UNIDAD I
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DEFINICIÓN DE TERMODINÁMICA
En la Termodinámica se encuentra la explicación
racional del
funcionamiento de la mayor parte de los mecanismos que posee el hombre
actual. La Termodinámica aporta los fundamentos científicos básicos que han
permitido la invención del motor de automóvil, de la turbina de gas de un avión
y de una larga serie de dispositivos tecnológicos de cuyos efectos nos
beneficiamos a diario y de cuyo funcionamiento al menos en su aspecto
fundamental se responsabiliza plenamente esta ciencia. La Termodinámica estudia, interpreta y explica
las interacciones
energéticas que surgen entre los sistemas materiales formulando las leyes
que rigen dichas interacciones.
DEFINICIÓN DE MECÁNICA DE FLUIDOS
El conocimiento y el entendimiento de los principios y conceptos básicos de
la Mecánica de Fluidos son esenciales para el análisis y el diseño de
cualquier sistema en el cual un fluido sea el medio de trabajo. El diseño de
prácticamente todos los medios de transporte requiere la aplicación de esos
principios. El diseño de toda clase de turbomáquinas incluyendo las bombas,
los ventiladores, los sopladores, los turbocompresores y las turbinas requieren
un conocimiento de los principios básicos de la Mecánica de Fluidos.
Definición de un Fluido: Fluido es una sustancia que se deforma
continuamente, cuando se le aplica una fuerza tangencial por muy pequeña
que ésta sea.
DEFINICIÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Cuando hay un gradiente de temperatura en un sistema o cuando se
ponen en contacto dos sistemas a diferentes temperaturas, se transfiere
energía. El proceso por el cual tiene lugar el transporte de la energía se
conoce como transferencia de calor. Lo que está en tránsito, llamado calor no
puede ser medido u observado directamente, pero los efectos que produce
son posibles de observar y medir.
La Transferencia de Calor puede ser por Conducción,
por Convección y
por Radiación.
Conducción: la conducción es un proceso mediante el cual fluye calor desde
una región de temperatura alta a una región de temperatura baja dentro de un
medio (sólido, líquido o gaseoso) o entre medios diferentes en contacto físico
directo.
Convección: es un proceso de transporte de energía por la acción combinada
de conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla.
La transferencia de energía por convección, desde una superficie cuya
temperatura es superior a la del fluido que la rodea, se realiza en varias
etapas. Primero el calor fluirá por conducción desde la superficie hacia las
partículas adyacentes de fluido. La energía así transferida servirá para
incrementar la temperatura y la energía interna de esas partículas del fluido.
Las partículas del fluido se moverán hacia una región del fluido con
temperatura más baja, donde se mezclarán y transferirán una parte de su
energía a otras partículas del fluido. El flujo en este caso es de fluido y de
energía. La energía es almacenada en las partículas del fluido y transportada
como resultado del movimiento de masa.
Radiación: es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta
temperatura a un cuerpo de baja temperatura, cuando éstos están separados
por un espacio que incluso puede ser el vacío. El movimiento del calor
radiante en el espacio es similar al de la propagación de la luz y puede
describirse con la teoría ondulatoria. Cuando las ondas de radiación se
encuentran algún otro objeto su energía es absorbida cerca de su superficie.
SISTEMA DE UNIDADES: DIMENSIONES Y UNIDADES.
La palabra dimensión se emplea refiriéndose a
cualquier cantidad
susceptible de medición; entre dichas cantidades se puede mencionar la
longitud, el tiempo.
En un sistema de unidades las dimensiones se clasifican
en primarias y
secundarias. Las primarias son las que permiten establecer un sistema
arbitrario de escalas de medición; las secundarias consisten en dimensiones
que se pueden expresar en términos de las dimensiones de las cantidades
primarias. Las dimensiones secundarias se obtienen de las primarias
utilizando una ecuación que relacione cantidades físicas. Fuerza, masa,
longitud y tiempo están relacionadas por la segunda ley de Newton la cual
establece que la fuerza que actúa sobre un cuerpo es proporcional al producto
de su masa por la aceleración en la dirección de la fuerza
 la cual se puede escribir como:  donde gc es una constante que relaciona las unidades de fuerza, masa, longitud y tiempo y que tiene un valor numérico y dimensiones dependiendo del sistema de unidades escogido.
