CALOR.

CALOR.

Es una forma de transferencia de energía. La otra forma es el trabajo. La transferencia de energía por calor se da cuando este pasa las fronteras de un sistema y el calor mismo se define como aquella forma de energía que se transfiere debido a una diferencia de temperatura. Dado esto es necesario aclarar que la temperatura es la medida de la transferencia de energía por calor. Calor, por último, es simplemente energía en tránsito.
Se denomina proceso adiabático a aquel durante el cual no hay transferencia de calor, bien sea porque el sistema se encuentra aislado de modo que no se pierde energía o porque el sistema está a la misma temperatura que sus alrededores.
Es útil diferenciar que un proceso adiabático no es lo mismo que un proceso isotérmico porque aún cuando un proceso sea adiabático, por medio de trabajo se puede cambiar la energía del sistema, lo que causa un aumento o una disminución de la temperatura.


• Interacción Energética entre el Sistema y los Alrededores.
• Transferencia de Energía debido a una diferencia de Temperatura.
• Involucra un cambio de Temperatura.
• Energía transitoria no almacénale.
• Se asocia con un proceso y no con un estado.
• Es una función de trayectoria.
• Se presenta al atravesar los límites.

CONVENSION DE SIGNOS.
Calor que Entra al sistema es POSITIVO.
Calor que Sale del sistema es
NEGATIVO.

Mecanismos de transferencia de calor
1. Por conducción
Transferencia de energía de las partículas más calientes a las menos calientes, o de las de mayor energía hacia las de menor energía.
2. Por convección
Sucede cuando la transferencia de calor se da no entre sistemas estáticos sino entre uno estático y uno que está en movimiento, o mejor, entre una superficie sólida y un fluido en movimiento.
3. Por radiación
Es la debida a la emisión de ondas electromagnéticas, que también llaman fotones.

• Proceso ADIABATICO

COMPARACIÓN ENTRE W Y Q.
- Son energías transitorias no pueden
almacenarse.
- Son funciones de trayectoria.
- Se observan cuando atraviesan los
limites del sistema.

OTRAS FORMAS DE TRABAJO QUE NO IMPLICAN CAMBIO DE VOLUMEN

Trabajo

TRABAJO:
Es la otra forma de transferencia de energía aparte de la transferencia de calor. El trabajo es por definición energía que se transfiere gracias a la acción de una fuerza a lo largo de una distancia. El símbolo para el trabajo es la letra W.

• Interacción Energética entre el Sistema y los alrededores.
• Cuando ocurre siempre se observa un desplazamiento como efecto
• Energía Transitoria no almacenable.
• Se asocia con un proceso y no con un estado.
• Es una función de trayectoria.

El trabajo depende por tanto de:
- Estado inicial.
- Estado Final.
- Trayectoria.
Gráficamente:

(d) Diferencial exacta (indica una función de punto) Cualquier propiedad




W2 y W1 no existen ya que el trabajo no es una función de punto




- El Trabajo realizado por el es agitador es negativo ya que entra al sistema.
- El Trabajo de expansión realizado por el pistón es positivo ya que sale del sistema.


- El trabajo que entra al sistema es NEGATIVO
- El trabajo que sale del sistema es POSITIVO

UNIDADES.

TIPOS DE TRABAJO.
- Magnético.
- Eléctrico.
- Mecánico.
-
PROCESO DE CUASIEQUILIBRIO.
Cuando una sustancia pura, simple, compresible experimenta un proceso en ausencia de fricción
como el que se muestra, para el cual la Fe es infinitesimal diferente a Fi se producen
desplazamientos infinitesimales, o lo que es lo mismo experimenta un proceso de
CUASIEQUILIBRIO.


- Si el sistema se comprime dV es negativo, por lo tanto el trabajo de compresión también lo es,
se considera trabajo sobre el sistema.
- Si el sistema se expande dV es positivo, por consiguiente el trabajo de expansión también
lo será, este es un trabajo realizado por el sistema.

Como en cuasiequilibrio todos los estados son de equilibrio, Se puede graficar cada estado del proceso y obtener el diagrama
P-V

Al resolver la integral obtenemos el área bajo la curva y esto representa el trabajo
intercambiado.
Se puede calcular gráficamente o bien obteniendo la ecuación de la curva para integrarla, paro lo cual se debe conocer la variación de la Presión con respecto del Volumen.





