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4.12. Termodinámica y Mecánica Estadística (TSM)
La Termodinámica y la Mecánica Estadística conectan las propiedades microscópicas de la materia con los observables macroscópicos de ingeniería. Esta área cubre las leyes de transferencia de energía, la entropía, los estados de equilibrio y los ciclos de máquinas térmicas esenciales para los sistemas energéticos y la ingeniería térmica.
| Área de Conocimiento (KA) | Core Tier1 | Core Tier2 |
 4.12.1 Leyes de la Termodinámica y Funciones de Estado | 1 | 1 |
|
4.12.2 Teoría Cinética de los Gases | 1 | 1 |
 4.12.3 Máquinas Térmicas, Entropía y Segunda Ley | Electivo | |
4.12.1. TSM/Leyes de la Termodinámica y Funciones de Estado (Core Tier1: 1 hr, Core Tier2: 1 hr) ↑ Volver arriba
Principios fundamentales que gobiernan la energía, el calor y el trabajo en sistemas termodinámicos de ingeniería, y la definición matemática de las variables de estado.
Temas:
Core
- Ley Cero de la Termodinámica y el equilibrio de temperatura
- Primera Ley de la Termodinámica: \(dU = dQ - dW\) para sistemas de ingeniería
- Entalpía \(H = U + PV\) y su papel en los procesos de flujo y las reacciones químicas
- Calores específicos \(C_V\) y \(C_P\) y su medición y aplicación en ingeniería
- Procesos adiabáticos y condiciones de flujo isentrópico en turbomáquinas
Aprendizaje esperado (Learning Outcomes):
Core:
- Calcular el trabajo realizado por un gas en expansiones isotérmica y adiabática en ciclos de ingeniería [Usar]
- Evaluar cambios de energía interna y aplicar la Primera Ley a procesos termodinámicos de ingeniería [Evaluar]
- Aplicar la relación de Mayer para determinar la razón de calores específicos de fluidos de trabajo en ingeniería [Usar]
- Analizar las condiciones de flujo isentrópico en toberas y turbinas de ingeniería [Evaluar]
4.12.2. TSM/Teoría Cinética de los Gases (Core Tier1: 1 hr, Core Tier2: 1 hr) ↑ Volver arriba
Modelo microscópico de los gases que relaciona el movimiento molecular con propiedades macroscópicas de ingeniería como la presión, temperatura y coeficientes de transporte.
Temas:
Core
- Derivación de la presión macroscópica a partir de la transferencia de momento molecular
- Distribución de Maxwell-Boltzmann de velocidades y sus implicaciones en ingeniería
- Teorema de equipartición y grados de libertad para gases monoatómicos y poliatómicos
- Recorrido libre medio y su relevancia para el flujo de gases y la ingeniería de vacío
- Fenómenos de transporte: viscosidad, conductividad térmica y difusión en gases de ingeniería
Aprendizaje esperado (Learning Outcomes):
Core:
- Calcular las velocidades cuadrática media y promedio de gases de trabajo en ingeniería [Usar]
- Interpretar la distribución de Maxwell-Boltzmann y su dependencia de la temperatura para aplicaciones de ingeniería [Evaluar]
- Calcular el recorrido libre medio y relacionarlo con la viscosidad en problemas de aerodinámica de ingeniería [Usar]
- Estimar la conductividad térmica y la viscosidad de un gas a partir de la teoría cinética para el diseño de ingeniería [Evaluar]
4.12.3. TSM/Máquinas Térmicas, Entropía y Segunda Ley ↑ Volver arriba
Límites de eficiencia térmica, generación de entropía y restricciones termodinámicas que gobiernan las máquinas térmicas y los ciclos de refrigeración en ingeniería.
Temas:
Core
- Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius de la Segunda Ley y sus implicaciones en ingeniería
- El ciclo de Carnot y la eficiencia máxima \(\eta = 1 - T_c/T_h\)
- Desigualdad de Clausius y la definición termodinámica de la entropía
- Análisis de ciclos de ingeniería (Rankine, Brayton, refrigeración) usando diagramas \(T\)-\(S\)
- Fórmula de Boltzmann \(S = k_B \ln \Omega\) y su interpretación en ingeniería
Aprendizaje esperado (Learning Outcomes):
Core:
- Calcular la eficiencia térmica máxima de una máquina de ingeniería que opera entre dos temperaturas [Usar]
- Evaluar la generación de entropía en procesos irreversibles de ingeniería como la transferencia de calor con diferencia finita de temperatura [Evaluar]
- Analizar el desempeño termodinámico de los ciclos Rankine y Brayton usando diagramas \(T\)-\(S\) [Usar]
- Calcular cambios de entropía a partir del conteo de microestados para sistemas simples de ingeniería [Usar]