En ingeniería existen varios sistemas de unidades.
Los más comunes y
mas utilizados son los siguientes:
Sistema Internacional S.I:   
Sistema Métrico de Ingeniería:
  Sustituyendo en la ecuación 1.2 
Un kilogramo fuerza (kgf) es la fuerza con la cual un kilogramo masa (kgm)
suspendido en un campo gravitacional terrestre en donde la aceleración de
gravedad es 9.81 m/s2, es atraído por la Tierra.
Ejemplo:
¿Cuál es la fuerza debida a la gravedad sobre un kilogramo masa en un lugar
donde la aceleración de gravedad sea de 9.15 m/s2?
 
Lo importante es entender que aunque 1 kgm pesa en un lugar en donde
existe la gravedad estándar (9.81 m/s2) 1 kgf, esta fuerza puede reducirse a
cero al salir de la gravitación terrestre y la masa seguirá siendo 1 Kg. La
masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo, aunque sobre ella no
haya atracción terrestre ni fuerza alguna aplicada.
Sistema Inglés:    La definición dada al kgf se aplica a la libra fuerza (lbf) tomando como aceleración de gravedad estándar 32.2 pie/s2.
EL FLUIDO COMO UN CONTINUO
Los fluidos están compuestos de moléculas que
se encuentran en
movimiento constante pero en las aplicaciones de Ingeniería nos interesa
conocer el efecto global de las numerosas moléculas que forman el fluido.
Estos efectos macroscópicos son los que realmente se pueden percibir y
medir. Por esto, se considera al fluido como un continuo y no se estudia el
comportamiento de las moléculas individuales.
EL CAMPO DE VELOCIDADES
En el estudio del movimiento de los fluidos es necesario
considerar la
descripción de un campo de velocidades.
 Fig. 1.1 Definición de densidad en un punto.
Si se toma una partícula de fluido
dm que ocupa un volumen
d", se define la
velocidad en el punto C como la velocidad instantánea de la partícula de fluido
que en el instante dado está pasando a través del punto C. La velocidad en
cualquier otro punto del campo de flujo se puede definir de manera semejante.
La velocidad en cualquier punto del campo de flujo puede cambiar de un
instante a otro por lo que el campo de velocidades está dado por:
 De la misma forma para cada partícula se pueden representar campos de las propiedades del fluido. Así, para la densidad que es una cantidad escalar se tiene el siguiente campo escalar.  Si las propiedades del fluido en un punto en un campo no cambian con el tiempo se dice que es flujo estacionario. Entonces  
Por tanto, las propiedades en un flujo estacionario pueden variar de un punto
a otro del campo pero deben permanecer constantes respecto al tiempo en
cualquiera de los puntos. En el caso de que el flujo sea no estacionario, las
propiedades varían con respecto al tiempo en cualquiera de los puntos.
Un flujo se clasifica como de una, dos o tres
dimensiones dependiendo
del número de coordenadas espaciales necesarias para especificar el campo
de velocidades, como se muestra en la Fig. 1.2
     
VISUALIZACION DE UN CAMPO DE FLUJO
Una partícula de fluido al moverse traza una curva
llamada trayectoria.
Para determinar una trayectoria se puede identificar una partícula en un
instante de tiempo usando un colorante y tomar fotografías de su movimiento.
La línea trazada por la partícula constituye una trayectoria.
Las líneas de corriente son líneas dibujadas en
el campo de flujo de tal
manera que en un instante dado se encuentran siempre tangentes a la
dirección del flujo en cada punto del campo de flujo. Como las líneas de
corriente son tangentes al vector velocidad de cada punto del flujo, el fluido
nunca puede cruzar una línea de corriente.
