio introduce la función de estado entropía S, por lo general asimilada a la noción de aleatoriedad que no puede mas que crecer en el curso de una transformación termodinámica real.




CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o maquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior.

el rendimiento de este ciclo viene definido por:







PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Es un principio que refleja la conservación de la energia en el contexto de la termodinámica y establece que si se realiza el trabajo sobre un sistema o bien este intercambia calor con el otro, la energia interna del sistema cambiara. Visto de otra forma, este principio permite definir el calor como la energia necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energia interna. En palabras simples: la energia total del universo se mantiene constante. No se crea ni se destruye, solo se transforma.





SISTEMA CERRADO

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera. 





SISTEMA ABIERTO

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.





PROCESO CICLICO

Un proceso que finalmente devuelve un sistema a su estado inicial se denomina proceso cíclico. Al final de un ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que tenían al principio. Para tal proceso, el estado final es el mismo que el estado inicial, por lo que el cambio total de energia interna debe ser 0. El vapor (agua) que circula a través de un circuito cerrado de enfriamiento experimenta un ciclo.




PROCESO ADIABATICO

En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema termodinámico (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isoentrópico. El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina proceso isotérmico.





MAQUINA TERMICA Y POR EFICIENCIA

El rendimiento térmico o eficiencia de una maquina térmica es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energia producida ( en un ciclo de funcionamiento) y la energia suministrada a la maquina ( para que logre completar el ciclo termodinámico).





TABLAS TERMODINAMICAS








ENTALPIA

Es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede entender como un sistema termodinámico. se trata de una transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energia. En este sentido la entalpia es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.









SUSTANCIAS PURAS Y SUS FASES

 SUSTANCIAS PURAS 

Las sustancias puras son aquellas que tienen una composición química fija y definida, ósea , que no varia sin importar las condiciones físicas en que dicha sustancia de encuentre. Dicho de otro modo, las sustancias puras permanecen químicamente inalteradas (no cambia su estructura química) en sus distintos estados de agregación.

Utilizando métodos de separación físicos las sustancias puras no pueden ser descompuestas en sustancias mas simples, ni en sus elementos constitutivos. Para descomponer una sustancia pura es necesario emplear métodos químicos mediante los que se transforma la sustancia en otras sustancias, o en los elementos que la componen.

Además, a una presión y temperatura especifica, se pueden reproducir para las sustancias puras, propiedades físicas como la densidad, el punto de ebullición y el punto de fusión.

Ejemplos de sustancias puras:

AGUA ,OZONO, MONOXIDO DE CARBONO, DIOXIDO DE CARBONO, HIERRO PURO, SODIO, ORO PURO, BENCENO, GRAFITO.


FASES DE UNA SUSTANCIA PURA


Una fase es un estado en una secuencia de posibles estados periódicos. Las fases en termodinámica son los distintos estados homogéneos en los que se presenta una sustancia al ir cambiando su estado termodinámico (temperatura, presión o concentración). Los tres estados físicos de la materia son: solido, liquido y gaseoso.





ESTADO SOLIDO

Es un estado de agregación de la materia, que se caracteriza porque opone resistencia a cambios de forma y de volumen. Sus partículas se encuentran juntas y también se ven correctamente ordenadas. Las moléculas de un solido tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas.




ESTADO LIQUIDO

Es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente incomprensible, lo que significa que su volumen es casi constante en un rango grande de presión. Es el único estado con un volumen definido, pero no con forma fija. El liquido esta formado por pequeñas partículas vibrantes de la materia, como los átomos y las moléculas, unidas por enlaces intermoleculares.




ESTADO GASEOSO

Es un estado de agregación de la materia en la que las partículas se mantienen unidas mediante interacciones débiles, siendo capaces de desplazarse por todas las direcciones del recipiente que las contiene. De todos los estados físicos de la materia, el gaseoso es el que manifiesta mayor libertad y caos.

Los gases ejercen presión, transportan calor, y están compuestos por cualquier tipo de partículas pequeñas. Nuestra atmosfera y el aire que respiramos es una manifestación del estado gaseoso aquí en la tierra.




PUNTO TRIPLE Y DIAGRAMAS PT Y PV

 PUNTO TRIPLE


El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado solido, el estado liquido, y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con respecto a una temperatura y a una presión de vapor.

El punto triple del agua, por ejemplo, esta a 273.16 K (0.01 C) y a una presión de 611.73 Pa ITS90. Esta temperatura debido a que es un valor constante, sirve para calibrar las escalas Kelvin y Celsius de los termómetros de mayor precisión.





DIAGRAMAS P-T Y P-V


Los diagramas de estado permiten representar los distintos cambios de estado que experimentan las sustancias. Estos son los diagramas P-V y P-T. El diagrama de fase únicamente representa las tres fases para cualquier sustancia.

El diagrama PVT es la representación en el espacio tridimensional Presión-Volumen especifico-Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico.

Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debiéndose las discontinuidades a los cambios de estado que experimenta el compuesto al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.

Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase solida , la fase liquida y la fase gaseosa.

Nótese que para una fase dada P, V y T están relacionados por la ecuación de estado (tal como la ecuación de los gases perfectos ola ley de deformación elástica para los solidos)





DIAGRAMA P-T




DIAGRAMA P-V







LEY DE LOS GASES IDEALES

 LEY DE LOS GASES IDEALES

Es la ecuación del estado del gas ideal, un gas hipotéticamente formado por partícula puntuales si atracción ni repulsión entre ellas cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energia cinética). La energia cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal.
Los gases reales que mas se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura.





