 Ministerio de Cultura y Educación Universidad Nacional de San Luis Facultad de Ciencias Físico Matemáticas y Naturales Departamento: Fisica Área: Area II: Superior y Posgrado |
(Programa del año 2018)
| I - Oferta Académica | |||||||||||||||
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| II - Equipo Docente | ||||||||||||
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| III - Características del Curso | |||||||||||||||||||||||||||||||
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| IV - Fundamentación |
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El presente curso es el primero dentro de la carrera referido al estudio de la física térmica y se realiza luego de que el alumno
estudió un primer nivel de mecánica, electricidad y magnetismo,ondas y óptica. Se trata de un curso clásico de termodinámica de nivel medio dentro de la Licenciatura en Física. |
| V - Objetivos / Resultados de Aprendizaje |
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Se pretende estudiar las leyes de la termodinámica, o sea el punto de vista macroscópico de la física térmica, poniendo énfasis
en la teoría como una unidad lógica. Las numerosas aplicaciones que se estudian, permiten ver como se aplica la teoría, extraer conclusiones de los ejercicios propuestos o para afirmar conceptos teóricos cuya simple enunciado o descripción no pone de manifiesto todos sus aspectos de interés, u ofrece mayor dificultad en el aprendizaje. Al finalizar el curso, los alumnos deberán tener claros los conceptos de la teoría y el método de aplicación para resolver casos concretos. |
| VI - Contenidos |
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BOLILLA N°1.-
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1-1 Termodinámica y energía Áreas de aplicación de la termodinámica 1-2 Importancia de las dimensiones y unidades. Algunas unidades SI e inglesas Homogeneidad dimensional.Relaciones de conversión de unidades 1-3 Sistemas cerrados y abiertos 1-4 Propiedades de un sistema Continuo 1-5 Densidad y densidad relativa 1-6 Estado y equilibrio Postulado de estado. 1-7 Procesos y ciclos. Proceso de flujo estacionario. 1-8 Temperatura y ley cero de la termodinámica. Escalas de temperatura. Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) 1-9 Presión. Variación de la presión con la profundidad 1-10 Manómetro. Otros dispositivos de medición de presión 1-11 Barómetro y presión atmosférica BOLILLA N°2.- 2-1 Introducción 2-2 Formas de energía. Algunas consideraciones físicas en relación con la energía interna. Más sobre energía nuclear. Energía mecánica. 2-3 Transferencia de energía por calor. Antecedentes históricos sobre el calor 2-4 Transferencia de energía por trabajo. Trabajo eléctrico 2-5 Formas mecánicas del trabajo. Trabajo de resorte. Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas.Trabajo relacionado con el estiramiento de una película líquida. Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo. Formas no mecánicas del trabajo. 2-6 La primera ley de la termodinámica. Balance de energía. Cambio de energía de un sistema, Mecanismos de transferencia de energía, Eentrada y Esalida. 2-7 Eficiencia en la conversión de energía. Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos. 2-8 Energía y ambiente. Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático. BOLILLA N°3.- Sustancia pura 3-2 Fases de una sustancia pura. 3-3 Procesos de cambio de fase en sustancias puras. Líquido comprimido y líquido saturado.Vapor saturado y vapor sobrecalentado. Temperatura de saturación y presión de saturación Algunas consecuencias de la dependencia de Tsat y Psat. 3-4 Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase. 1 Diagrama T-v . 2 Diagrama P-v . Ampliación de los diagramas para incluir la fase sólida. 3 Diagrama P-T Superficie P-v-T 3-5 Tablas de propiedades Entalpía: una propiedad de combinación. Estados de líquido saturado y de vapor saturado Mezcla saturada de líquido-vapor. Vapor sobrecalentado Líquido comprimido Estado de referencia y valores de referencia 3-6 Ecuación de estado de gas ideal. ¿El vapor de agua es un gas ideal? 3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la desviación del comportamiento de gas ideal. 3-8 Otras ecuaciones de estado. Ecuación de estado de Van der Waals. Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman. Ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin. Ecuación de estado virial. BOLILLA N° 4.- TRABAJO ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS 4-1 Trabajo de frontera móvil 4-2 Balance de energía para sistemas cerrados 4-3 Calores específicos 4-4 Energía interna, entalpía y calores específicos de gases ideales. Relaciones de calores específicos de gases ideales 4-5 Energía interna, entalpía y calores específicos de sólidos y líquidos Cambios de energía interna Cambios de entalpía BOLILLA N° 5.- Conservación de la masa Flujos másico y volumétrico Principio de conservación de la masa Balance de masa para procesos de flujo estacionario Caso especial: flujo incompresible 5-2 Trabajo de flujo y energía de un fluido en movimiento Energía total de un fluido en movimiento Energía transportada por la masa 5-3 Análisis de energía de sistemas de flujo estacionario 5-4 Algunos dispositivos de ingeniería de flujo estacionario 1 Toberas y difusores 2 Turbinas y compresores 3 Válvulas de estrangulamiento 4a Cámaras de mezclado 4b Intercambiadores de calor 5 Flujo en tuberías y ductos 5-5 Análisis de procesos de flujo no estacionario BOLILLA N° 6.- LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 6-1 Introducción a la segunda ley 6-2 Depósitos de energía térmica 6-3 Máquinas térmicas. Eficiencia térmica. ¿Es posible ahorrar Qsalida? La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck 6-4 Refrigeradores y bombas de calor Coeficiente de desempeño Bombas de calor Desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor La segunda ley de la termodinámica:enunciado de Clausius Equivalencia de los dos enunciados 6-5 Máquinas de movimiento perpetuo 6-6 Procesos reversibles e irreversibles Irreversibilidades Procesos interna y externamente reversibles 6-7 El ciclo de carnot Ciclo de Carnot inverso 6-8 Principios de Carnot 6-9 Escala termodinámica de temperatura 6-10 La máquina térmica de Carnot Calidad de la energía. Cantidad contra calidad en la vida diaria 6-11 El refrigerador de Carnot y la bomba de calor Tema de interés especial: Refrigeradores domésticos BOLILLA N°7.- Entropía Caso especial: procesos isotérmicos de transferencia de calor internamente reversibles 7-2 El principio del incremento de entropía 7-3 Cambio de entropía de sustancias puras 7-4 Procesos isentrópicos 7-5 Diagramas de propiedades que involucran a la entropía 7-6 ¿Qué es la entropía? La entropía y la generación de entropía en la vida diaria 7-7 Las relaciones T ds 7-8 Cambio de entropía de líquidos y sólidos 7-9 Cambio de entropía de gases ideales Calores específicos constantes (análisis aproximado) Calores específicos variables (análisis exacto) Procesos isentrópicos de gases ideales Calores específicos constantes (análisis aproximado) Calores específicos variables (análisis exacto) Presión relativa y volumen específico relativo 7-10 Trabajo reversible de flujo estacionario Demostración que los dispositivos de flujo estacionario entregan el máximo trabajo y consumen el mínimo cuando el proceso es reversible 7-11 Minimización del trabajo del compresor Compresión en etapas múltiples con interenfriamiento 7-12 Eficiencias isentrópicas de dispositivos de flujo estacionario Eficiencia isentrópica de turbinas Eficiencias isentrópicas de compresores y bombas Eficiencia isentrópica de toberas 7-13 Balance de entropía Cambio de entropía de un sistema, Ssistema Mecanismos de transferencia de entropía, Sentrada y Ssalida 1 Transferencia de calor 2 Flujo másico Generación de entropía, Sgen Sistemas cerrados Volúmenes de control Generación de entropía asociada con un proceso de transferencia de calor BOLILLA N° 8.- EXERGÍA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO 8-1 Exergía: potencial de trabajo de la energía Exergía (potencial de trabajo) asociada con la energía cinética y potencial 8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 8-3 Eficiencia según la segunda ley 8-4 Cambio de exergía de un sistema Exergía de una masa fija: exergía sin flujo (o de sistema cerrado) Exergía de una corriente de flujo: exergía de flujo (o corriente) 8-5 Transferencia de exergía por calor, trabajo y masa Transferencia de exergía por calor, Q Transferencia de exergía por trabaj, W Transferencia de exergía por masa, m 8-6 Principio de disminución de exergía y destrucción de exergía Destrucción de exergía 8-7 Balance de exergía: sistemas cerrados 8-8 Balance de exergía: volúmenes de control Balance de exergía para sistemas de flujo estacionario Trabajo reversible, Wrev Eficiencia según la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario BOLILLA N° 9.- RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS 9-1 Derivadas parciales y relaciones asociadas Diferenciales parciales Relaciones de derivadas parciales 9-2 Relaciones de Maxwell 9-3 La ecuación de Clapeyron 9-4 Relaciones generales para du, dh, ds, cv y cp Cambios en la energía interna Cambios de entalpía Cambios de entropía Calores específicos cv y cp 9-5 El coeficiente de Joule-Thomson 9-6 Las h, u y s de gases reales Cambios en la entalpía de gases reales Cambios de energía interna de gases ideales Cambios de entropía de gases reales BOLILLA N° 10.- MEZCLA DE GASES 10-1 Composición de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa 10-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales Mezclas de gases ideales Mezclas de gases reales 10-3 Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y reales Mezclas de gases ideales Mezclas de gases reales BOLILLA N°11.- APLICACIONES FISICAS-SEMINARIO Pila de combustión. Dieléctrico en un condensador plano. Efecto piezoeléctrico. Fenómenos termoeléctricos. Corrientes simultáneas eléctricas y caloríficas en un conductor. Efecto de Scebeck y Peltier. Efecto Thomson y ecuaciones de Kelvin. Refrigeración termoeléctrica. |
| VII - Plan de Trabajos Prácticos |
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Los prácticos de aula incluyen la resolución de los problemas del capitulo I del REIFF de FÍSICA TÉRMICA (tomo V serie
Berkeley) y una selección de problemas del capitulo 1 al 9, libro CALOR Y TERMODINAMICA de M. ZEMANSKY y problemas seleccionados del libro TERMODINAMICA de YUNUS A. CENGEL & MICHAEL A BOLES. |
| VIII - Regimen de Aprobación |
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Para regularir la materia: El alumno deberá aprobar dos parciales y un seminario final en el cual expondrá un tema de los casos especiales de la BOLILLA 11. Las recuperaciones se regirán por las normas vigentes en la Facultad.
