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APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN LA INDUSTRIA

RESUMEN

La termodinámica es una ciencia y, quizá la herramienta más importante en la ingeniería, ya que se encarga de describir los procesos que implican cambios en temperatura, la transformación de la energía, y las relaciones entre el calor y el trabajo. De esta definición básica parte gran cantidad de aplicaciones en el vasto mundo de la ingeniería. Es impresionante ver cómo la termodinámica es un pilar fundamental para muchos de los procesos que se llevan a cabo en la industria química, y más aun en procesos de ingeniería de Alimentos. Mencionar algunos ejemplos de aplicación como lo es en turbinas, unidades de refrigeración en donde se emplea el propano, de igual manera en la compresión de gases; entre otros.

Palabras claves: termodinámica, industria, primera ley.

ABSTRAC

Thermodynamics is a science, and perhaps the most important tool in engineering, since it is responsible for describing the processes that involve changes in temperature, energy transformation, and the relationship between heat and work. Part of this basic definition wide range of applications in the vast world of engineering. It is impressive to see how thermodynamics is an essential pillar for many of the processes that take place in the chemical industry, and even more in Food engineering processes. Mention some examples of application such as turbines, refrigeration units where propane is used, just as in the compression of gases, among others.

Keywords: thermodynamics, industry, the first law., INTRODUCCIONLa Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro

sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.

Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes

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manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un

proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.

OBJETIVOS

Aplicaciones de la Primera Ley

Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control.

El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera.

La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

ΔU = Q − W

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

Sistemas abiertos2

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.

La ecuación general para un

sistema abierto en un intervalo de tiempo es:

O igualmente:

Q − W +

∑ minθin − ∑moutθout = ΔEsistema

in out

Donde:

in representa todas las entradas de masa al sistema. Out representa todas las salidas de masa desde el sistema. θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía, energía potencial y energía cinética:

La energía del sistema es:

La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t0 y t) es:

Sistemas abiertos en estado estacionario

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El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema

= 0, por lo que el balance de energía queda:

Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior2

APLICACIONES TERMODINAMICAS EN

INGENIERIA

Podemos empezar por ver las turbinas, bien sean accionadas con vapor o turbinas de gas. Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor o los gases de combustión entran por las toberas y se expanden hasta una presión más baja. Al hacerlo la corriente de vapor/gas, adquiere una gran velocidad. Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los alabes de la tur-bina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. Adicionalmente, la turbina puede ir unida, bajo un mismo eje con un compresor; este se conoce como integración energética en la que el trabajo generado por la turbina lo emplea el compresor para comprimir el gas a la presión que se necesita. Es mas, en varias plantas de proceso, específicamente en una de LPG he visto como se hace todo

un estudio completo de ingeniería para poder implementar la integración energética entre corrientes de proceso mediante el uso de inter-cambiadores de calor (feedbottom, feedeffluent, etc...). La integración energética anteriormente mencionada es un ejemplo real de cómo  se manejan las plantas turboexpander para la recuperación de los licuables de una corriente de gas de alta presión. 1

Las unidades de refrigeración son otro ejemplo de la termodinámica aplicada a la industria, sobre todo en las plantas mencionadas se emplean sistemas de refrigeración con propano para los sistemas de enfriamiento, que generalmente son chillers donde el propano se bombea por la coraza y se evapora completamente con el fin de enfriar o condensar la corriente de proceso; estas unidades utilizan el principio de enfriamiento por evaporación, son intercambiadores tipo kettle debido al alto porcentaje de vaporización del propano.1

Una pregunta muy común es qué pasa cuando un fluido a alta presión, específicamente un gas, pasa por una válvula y se despresuriza, qué pasa con la temperatura antes y después, qué pasa con la entalpía antes y después de la válvula?, estas preguntas se responden empleando la termodinámica básica. La aplicación mas común de la compresión de gases se puede ver en las plantas donde se hace gas lift, gas gathering, recuperación de he-lio, recuperación de condensados, transmisión y

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distribución, reinyección de gas para mantener la presión de un pozo, almacenamiento de gas, licuefacción y transporte.