GASES IDEALES.
• Proceso a V = Cte.
W12 = 0
• Proceso a P = Cte.
A partir de la ecuación




• Proceso a PV = Cte
a Partir de la ecuación

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD Z

El factor de compresibilidad Z, es un factor de corrección, que se introduce en la ecuación de estado de gas ideal para modelar el comportamiento de los gases reales, los cuales se pueden comportar como gases ideales para condiciones de baja presión y alta temperatura, tomando como referencia los valores del punto crítico, es decir, si la temperatura es mucho más alta que la del punto crítico, el gas puede tomarse como ideal, y si la presión es mucho más baja que la del punto crítico el gas también se puede tomar como ideal.
La desviación de un gas respecto de su comportamiento ideal se hace mayor cerca del punto crítico.
Remitiéndonos a la sección de Gases Ideales tenemos:
Introduciendo el factor de corrección Z:

Por lo tanto:

El factor Z también se puede entender como:

Donde
vactual: volumen específico que se tiene del gas.
videal: volumen específico del gas tomado de la ec. de gas ideal.

Significado del valor de Z
Si el valor de Z es igual a 1 esto indica que el gas se comporta como ideal. Si el valor de Z es mayor o menor que 1 el gas se comporta como un gas real. Mientras mas grande sea la desviación del valor de Z con respecto a 1, mayor es la desviación del comportamiento respecto al comportamiento ideal del gas.
Normalización de la temperatura y la presión
Los gases se comportan de forma similar a temperaturas y presiones normalizadas respecto a sus temperaturas y presiones críticas. Es decir, Z es aproximadamente igual a la misma presión y temperatura reducidas para todos los gases.
Presión Reducida Temperatura Reducida Volumen específico Pseudorreducido Donde R=Rp: es decir, la constante particular del gas.
La carta o gráfica de compresibilidad generalizada de Nelson-Obert
Esta grafica es sumamente útil para determinar las propiedades de los gases bajo condiciones no ideales. Relaciona los valores de Z, Pr (presión reducida), Tr (temperatura reducida) y vr (volumen específico pseudorreducido).

GASES IDEALES

Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se denomina ecuación de estado. Hay varias ecuaciones de estado, algunas sencillas y otras complejas. La más sencilla de todas recibe el nombre de ecuación de estado de gas ideal, la cual predice el comportamiento P-v-T (v es volumen específico) de un gas bajo ciertas condiciones específicas con bastante exactitud.
En 1662 el inglés Robert Boyle observó durante sus experimentos con una cámara de vacío que la presión de los gases es inversamente proporcional a su volumen. En 1802, los franceses J. Charles y J. Gay-Lussac determinaron de modo experimental que a bajas presiones el volumen de un gas es proporcional a su temperatura. Es decir,

FORMAS DE LA ECUACIÓN DE GASES IDEALES

Donde:
P: presión absoluta.
V: volumen.
n: número de moles.
Ru: Constante Universal de los gases ideales.
T: temperatura aboluta.
M: peso molecular. Llamado también Masa molar.
Rp: Constante particular del gas.
m: masa.
v: volumen específico del gas.
ρ: densidad.
Para clarificar las ecuaciones se debe tener en cuenta lo siguiente.
M.n = m, v = V/m, ρ = m/V
Para conocer el valor de las constantes y las unidades remitirse a la sección unidades.

DIAGRAMAS DE PROPIEDADES

Para comprender de forma completa el comportamiento de las sustancias puras es necesario tener en cuanta los diagramas de propiedades. Estos diagramas son tres: el diagrama Temperatura vs. Volumen específico (T-v), el diagrama Presión vs. Volumen específico (P-v) y el diagrama Presión vs. Temperatura (P-T).

Estos diagramas son extraídos de las proyecciones sobre los planos que determinan los ejes de las llamadas superficies P-v-T. Y se dice superficies por el simple hecho de que no es una sino dos, la superficie para una sustancia que se contrae al congelarse y la superficie para la sustancia que se expande al congelarse.
Como es de esperarse, los diagramas varían de acuerdo a si la sustancia se contrae o se expande cuando se congela, pero de dichas variaciones se hablará más adelante.