LEY DE BOYLE

La ley de Boyle afirma que presión y el volumen son inversamente proporcionales entre si a temperatura constante. Finalmente, la ley de Gay-Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la presión y la temperatura absoluta siempre y cuando se encuentren a un volumen constante.






La ley de Boyle fue descubierta por Robert Boyle en el siglo XVII, y fue la ley que estableció las bases para poder explicar la relación que existe entre la presión y el volumen que existe en un gas. Por medio de una seri de experimentos, logro demostrar que, si había una temperatura constante, un gas al ser sometido a mas presión reduce su volumen, mientras que si la presión decrece el volumen aumenta.
La ley de  Boyle puede ser expresada de forma matemática de la siguiente manera: P x V=K
Donde:
P es Presión
V es volumen
K es una constante que nos indica cuando la temperatura y masa son constantes.






LEY DE CHARLES

Es bastante interesante que muchas sustancias diferentes se comporten exactamente igual. La explicación aceptada, que James Clerk Maxwell planteo alrededor de 1860, es que la cantidad de espacio que ocupa un gas depende puramente del movimiento de las moléculas de gas .
En condiciones normales, las moléculas de gas están muy lejos de sus vecinos, y son tan pequeñas que su propio volumen es insignificante. La ley de Charles es una ley de gas que establece que los gases se expanden cuando se calienta. La ley también se conoce como la ley de los volúmenes.





La ley de Charles es una de la leyes que se encuentra relacionada con los gases. Consiste en la relación que existe entre el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, el cual se mantiene a una presión constante, por medio de una constante de proporcionalidad que se aplica de forma directa. Jacques Charles dice que para una determinada suma de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye por que la temperatura se encuentra directamente relacionada con la energia del movimiento que tienen las moléculas de un gas a una presión dada, se dará una mayor velocidad de las moléculas y mayor volumen del gas.






La ley de Charles en su versión moderna señala que el volumen y la temperatura de un gas son directamente proporcionales. Entonces: V/T=K
V=
volumen de gas
T= temperatura Kelvin
K= constante de proporcionalidad
Para un volumen V1 y una temperatura T1






LEY DE GAY-LUSSAC


Uno de los aspectos mas asombrosos que podemos conocer sobre los gases es que, a pesar de las grandes diferencias en las propiedades químicas que tiene cada uno de ellos, todos los gases obedecen mas o menos a las leyes de los gases. Las leyes de los gases se refieren a como se comportan los gases con respecto a la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad.






La ley de Gay-Lussac es una ley que nos dice que dependiendo del volumen que exista de manera constante, la presión de un gas será directamente proporcional a la temperatura. Cuando se aumenta la temperatura, las moléculas que tiene un gas se movilizan mas rápidamente y por esta razón aumenta el numero de choques que se da contra las paredes, en otras palabras, se aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.
Consiste en establecer una relación entre la presión y la temperatura de un gas ideal, manteniéndolo a un volumen constante, por medio de una constante de proporcionalidad directa. En la que se nos dice que cuando hay un volumen constante, al aumentar la temperatura, la presión del gas aumenta y cuando se disminuye la temperatura, presión del gas disminuye.

De acuerdo con el enunciado, la ley de Gay-Lussac puede expresarse matemáticamente de la siguiente manera

P1/T1 = K

V = volumen
T = temperatura
K = constante






SISTEMA DE UNIDADES

 SISTEMA DE UNIDADES

Es un conjunto de unidades de medida consistente, normalizado y uniforme. En general definen unas pocas unidades de medida a partir de las cuales se deriva el resto. 
Existen varios sistemas de unidades:

  • Sistema Internacional de Unidades
  • Sistema Métrico Decimal
  • Sistema Cegesimal de Unidades
  • Sistema Natural
  • Sistema Técnico de Unidades
  • Sistema Anglosajón de Unidades
  • Sistema MKS de Unidades

Además de estos sistemas, existen unidades practicas usadas en diferentes campos y ciencias.
Algunas de ellas son:

  • Unidades Atómica
  • unidades usadas en Astronomía
  • Unidades de Masa
  • Unidades de Medida de Energia



SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES:

                  La versión moderna de el sistema métrico y el mas usado en actualidad.
Sus unidades básicas son:

  • Metro
  • Kilogramo
  • Segundo
  • Amperio
  • Kelvin
  • Candela
  • Mol


SISTEMA METRICO DECIMAL:

                     Primer sistema unificado de medidas.
Sus unidades básicas son:
  • Metro
  • Gramo
  • Litro









SISTEMA CEGESIMAL DE UNIDADES:

                        Denominado así porque sus unidades básicas son: el centímetro, el gramo y el segundo.
Fue creado como ampliación del sistema métrico para usos científicos. 





SISTEMA NATURAL:

                          En el cual las unidades se escogen de forma que ciertas constantes físicas valgan exactamente la unidad.






SISTEMA TECNICO DE UNIDADES:

                   Derivado del sistema métrico con unidades creadas para usos técnicos y basadas en el anterior. Este sistema esta es desuso.










SISTEMA ANGLOSAJON DE UNIDADES:

Es el sistema anglosajón tradicional
 en 1824 fue normalizado en el reino unido con el nombre de sistema imperial ,cuyo uso se mantiene en la vida corriente de este país.
También fue normalizado en los Estados Unidos, con algunas diferencias sobre el sistema imperial, y este ultimo solo se utiliza como sistema legal en Estados Unidos y el Liberia.




SISTEMA MKS DE UNIDADES:

                            Expresa las medidas utilizando como unidades fundamentales metro, kilogramo y segundo (MKS). El sistema MKS de unidades sentó las bases para el Sistema Internacional de Unidades, que ahora sirve como estándar internacional.