La materia será aprobada con un exámen final. |
| IX - Bibliografía Básica |
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[1] TERMODINÁMICA, YUNUS A. ÇENGEL, MICHAEL A. BOLES, Ed. Mc Graw Hill
[2] Calor y Termodinámica. Mark W. Zermansky y Richard H Dittman Física Estadística. F. Reif |
| X - Bibliografia Complementaria |
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[1] Termodinámica Clásica. Russell y Adebiyi.
[2] Introducción a la Termodinámica Química en Ingeniería Química Smith, Van Ness y Abbott. [3] Treatise on Thermodymanics. M. Planck |
| XI - Resumen de Objetivos |
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Está destinado a alumnos de la Licenciatura en Física, que ya estudiaron en un primer nivel la mecánica, electricidad y
magnetismo, ondas y óptica. Es el primer curso de FISICA TÉRMICA y se complementa con uno ulterior de MECÁNICA ESTADÍSTICA. Su contenido es la termodinámica clásica o sea la macrofísica térmica. Se sitúa en el primer cuatrimestre del tercer año. Se pretende que los alumnos conozcan bien la teoría, sus conceptos fundamentales y aplicaciones. El nivel es el de textos clásicos en la materia. |
| XII - Resumen del Programa |
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BOLILLA N°1.-
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS Termodinámica y energía Sistemas cerrados y abiertos Estado y equilibrio Postulado de estado. Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) Presión. BOLILLA N°2.- ENERGIA Formas de energía. Transferencia de energía por calor. Transferencia de energía por trabajo. Formas mecánicas del trabajo. Formas no mecánicas del trabajo. La primera ley de la termodinámica. BOLILLA N°3.- Sustancia pura Fases de una sustancia pura. Procesos de cambio de fase en sustancias puras. Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase. Diagrama T-v . Diagrama P-v . Diagrama P-T Superficie P-v-T Ecuación de estado de gas ideal. Otras ecuaciones de estado. BOLILLA N° 4.- TRABAJO ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS Trabajo de frontera móvil Calores específicos Cambios de energía interna Cambios de entalpía BOLILLA N° 5.- Conservación de la masa Flujos másico y volumétrico Trabajo de flujo y energía de un fluido en movimiento Energía total de un fluido en movimiento Energía transportada por la masa BOLILLA N° 6.- LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Introducción a la segunda ley Depósitos de energía térmica Máquinas térmicas. Eficiencia térmica. La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck Refrigeradores y bombas de calor La segunda ley de la termodinámica:enunciado de Clausius Equivalencia de los dos enunciados El ciclo de carnot BOLILLA N°7.- Entropía Caso especial: procesos isotérmicos de transferencia de calor internamente reversibles El principio del incremento de entropía Cambio de entropía de sustancias puras Procesos isentrópicos Transferencia de calor BOLILLA N° 8.- EXERGÍA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO Exergía: potencial de trabajo de la energía Trabajo reversible e irreversibilidad BOLILLA N° 9.- RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Derivadas parciales y relaciones asociadas Relaciones de Maxwell La ecuación de Clapeyron Relaciones generales para du, dh, ds, cv y cp Cambios en la energía interna Cambios de entalpía Cambios de entropía Calores específicos cv y cp BOLILLA N° 10.- MEZCLA DE GASES Composición de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales Mezclas de gases ideales Mezclas de gases reales Propiedades BOLILLA N°11.- APLICACIONES FISICAS-SEMINARIO Pila de combustión. Dieléctrico en un condensador plano. Efecto piezoeléctrico. Fenómenos termoeléctricos. Corrientes simultáneas eléctricas y caloríficas en un conductor. Efecto de Scebeck y Peltier. Efecto Thomson y ecuaciones de Kelvin. Refrigeración termoeléctrica. |
| XIII - Imprevistos |
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| XIV - Otros |
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