Pontificia Universidad
Católica de Chile
Facultad
de Física
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FIS1523-Sección 02: Horarios |
Profesor: Jorge Alfaro, jalfaro@puc.cl Ayudante: RAFAEL RIVEROS AVILA <rariveros@uc.cl> . |
PROGRAMA
CURSO : TERMODINÁMICA
TRADUCCIÓN : THERMODINAMICS
SIGLA : FIS1523
CRÉDITOS : 10
MÓDULOS : 3,5
REQUISITOS : MAT1630 CÁLCULO III (CO)
CARÁCTER : MÍNIMO
DISCIPLINA : FÍSICA
I. DESCRIPCIÓN
En este curso el estudiante aprende cómo utilizar la primera y segunda ley de la termodinámica para calcular
el trabajo, el calor y la eficacia de diversos sistemas de la ingeniería: motores de combustión interna,
refrigeradores, centrales eléctricas, etc.
II. OBJETIVOS
Al finalizar el curso el alumno será capaz de:
1. Definir el concepto de temperatura y temperatura absoluta.
2. Explicar el equilibrio térmico y el principio de expansión térmica.
3. Aplicar las ecuaciones de estado de gases reales.
4. Explicar la primera ley de la termodinámica y aplicar la ley a ejemplos con gases ideales.
5. Describir el concepto de entropía y de la dirección de los procesos.
6. Calcular la entropía, potencial termodinámico y eficiencia en distintos ciclos ideales y reales.
7. Calcular varias cantidades termodinámicas como promedios de propiedades mecánicas de sistemas de
gran número de partículas.
III. CONTENIDOS
1. Introducción y Ley Cero.
1.1. Motivación: aplicaciones, relevancia, energía, potencia.
1.2. Definiciones e ideas fundamentales: sistema y alrededores, temperatura, estado termodinámico
de un sistema, propiedades de estado.
1.3. Ley Cero: equilibrio térmico, equilibrio termodinámico.
1.4. Procesos termodinámicos: trabajo, expansión-compresión, procesos cuasi-estáticos ó
reversibles, procesos irreversibles, procesos con fricción.
2. 1ª Ley.
2.1. Introducción: trabajo en procesos adiabáticos cerrados, experimento de Joule, concepto de
energía, formulación preliminar para sistemas diatérmicos cerrados.
2.2. Formulación general: formulación de la primera ley para sistemas abiertos y estado transitorio,
energía interna, entalpía.
2.3. Casos particulares de la primera ley: sistemas cerrados, flujo en estado estacionario, flujo
uniforme-estado uniforme (procesos de carga y descarga).
2.4. Cambios de estado: calor latente, calor sensible, calor específico, aplicaciones de la primera ley
a sistemas cerrados con cambio de estado.
2.5. Aplicaciones de la 1ª ley a procesos con gases ideales: proceso isotérmico, proceso adiabático,
proceso politrópico.
2.6. Características de los gases reales: diagramas de fases, punto crítico, volumen residual,
temperatura de Boyle, factor de compresibilidad.
2.7. Ecuaciones de estado de gases reales de interés teórico: ecuación del virial, fuerzas de
atracción-repulsión, ecuación de Van der Waals, principio de Maxwell, principio de los estados
correspondientes. 1
2.8. Ecuaciones de estado de gases reales aplicables en ingeniería: Redlich y Kwong, factor de
compresibilidad generalizado.
3. 2ª Ley.
3.1. Introducción: direccionalidad de los procesos, reservorio térmico, postulados de Clausius y de
Kelvin-Planck, eficiencia, refrigerador, bomba de calor.
3.2. Ciclo de Carnot: principios de Carnot, escala termodinámica de temperatura, eficiencia de un
ciclo de Carnot reversible.
3.3. Entropía: desigualdad de Clausius, definición de entropía, entropía de un gas ideal, diagrama de
Mollier.
3.4. Aplicaciones de la 2ª Ley: energía disponible y no disponible, irreversibilidad, trabajo perdido,
balance de entropía.
3.5. Relaciones termodinámicas: Funciones de Gibbs y Helmholtz, relaciones de Maxwell.
4. Aplicaciones a la Ingeniería.
4.1. Conversión de calor en trabajo: procesos cíclicos, limitaciones del ciclo de Carnot, Ciclo
Rankine, eficiencia del ciclo Rankine.
4.2. Efecto de las variables de operación: presión del condensador, presión de la caldera,
temperatura del vapor, ciclo Rankine con regeneración.
4.3. Motores de combustión interna: motor de Otto, motor Diesel.
4.4. Refrigeración: ciclo de Carnot reverso, refrigeración por compresión de vapor, coeficiente de
Joule-Thomson, ciclo de refrigeración por absorción.
4.5. Otras aplicaciones de la 1ª y 2ª ley.
IV. METODOLOGÍA
Módulos semanales:
- Cátedras: 2
- Laboratorios: 0,5 (1 laboratorio cada dos semanas)
- Ayudantía: 1
El curso se realiza utilizando metodologías de enseñanza centradas en el alumno que permitan a los
estudiantes desarrollar las competencias definidas en los objetivos del curso.
Este curso está diseñado de forma tal que el alumno dedique al estudio personal un promedio de 5 hrs. a la
semana.
V. EVALUACIÓN
Las evaluaciones pueden ser por medio de pruebas, laboratorios, proyectos y/o tareas.
VI. BIBLIOGRAFÍA
Textos Mínimos
Cengel Y. A. y Boles M. Thermodynamics: an engineering approach. McGraw Hill
Higher Education, c2006.
Sandler S. I. Chemical, Biochemical, and Engineering Thermodynamics, 4th
Edition. Wiley Higher Education, 2006.
Evaluación
Nota de
Presentación:
NP
=
(I
1 + I 2 + I 3)/3+0.3(NGE1+NGE2+NGE3)/21
Eximición:
NP
mayor o igual a 5,0
Nota
no inferior a 4,0 en todas las interrogaciones
Nota
Final Cátedra:
NFC
= 0,3*E+0,7*NP
Donde
E es la nota del examen.
Nota
Final:
NF
= 0,3*E+0,7*NP
Donde
E es la nota del examen, y NP es la nota de presentación.
Para consultar sobre las notas de laboratorio, escribir a Carolina Meza
cmeza@fis.puc.cl
CLASES
1 IntroduccionCengel Y. A. y Boles M. Thermodynamics: an engineering approach. McGraw Hill
Higher Education, c2006.
Sandler S. I. Chemical, Biochemical, and Engineering Thermodynamics, 4th
Edition. Wiley Higher Education, 2006.
Página preparada por J. Alfaro
Actualizada: 8 de Marzo de 2016