Diagrama T-v

En este diagrama se pueden apreciar inicialmente tres regiones: la región de líquido comprimido, que es la región a la izquierda de la campana, la región de vapor sobrecalentado que es región a la derecha de la campana y la región de Líquido + Vapor saturados que es aquella que se halla dentro de la campana. La que se encuentra marcada como línea de P constante es toda la línea que comienza en la región de líquido comprimido, pasa por dentro de la campana y termina en la región de vapor sobrecalentado. No es solo el último segmento sino la línea completa.
Nótese el carácter ascendente que tiene la línea de presión constante de izquierda a derecha, ya que en el diagrama P-v, ésta no sube sino que baja.

A la línea que pertenece a la campana y baja hacia la izquierda del punto crítico la podemos llamar línea de líquido saturado, y a la línea que baja hacia la derecha del punto crítico la podemos llamar línea de vapor saturado.

Es importante mencionar que la campana está formada por los puntos de líquido saturado y de vapor saturado de infinitas líneas de presión constante, de modo que el que se presenta en el gráfico es solo un caso particular a cierta T y P determinadas.

Diagrama P-v

En comparación con el diagrama T-v, este diagrama tiene dos grandes diferencias. La primera es que la línea que era de presión constante pasa a ser una línea de temperatura constante, y la segunda, que dicha línea desciende de izquierda a derecha en lugar de ascender.

Diagrama P-T

Este diagrama también se conoce como diagrama de fase porque es posible identificarlas al estar separadas por tres líneas. La línea de sublimación es la que separa la fase sólida de la fase vapor, la de vaporización separa la fase líquida de la fase vapor y la línea de fusión separa la fase sólida de la fase líquida. Nótese que hay una desviación en la línea de fusión dependiendo de si la sustancias se expande o se contrae al congelarse.
Las tres líneas antes mencionadas convergen en el punto triple, el cual es el estado en el cual las tres fases de una sustancia pueden coexistir en equilibrio, es un estado donde se puede tener hielo, líquido y vapor al mismo tiempo.

TABLAS DE PROPIEDADES

TABLAS DE PROPIEDADES
Para determinar las propiedades de las sustancias puras se hace uso de tablas ya que las relaciones existentes entre propiedades termodinámicas son muy complejas para expresarse mediente ecuaciones.
Las tablas mas populares son las tablas de vapor de agua, aunque estas no solo contienen las propiedades del vapor de agua sino también del agua líquida y sólida bajo condiciones específicas.

TABLAS POR FASES

Tabla de Agua Saturada (L+V)
Lo primero es tener en cuenta que estatabla está dividida en dos partes. La parte en la que el valor de entrada es la temperatura o tabla de temperaturas y la parte en la que el valor de entrada es la presión o tabla de presiones.
Dado esto, se escoge cualquiera de las dos dependiendo de si el valor que se posee es la temperatura o la presión del agua como líquido saturado más vapor saturado.
Todas las tablas están ligadas directamente con los diagramas de propiedades, entonces lo ideal es identificar que significan los datos de la tabla en cada diagrama.

Para el caso específico de la tabla de temperaturas encontraremos:

1a columna
Temperatura de la sustancia.
2a columna:
Presión de saturación (Psat) para cada temperatura de la primera columna.
3a columna:
Volumen específico del líquido saturado (vf) a esa T y Psat.
4a columna:
Diferencia entre vg y vf (vfg), aunque algunos autores solo presentan a vg y vf sin dar la diferencia en una columna intermedia.
5a columna:
Volumen específico del vapor saturado (vg) a esa T y Psat.
6a - 14a columnas:
Son columnas similares a las tres de volumen específico pero para otras tres propiedades que son: la Energía Interna, la Entalpía y la Entropía.

Tabla 1. Agua Saturada. Tabla de Temperaturas

Tabla 2. Agua Saturada. Tabla de Presiones

Tabla de Vapor de agua sobrecalentado
Debido a que la línea que une los puntos que determinan el estado de un vapor sobrecalentado se halla fuera de la línea a temperatura constante, en esta tabla no existen propiedades para líquido saturado ni vapor satudado, es decir, sólo existe un valor por cada propiedad.
Otra forma de expresar lo anterior es diciendo que la región sobrecalentada es de una sola fase, por lo cual la temperatura y la presión ya no son propiedades dependientes y pueden usarse como dos propiedades independientes en las tablas.
Como se puede apreciar en los diagramas del lado derecho, con respecto al vapor saturado, el sobrecalentado tiene PTsat, v>vg, energías internas u>ug y entalpías h>hg.

