TERMODINAMICA (INTRODUCCION Y CONCEPTOS BASICOS)

TERMODINÁMICA Y ENERGÍA

La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía (la energía se puede considerar como la capacidad para producir cambios).

La palabra termodinámica proviene de las palabra griegas there (calor) y dynamis (fuerza) lo cual corresponde a lo mas descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor energía.

Una de las mas importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de la conservación de la energía. Esta expresa que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. Es decir “La Energía no se crea ni se destruye”.

La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica.

La segunda ley de la termodinámica, afirma que la energía tiene calidad asi como cantidad y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de energía.

La primera y la segunda leyes de la termodinámica surgieron de forma simultánea a partir del año 1850 principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin. El término termodinámica se uso primero en una publicación de Lord Kelvin en 1849, y por su parte, William Rankine, profesor de la universidad de Glasgow, escribió en 1859 el primer texto sobre el tema.

Al estudio macroscópico de la termodinámica que no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partículas se llama termodinámica clásica, y proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas de ingeniería. Un enfoque mas elaborado, vasado en el comportamiento promedio de grupos granes de partículas individuales, es el de la termodinámica estadística el cual es una enfoque microscópico bastante difícil de estudiar.

La termodinámica se puede encontrar en la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interacción entre la energía y la materia; por consiguiente la termodinámica se encuentra en todas las aéreas.

IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADES

Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones básicas, como masa m, longitud L, tiempo t, temperatura T se seleccionan como unidades primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energía E y volumen V se expresan en términos de as dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.

Existen en la actualidad dos sistemas de unidades importantes: el SI y el Sistema Ingles

El SI métrico (Sistema Internacional). El SI es un sistema simple y lógico basado en una relación decimal entre las distintas unidades, y se usa para trabajo científico y de ingeniería en la mayor parte de las naciones industriales, incluso en Inglaterra.

El sistema Ingles no tiene base numérica sistemática evidente y varias unidades de este sistema se relaciones entre sí de manera bastante arbitraria, y las unidades correspondientes son libra-masa (lbm), pie (ft) y segundo (s). Estados Unidos es el único país industrializado que aun no adopta por completo el SI.

La unidad de la fuerza deriva de la segunda ley de Newton: Fuerza= (masa)(aceleración). En el SI la unidad de fuerza es el newtons (N) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de ¡kg a razón de 1m/s^2. En el Sistema ingles, la unidad de fuerza es la libra fuerza (lbf) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm (1 slug) a razón de 1 ft/s^2.

1N=1kg*m/s^2

1lbf=32.174 lbm*ft/s^2

En 1960, la CGPM produjo el SI, el cual se basa en seis cantidades fundamentales, cuyas unidades se adoptaron en 1954 en la decima Conferencia Gral. De pesos y Medidas: metro (m) para la longitud, kilogramo (kg) para la masa, segundo (s) para el tiempo, ampere (A) para corriente eléctrica, grado kelvin (°K) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa. En 1971, la CGPM añadió una séptima cantidad fundamental el mol (mol) para la cantidad de materia.

La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicación en el universo, sin embargo, su peso se modifica con un cambio en la aceleración gravitacional. La aceleración gravitacional g en un lugar depende de la densidad local de la corteza terrestre.

El trabajo, es una forma de energía, se puede definir simplemente como la fuerza multiplicada por la distancia; por lo tanto tiene la unidad “newton-metro (N*m), llamado joule (J).

1J=!N*m

Una unidad más común para la energía en el SI es el kilojoule (1 kJ= 10^3 J). En el sistema ingles la unidad de energía es el Btu, que se define como la energía requerida para elevar de 1°F la temperatura de 1lbm de agua de 68°F. En el sistema métrico, la cantidad de energía necesaria para elevar 1°C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5°C se define como 1 caloria (cal), y 1 cal =4.1868 J. Las magnitudes de kilojoule y Btu son casi idénticas (1 Btu=1.0551 kJ).

Homogeneidad Dimensional

En ingeniería las ecuaciones deben de ser dimensionalmente homogéneas. Es decir cada término de una ecuación debe tener la misma unidad.

Relación de Conversión de Unidades

Todas las unidades no primarias (secundarias) se forman a través de combinaciones de unidades primarias las cuales se pueden expresar de modo más conveniente como relaciones de conversión de unidades.

Las relaciones de conversión de unidades son iguales a q y no tienen unidades, por lo tanto, tales relaciones se pueden insertar de forma conveniente en cualquier cálculo para convertir unidades de manera adecuada.

Sistemas Cerrados y Abiertos

Un sistema se define como cantidad de materia o región en el espacio elegido para análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores se llama frontera (la frontera de un sistema puede ser fija o móvil). La frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores, la frontera tiene espesor cero y por lo tanto no puede contener ninguna masa no ocupar un volumen en el espacio.

Los sistemas se pueden considerar cerrado o abiertos, dependiendo de si se elige para el estudio de una masa fija o volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado o (masa de Control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Es decir ninguna masa puede entrar o salir del sistema cerrado pero la energía en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera, y el volumen de un sistema no tiene que ser fijo.

Un sistema abierto

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