4.2 Termodinamica.pdf

Ing. Xavier Serrano G. MSc

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Principios de la Termodinmica

TERMODINMICA : La ciencia que estudia la interaccinenergtica de un sistema con su entorno (calor y trabajo) ylas variaciones en las propiedades de un sistema(temperatura, presin, )

SISTEMA TERMODINMICO: Es una regin en elespacio una cantidad de materia limitada por una superficiecerrada. El entorno es todo lo que es externo al sistema. Elsistema est separado del entorno por los contornos delsistema.


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Energa en un sistema termodinmico: La energase puede dividir en energa almacenada en un sistema energa en transicin.


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Trabajo W: Es un modo de interaccin energtico que se produce cuando alguna fuerza desplaza los contornos del sistema.

Calor Q: Es un modo de interaccin energtico que se produce cuando existe una diferencia de temperaturas entre dos sistemas .

Entalpa H: Medida de la cantidad de energa absorbida o cedida por un sistema termodinmico.

Entropa S: Parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo.


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FUNCIONES DE ESTADO Y DE PROCESO

Propiedad de un Sistema: Es cualquier caractersticaobservable del sistema .

Estado de un Sistema: Est definido especificando unnmero mnimo de propiedades del sistema.

Proceso: Es un cambio en el estado del sistema. Unproceso se describe especificando los estados inicial y finalde equilibrio, el camino (si se puede identificar), y lasinteracciones energticas durante el proceso.

Ciclo: Un proceso serie de procesos donde los estadosiniciales y finales son los mismos


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Propiedades Termodinmicas

Regla de las Fases

l Nmero de grados de libertad del sistema

k Nmero de especies qumicas componentes del sistema (sustancia pura)

f Nmero de fases

Ejemplo:

Sustancia pura en estado homogneo (k=1 f=1), tenemos que l=2. Significa que para determinar el estado de esta sustancia es necesario conocer dos propiedades (por ejemplo, T y P)


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Superficie pvT


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Zona fuera de la zona cambio de fase:

La presin y temperatura son independientes, por ello lo habitual es usar: P,T

Zona de Liquido-Vapor (zona cambio de fase)

La presin y temperatura ahora son dependientes y no podemos usar ambas. P=f(T)

Lo habitual es usar: P , x (ttulo)


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Modelos: Ecuacin del Gas Perfecto :

Aquel que es un gas hipottico formado por partculaspuntuales, sin atraccin ni repulsin entre ellas y cuyoschoques son perfectamente elsticos (conservacin demomento y energa cintica)

PV= nRT

n moles de un gas

R es la constante universal de los gases (R=8 314.41 J/kmol K)


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Primera Ley de la Termodinmica

1ra Ley (ley de conservacin de la energa): Si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar. Es decir la energa ni se crea ni se destruye: slo se transforma.

U es la energa interna del sistema

Q (Calor Ganado por el sistema)

W (Trabajo Realizado por el Sistema)


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Primera Ley de la Termodinmica

Balance de Energa para sistemas cerrados

Para todo proceso cclico:


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Segunda Ley de la Termodinmica

En un proceso cclico en el que el calor se intercambia a unasola temperatura (sin disipacin), el trabajo es negativo.

Esta ley tambin establece, la imposibilidad de convertircompletamente toda la energa de un tipo en otro sinprdidas.


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Segunda Ley de la Termodinmica

Se acepta la existencia de una magnitud fsica llamadaentropa, de tal manera que, para un sistema aislado, la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que cero.


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Ciclos de Potencia


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Ciclo Terico de Carnot

Terico y reversible, esta limitado por dos isotermas y dos isentrpicas (tambin adiabticas-no intercambian calor con el entorno).


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Ciclo Terico de Carnot

1-2 A la presin alta del estado 1 se comunica calor apresin constante (y a temperatura constante), hasta queel agua se encuentra como vapor saturado en el estado 2.

2-3 Una expansin adiabtica e internamente reversibledel fluido de trabajo en la turbina hasta que alcanza latemperatura inferior TB en el estado 3.

3-4 El vapor hmedo que sale de la turbina se condensaparcialmente a presin constante (y temperaturaconstante) hasta el estado 4, cediendo calor.

4-1 Se comprime isoentrpicamente vapor de aguahmedo, que se encuentra en el estado 4, hasta el estado1 de lquido saturado.


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Elementos

Ing. Xavier Serrano G. MSC.

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Vlvulas

Turbinas

Compresores y bombas

En el caso particular de los fluidos

Ciclo Rankine

Mejora el ciclo de Carnot.

Se suele usar el agua como fluido de trabajo

En la prctica, su rendimiento est limitado por la presin crtica (por encima de ella ya no tenemos cambio de fase)

Aplicacin en centrales de alta potencia


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Ciclo Rankine

4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor hmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado liquido saturado a la presin de la salida de la turbina.

1-2 Una bomba de lquido eleva isoentrpicamente la presin del lquido hasta la presin.

2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una temperatura mayor


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Ciclo Rankine

El sistema que funciona segn este ciclo consta de una caldera,donde el agua (que es el fluido ms conveniente por serabundante y barato) entra a la caldera en 2 como lquido y saleal estado de vapor en 3. Despus de que el vapor saturado salede la caldera en el estado 3 pasa a travs del sobrecalentadorrecibiendo energa, incrementado la temperatura del vapor apresin constante hasta el estado 3 (vapor sobrecalentado).

Luego hay una mquina de expansin (turbina) donde el vaporse expande produciendo trabajo, saliendo en el estado 4. Acontinuacin este vapor entra a un aparato de condensacin dedonde sale como lquido al estado 1. Este a su vez es tomado poruna bomba de inyeccin necesaria para vencer la presin de lacaldera, que lo lleva al estado 2 donde ingresa a la caldera


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Ciclo Rankine

Anlisis Energtico:

Qent + Wb = Qced + Wt

Eficiencia:

n =

=

=

34(21)

32


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Ciclo Rankine Recalentamiento


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Por ser el ciclo Rankine el ciclo fundamental que siguen lasturbinas de vapor, ha sido mejorado a lo largo del tiempo atravs de:

Disminuir la presin en el condensador

Aumentar la presin en la caldera

Emplear vapor sobrecalentado

Emplear recalentador intermedio

Precalentar el agua de alimentacin

Emplear ciclos binarios

Calor Sensible y Latente


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Capacidad Calorfica (C): Cantidad de energa necesaria para aumentar la temperatura de una muestra en 1K.

=

Calor especfico (c): capacidad calrica por unidad de masa

=

.

Calor Sensible y Latente


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Calor Latente: Cantidad de calor requerido para cambiar de fase una sustancia.

Calor Sensible: Aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin afectar su estado molecular.

Qs = cp.m.dT

cp calor especfico del fluido

mmasa del fluido

dT Tfinal - Tinicial

Energa Suministrada por un Combustible


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= .

mc masa de combustible

Hc Poder calorfico del combustible

Referencias


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Jos Gonzalvez Maci, Introduccin a la Tecnologa Energtica, Mster en Tecnologa Energtica para el Desarrollo Sostenible, Universidad Politcnica de Valencia, 2012

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