Tabla de Agua líquida comprimida
La tabla de agua líquida comprimida comparte las mismas características que la de vapor sobrecalentado. Es importante notar que a pesar de que el valor de la presión se incrementa el volumen específico casi no cambia y en una variación de presión de 45 MPa y una de temperatura de 380ºC, el volumen específico del agua solo cambia de un v = 0.0009767 a 0.0018729 m3/kg, el cual es un cambio demasiado pequeño. Es por esta razón por la cual los líquidos se consideran incompresibles, porque su volumen cambia demasiado poco con cambios significativos en temperatura y presión.
Gracias a esta característica, el volúmen específico del líquido comprimido se puede aproximar al del líquido saturado sin que ello lleve a errores importantes.
Tabla de hielo saturado + vapor de agua
Esta tabla posee la misma estructura que la tabla de líquido mas vapor saturado. Debido a que son dos fases las presentes existen diferentes cantidades de ambas a medida que cambian las condiciones de temperatura y presión, es decir, se puede ir de un estado de todo hielo a otro de todo vapor gracias a la sublimación. Como es de esperarse, hay una primera columna con temperaturas, que van de un valor de referencia cercano a cero (como 0.01ºC) hasta un valor negativo (-40ºC por ej.).
Interpolaciones
Durante el manejo de las tablas se puede presentar el caso en el cual se trate de ubicar valores numéricos de las propiedades que no se muestran ya que las mismas no poseen todos los valores posibles, que son infinitos, sino una selección de ellos, por intervalos. Para solucionar esto existen las interpolaciones lineales, con las cuales se supone que el intervalo en el cual se analiza la curva que posee a los dos puntos para la interpolación, es una linea recta.
Cuando se tiene un par de puntos la interpolación que se ejecuta es simple, ya que dos puntos en un plano determinan una linea recta que pasa entre ellos, pero cuando no es suficiente con dos pares de coordenadas se hace necesario realizar dos interpolaciones simples o también llamadas una interpolación doble. Tabla de Agua líquida comprimida
que posee a los dos puntos para la interpolación, es una linea recta.
Cuando se tiene un par de puntos la interpolación que se ejecuta es simple, ya que dos puntos en un plano determinan una linea recta que pasa entre ellos, pero cuando no es suficiente con dos pares de coordenadas se hace necesario realizar dos interpolaciones simples o también llamadas una interpolación doble.

Curva 1. Ilustración para interpolación lineal como semejanza de triángulos.
Para realizar una interpolación simple tomamos dos puntos conocidos P1 y P2. Las coordenadas que se muestran X y Y se reemplazan por las variables que tratemos, es decir, si una es la temperatura y la otra el volumen específico, por ejemplo, trabajamos con X como T y con Y como v, por lo cual el gráfico lineal será un gráfico de T vs. v, y asi con cualquier variable que tengamos en función de cualquier otra.
Nos interesa hallar x o y ya que para la interpolación tendremos siempre un valor de los dos. Matemáticamente, se puede plantear la interpolacion como una relación de semejanza de triángulos, lo que resulta:
Ec. 1. Interpolación como semejanza de triángulos.
Ahora un ejemplo. Vamos a calcular el volumen específico del líquido saturado, vf, conociendo la temperatura, T=372ºC, con agua como sustancia. Para el ejemplo utilizaremos la tabla de L+V saturados expuesta arriba. Como 372ºC está entre 370 y 373.95ºC tomamos estos dos valor de T como si estuvieran sobre un eje X, y sus respectivos valores de vf como si estos estuvieran sobre el eje Y. Por último, cabe recordar que tenemos un valor más que es el valor de 372ºC al cual le queremos hallar el vf, por lo cual solo nos queda una incógnita en la ecuación de arriba.
Los valores han sido tomados de la Tabla 1 de la sección de la tabla de L+V en esta misma pagina mas arriba. Todo esto se aprecia mas claramente en la tabla siguiente.