  SISTEMAS TERMODINÁMICOS
Un sistema termodinámico es una región determinada
del espacio o una
cantidad finita de materia, claramente diferenciada del medio circundante o
alrededores, que constituirán el resto del universo. El sistema estará
separado del exterior por su contorno, límites o frontera, que puede ser real,
como, por ejemplo, las paredes del recipiente que lo contenga, o imaginario,
como es en el caso de una porción de masa de un fluido aislada del resto del
mismo. Fig. 1.4
 
Es importante tener en cuenta que el sistema termodinámico
y sus
fronteras están determinados exclusivamente por el observador, que es en
definitiva quien determina la región del universo que desea estudiar.
Lógicamente que cuando un observador acota física
o mentalmente un
sistema, éste se verá afectado por aquella parte del universo más próxima a
él como consecuencia de su interacción mutua. Esta interacción dependerá
de la permisividad de la frontera o pared, por lo que es necesario clasificar las
paredes de un sistema en función de la permisividad ante la interacción del
sistema con el exterior. Así, se define:
En la fig. 1.5 se muestran ejemplos de los distintos tipos de paredes.  
Cuando un sistema se encuentra encerrado en un recipiente de paredes
aislantes, suele decirse que está aislado (Fig. 1.5.a); si el sistema se
encuentra limitado por paredes adiabáticas se dice que está térmicamente
aislado (Fig. 1.5.b) y, si está limitado por paredes diatérmicas, se dice que
está en contacto térmico con los alrededores (Fig. 1.5.c).
Por otra parte, desde el punto de vista de la
naturaleza de la interacción
de los sistemas con el medio exterior, aquéllos suelen clasificarse en
cerrados o abiertos.
Un sistema cerrado es el que contiene una cantidad invariable de materia,
pudiendo únicamente la energía atravesar sus límites. Dicho de otra forma, un
sistema cerrado intercambia energía con el exterior, pero no intercambia
materia. Ejemplos de este tipo de sistemas son: un gas encerrado en un
cilindro provisto de un émbolo móvil, aire contenido en un globo, etc. (Fig.
1.6.a). Sistemas abiertos son aquéllos en los que puede variar la masa, pues
ésta puede pasar a través de los límites del mismo; esto es, un sistema
abierto intercambia materia y energía con el medio exterior a través de la
superficie de separación. Ejemplos de este tipo son: un calentador de agua,
un motor de propulsión a chorro, un aire acondicionado de ventana, etc. (Fig.
1.6.b).
    Es muy común llamar al sistema cerrado simplemente sistema y al sistema abierto llamarlo volumen de control. En un volumen de control la frontera se denomina superficie de control.
Los sistemas según su naturaleza pueden ser homogéneos
y
heterogéneos dependiendo del número de fases. Se entiende por fase a una
cantidad de materia de composición química y estructura física totalmente
homogéneas. La homogeneidad química no implica una especie química
única, ya que una mezcla de gases o una solución es un sistema de una sola
fase. La homogeneidad física significa que todas las sustancias están o como
sólido, como líquido o como gas. Por ejemplo, el sistema formado por el agua
y su vapor contiene dos fases, una líquida y otra gaseosa. El sistema que
conste de una sola fase se llamará homogéneo, y heterogéneo el formado
por mas de una fase. Un sistema termodinámico puede estar constituido por
más de un componente; así, mientras que la mezcla de agua y vapor de agua
tiene un solo componente, la mezcla aire-agua-hielo constituye un sistema
trifásico integrado por dos componentes: el aire y el agua.
PROPIEDADES Y ESTADOS DE UN SISTEMA
Propiedad es cualquier característica observable de un sistema. Algunos ejemplos de propiedades son presión, temperatura, módulo de elasticidad, volumen y viscosidad dinámica. Existen otras propiedades que no pueden observarse directamente, pero que pueden definirse mediante las leyes de la termodinámica. Dos de estas propiedades son la energía interna y la entropía.
