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OBJETIVO:
El alumno analizará los conceptos y principios fundamentales de la
termodinámica clásica para aplicarlos en la solución de problemas físicos.
Desarrollará sus capacidades de: observación, modelado de fenómenos físicos,
manejo de instrumentos y equipos experimentales, razonamiento lógico y toma
de decisiones.
TEMAS:
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Número
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Nombre
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Horas
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1
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Conceptos
fundamentales y la ley
cero de la termodinámica
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14.5
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2
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La 1a. ley
de la termodinámica
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18.0
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3
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Propiedades
de las sustancias puras
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14.0
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4
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El balance
de energía. Aplicaciones de la primera
ley de la termodinámica
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17.5
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5
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La 2a. ley
de la termodinámica
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8.0
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Prácticas
de laboratorio
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32.0
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TOTAL
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104.0
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ANTECEDENTES, OBJETIVOS Y CONTENIDOS DE LOS
TEMAS:
I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y LA LEY CERO DE LA TERMODINAMICA.
ANTECEDENTES: Cálculo II.
OBJETIVO:
El alumno calculará la variación de la presión en los fluidos estáticos,
relacionará las diversas escalas de temperatura, establecerá las condiciones
de equilibrio de un sistema según sus restricciones e identificará las
características distintivas de las propiedades de la sustancia.
CONTENIDO:
I.1 Sistemas termodinámicos cerrados y abiertos. Fronteras.
I.2 Propiedades macroscópicas de las sustancias (extensivas e intensivas).
I.3 Equilibrio termodinámico.
I.4 Volumen, volumen específico, densidad, densidad relativa y peso
específico.
I.5 Presión. El gradiente de presión -la ecuación fundamental de la
hidrostática-. Manometría.
I.6 Equilibrio térmico. La ley Cero. Temperatura.
I.7 Propiedades termométricas.Escalas empíricas de temperatura. La temperatura
absoluta.
I.8 El postulado de estado. El diagrama (v,P). Procesos. Proceso
casiestático.
I.9 Las características matemáticas de las propiedades de la sustancia.
II. LA 1a. LEY DE LA TERMODINAMICA.
ANTECEDENTES: Cálculo II.
OBJETIVO:
El alumno reconocerá la importancia del concepto de energía y de sus formas
en tránsito y formulará las ecuaciones que modelen el funcionamiento de los
sistemas de interés en la ingeniería.
CONTENIDO:
II.1 Concepto de calor: sensible (la capacidad térmica específica) y latente.
El calor que entra en el sistema es positivo.
II.2 Concepto de trabajo. La definición mecánica. Trabajo casiestático de una
sustancia compresible.El trabajo que entra en el sistema es positivo.
Interpretación gráfica del trabajo en el diagrama (v,P).
II.3 El trabajo y los cambios de las energías cinética y potencial.
II.4 Los experimentos de Joule.
II.5 La relación de equivalencia entre el calor y el trabajo.
II.6 La Primera ley.
II.7 La energía termodinámica como propiedad de la sustancia.
II.8 El principio de conservación de la energía
II.9 La primera ley en ciclos. Eficiencia térmica.
II.10 Balances de masa y de energía. Aplicación en sistemas abiertos.
II.11 La entalpia.
II.12 Balances de energía en casos especiales: régimen permanente, estado
estable, fluidos incompresibles (ecuación de Bernoulli).
II.13 Balances de energía en equipos de interés en la Termodinámica.
II.14 La energía interna y el calor a volumen constante: la Cv.
II.15 La entalpia y el calor a presión constante: la Cp.
III. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS.
ANTECEDENTES: Cálculo II.
OBJETIVO:
El alumno establecerá las propiedades necesarias, basado en el postulado de
estado, para aplicar las leyes de la termodinámica, utilizando tablas y
gráficas.Así mismo reconocerá las limitaciones y los alcances de los modelos
matemáticos, principalmente de la ecuación de estado del gas perfecto, en la
aplicación de las leyes de la termodinámica.
CONTENIDO:
III.1 La curva de calentamiento. Diagramas de fase. Estados triple y
crítico. La calidad.
III.2 Procesos casiestáticos y su representanción en diagramas de
fase(T,P),(v,T), (v,P) y (h,P).
III.3 Tablas de las propiedades: P, v, T, u y h. Interpolación lineal.
III.4 La ecuación de estado.
III.5 Los coeficientes de compresibilidad isotérmica y de expansión
isobárica. El coeficiente de Joule y de Thomson.
III.6 Los experimentos de Boyle y de Mariotte, de Gay-Lussac y de Charles.
III.7 La temperatura absoluta.
III.8 El gas perfecto y su ecuación.
III.9 La ley de Joule para el gas ideal: du = CvdT, dh = CpdT.
III.10 La fórmula de Mayer (Cp-Cv = R). La ecuación de Poisson para el
proceso casiestático y adiabático (Pvk= constante)
IV. EL BALANCE DE ENERGIA. APLICACIONES DE LA
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA.
ANTECEDENTES: Cálculo II.
OBJETIVO:
El alumno modelará matemáticamente y resolverá cuantitativamente los
problemas en que sean importantes las transmisiones energéticas, relacionados
con los principales sistemas de aplicación en la ingeniería.
CONTENIDO:
IV.1 Metodología general en la resolución de problemas.
IV.2 Aplicación de la Primera ley a sistemas cerrados y abiertos: procesos
isotérmicos, isométricos, isobáricos, adiabáticos y politrópicos con
sustancias reales y con el gas ideal con índice adiabático, k, constante.
IV.3 Aplicación de la Primera ley en ciclos: de Rankine y de refrigeración
por la compresión de vapor. Los ciclos de Carnot, de Brayton, de Otto, de
Diesel y de un compresor alternativo. Las eficiencias de los ciclos como introducción
a la segunda ley.
V. LA 2a. LEY DE LA TERMODINAMICA.
ANTECEDENTES: Cálculo II.
OBJETIVO:
El alumno calculará los cambios de entropía y establecerá las posibilidades
de realización de los procesos y las mejores condiciones de funcionamiento de
los sistemas de aplicación en la ingeniería.
CONTENIDO:
V.1 El postulado de Clausius (refrigeradores) y de Kelvin y de Planck
(máquinas térmicas).
V.2 El proceso reversible. Causas de irreversibilidad.
V.3 El teorema de Carnot. La escala termodinámica de temperaturas absolutas.
V.4 La desigualdad de Clausius como consecuencia de la Segunda ley.
V.5 La entropía como propiedad de la sustancia.
V.6 Diagramas de fase: (s,T) y (s,h) o de Mollier. Interpretación gráfica del
calor en el diagrama (s,T)
V.7 Generación de entropía. Balance de entropía en sistemas cerrados y
abiertos, con sustancias reales y con el gas perfecto de k constante.
V.8 La eficiencia isentrópica de equipos: turbinas, compresores, bombas,
toberas y difusores.
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Alejandro Rojas
Tapia - 2011