En el ejemplo x = 372
Como conclusión, siempre conoceremos dos puntos y un valor más que puede ser x o y. Si tenemos x podemos hallar y, si tenemos y podemos hallar x. Asi:

Así, aplicando la ecuacion para y, es decir, para el vf, tenemos:
y = vf = 0.002667 m3/kg.
Valor que, según lo esperado, está entre 0.002217 y 0.003106 m3/kg.

TABLAS DE PROPIEDADES

TABLAS DE PROPIEDADES
Para determinar las propiedades de las sustancias puras se hace uso de tablas ya que las relaciones existentes entre propiedades termodinámicas son muy complejas para expresarse mediente ecuaciones.
Las tablas mas populares son las tablas de vapor de agua, aunque estas no solo contienen las propiedades del vapor de agua sino también del agua líquida y sólida bajo condiciones específicas.

TABLAS POR FASES
Tabla de Agua Saturada (L+V)
Lo primero es tener en cuenta que estatabla está dividida en dos partes. La parte en la que el valor de entrada es la temperatura o tabla de temperaturas y la parte en la que el valor de entrada es la presión o tabla de presiones.

Dado esto, se escoge cualquiera de las dos dependiendo de si el valor que se posee es la

temperatura o la presión del agua como líquido saturado más vapor saturado.
Todas las tablas están ligadas directamente con los diagramas de propiedades, entonces lo ideal es identificar que significan los datos de la tabla en cada diagrama.
Para el caso específico de la tabla de temperaturas encontraremos:

1a columna
Temperatura de la sustancia.
2a columna:
Presión de saturación (Psat) para cada temperatura de la primera columna.
3a columna:
Volumen específico del líquido saturado (vf) a esa T y Psat.
4a columna:
Diferencia entre vg y vf (vfg), aunque algunos autores solo presentan a vg y vf sin dar la diferencia en una columna intermedia.
5a columna:
Volumen específico del vapor saturado (vg) a esa T y Psat.
6a - 14a columnas:
Son columnas similares a las tres de volumen específico pero para otras tres propiedades que son: la Energía Interna, la Entalpía y la Entropía.
Tabla 1. Agua Saturada. Tabla de Temperaturas

PROPIEDADES DE UN SISTEMA

PROPIEDADES DE UN SISTEMA
A una característica de un sistema se le llama propiedad. Ej: presión, temperatura, volumen, masa, etc.Las propiedades de un sistema se diferencian en dos grupos:

1) Propiedades Intensivas Son aquellas que no dependen de la masa del sistema, como son, temperatura, presión y densidad. Es decir, si pudieramos aislar muchas partes del sistema y pudieramos medir estas propiedades en dichas partes tendríamos siempre la misma medida. Por ejemplo, si estamos midiendo densidad no importa si tomamos un poco de masa o mucha porque de todas formas va a ser la misma densidad en ambos casos ya que esta no depende de la cantidad de masa a la cual midamos densidad sino de la cantidad que exista de ella en cierta cantidad de volumen, la cual permanece siempre constante.

2)Propiedades extensivasSon aquellas que dependen de la masa o extensión del sistema como son la misma masa y el volumen. Si medimos la propiedad masa de un sistema tendremos que si medimos cierta cantidad de masa tendremos cierta medida, pero si duplicamos la cantidad de masa tendremos también el doble en la medición, es decir, la medida de la masa depende de la cantidad, propiedad extensiva.

DensidadMasa por unidad de volumen. Se simboliza con la letra del alfabeto griego ro minúscula.

ρ = m / V = masa / Volumen (kg/m³, lbm/ft³)

Volumen específicoEs el volumen por unidad de masa. Es el recíproco de la densidad.
v = 1/ρ = V/m (m³/kg, ft³/lbm)

Peso específicoEs el peso de un volumen unitario de una sustancia. Se simboliza con la letra del alfabeto griego gamma que es como una r minúscula de trazos curvos. Aqui la simbolizamos con una simple "r".
r = ρ . g = densidad . gravedad (N/m³, lbf/ft³)

Gravedad específica o Densidad relativaEs el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura especificada.En general, la sustancia estándar es agua a 4ºC. Se simboliza con la letra S mayúscula.
S = ρ_sustancia / ρ_agua a 4ºC = r_sustancia / r_agua a 4ºC