El Estado o condición de un sistema se
especifica por los valores de
sus propiedades. Si un sistema tiene los mismos valores para todas sus
propiedades en dos instantes distintos, el sistema está en estados idénticos
en esos dos instantes. Se necesitan conocer unas pocas propiedades para
especificar completamente un estado. La cantidad precisa de las propiedades
que se necesitan para especificar el estado de un sistema depende de la
complejidad del mismo. Cuando el valor de alguna propiedad cambia, el estado
cambiará a uno diferente.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Algunos ejemplos son la presión P, la temperatura T, el volumen V y la masa m. Existen otras propiedades menos familiares como la viscosidad, la conductividad térmica, el módulo de elasticidad, el coeficiente de expansión térmica, la resistividad eléctrica e incluso la velocidad y la altura.
Las propiedades que caracterizan el
estado de un sistema pueden
dividirse en dos categorías: intensivas y extensivas. Las propiedades
intensivas, tales como temperatura, presión y densidad, no dependen de la
masa del sistema. Una variable intensiva puede definirse en un punto, ya que
tiene un valor finito cuando el tamaño del sistema que rodea el punto se
aproxima a cero. Las variables que dependen del tamaño del sistema, tales
como longitud, volumen, masa y energía interna, son propiedades o variables
extensivas. Si un sistema homogéneo se divide en dos partes, la masa de la
totalidad del sistema es igual a la suma de las masas de las dos partes. El
volumen del todo es también igual a la suma de los volúmenes de las partes.
Por otra parte, la temperatura del todo no es igual a la suma de las
temperaturas de las partes. De hecho, la temperatura, presión y densidad del
todo son iguales que las de las partes. Cualquier propiedad extensiva de todo
el sistema es igual a la suma de las propiedades parciales respectivas de los
componentes del sistema. Puede definirse el estado extensivo del sistema si
se conoce, además de las propiedades intensivas, una propiedad que indique
la extensión del sistema y que puede ser la masa o el volumen. El cociente
entre dos propiedades extensivas de un sistema homogéneo es una
propiedad intensiva. Muchas de las propiedades intensivas se obtienen
dividiendo la correspondiente extensiva por la masa del sistema. La
nomenclatura que se utiliza para designar las propiedades intensivas que se
obtienen de propiedades extensivas es representar con letra mayúscula las
extensivas y con minúscula las intensivas. Las propiedades intensivas
reciben la misma denominación que las extensivas de que proceden, seguida
de la palabra específico. Así, tomando como variable extensiva de referencia
la masa, se tiene:
 Si se hubiese tomado como propiedad extensiva de referencia el número de moles, la propiedad intensiva se calificaría como específica molar; por ejemplo, el volumen específico molar sería:  Las propiedades específicas molares se representan con una letra minúscula acompañada de una barra superior. Algunos autores acostumbran a designar las propiedades como variables. Así, se puede decir variables específicas y variables específicas molares en lugar de propiedades específicas y propiedades específicas molares.  Fig. 1.7 Diferenciación entre Propiedades Extensivas e Intensivas a) Densidad: Se define como la masa por unidad de volúmen 
Algunas veces la densidad de una sustancia se determina en relacion con la
densidad de una sustancia mejor conocida. En ese caso se llama densidad
relativa o gravedad específica y es definida como la relacion entre la
densidad de una sustancia y la de una sustancia estándar a una temperatura
específica. Agua a 4° C para la cual:
Esto es
La densidad relativa es una cantidad adimensional.
b) Volumen Específico: Es el recíproco de la densidad y se define como el volumen por unidad de masa 
c) Peso Específico: Es el peso de una sustancia por unidad de volumen
d) Temperatura: Es la propiedad termodinámica que nos indica cuando un
cuerpo está <caliente> o <frío>.La temperatura es una propiedad con la cual
estamos todos familiarizados pero que resulta difícil dar una definición exacta.
Su definición clara se consigue al estudiar la Ley Cero de la Termodinámica.
e) Presión: Se define como la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie.
Así, si una fuerza F se ejerce sobre la superficie A y se distribuye
uniformemente sobre ella, la presión media será:
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