Otra aplicación es la des-hidratación de gases para prevenir la formación de hidratos en las tuberías de proceso. Primero, se debe hacer un estudio termodinámico para saber si se forman o no se forman hidratos, sobre todo en las expansiones aguas abajo de una válvula, adicionalmente si se esta manejando un gas húmedo en la planta.1

En general las aplicaciones son diversas, lo importante para el ingeniero es tener los conceptos claros y experiencia para poder tomar decisiones rápidas y efectivas, que lleven a soluciones realmente útiles. 1

TERMODINÁMICA APLICADA A LAS MÁQUINAS Y LOS PROCESOS TÉRMICOS

Capacidades y Destrezas:

El funcionamiento teórico y técnico de una máquina térmica es un conocimiento necesario en la formación de cualquier ingeniero.

Motores alternativos. Etapas de funcionamiento de los motores alternativos de combustión interna de cuatro y dos tiempos. Motor de ignición por chispa y compresión. Diagrama indicador.

Diagrama idealizado. Modelado de los procesos reales mediante procesos cíclicos

recorridos por un gas perfecto. Ciclos Otto, Diesel y Dual.

Turbinas de gas. Descripción general de las instalaciones de turbinas de gas. Elementos de la instalación. Clasificación de las turbinas de gas. Modelado del proceso con un ciclo recorrido por un gas perfecto.

Ciclo ideal Joule-Brayton. Rendimiento térmico. Efecto de las irreversibilidades en turbina y compresor. Análisis energético del ciclo Joule-Brayton irreversible. Trabajo real del compresor, turbina. Mejoras del rendimiento del ciclo. Regeneración.

Turbinas de vapor. Descripción general de las turbinas de vapor. Elementos de la instalación. Ciclo Rankine ideal. Análisis termodinámico.

Irreversibilidades del ciclo real. Análisis energético. Criterios generales para la mejora del rendimiento. Regeneración en los ciclos de vapor. Tipos de intercambiadores. Optimización del número y posición de los intercambiadores. Producción conjunta de calor y trabajo. Cogeneración.

Máquinas de refrigeración. La máquina frigorífica de compresión mecánica simple de vapor. El ciclo Rankine inverso. Coeficiente de funcionamiento.

Características fisicoquímicas de los refrigerantes. Efecto de las propiedades del refrigerante en el

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rendimiento del ciclo. Análisis energético del ciclo Rankine inverso. Instalaciones frigoríficas de absorción. Ciclo de absorción simple. Enfriamiento Joule-Thomson. Curva de inversión.

Licuefacción de gases. Análisis energético del proceso Linde. Proceso Linde en cascada.

  Aire Húmedo. Características del aire húmedo. Comportamiento termodinámico del aire húmedo.

  Procesos de saturación adiabática. Psicrómetros.Diagrama psicométrico. Acondicionamiento de aire. Torres de refrigeración.

Trabajo mecánico

El trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza que actúa sobre el sistema lo mueve a través de una distancia. Tal como en mecánica este trabajo se define por la integral

W = Fdl

donde F es la componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento dl. En la forma diferencial esta ecuación se escribe:

W = Fdl

donde W representa una cantidad diferencial de trabajo.

No es necesario que la fuerza F en realidad provoque el desplazamiento dl; sin embargo, debe ser una fuerza externa. La

convención de signos usual establece que el valor de W es negativo cuando el trabajo se hace sobre el sistema y positivo cuando es hecho por éste.

En termodinámica, a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerza distribuida sobre un área, por ejemplo, por una presión P que actúa a través de un volumen V, como en el caso de una presión de fluido ejercida sobre un pistón. En esta situación, el trabajo diferencial se expresa más convenientemente como

W = PdV

Donde P es la presión externa ejercida sobre el sistema. (Abbott y Vanness, 4)]

El trabajo mecánico se realiza a través del desplazamiento de una masa.

 

[La Fig. 5.7 muestra un sistema A formado por un recipiente lleno de agua, un termómetro y una rueda de paletas. Este sistema puede

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Fig. 5.7

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interaccionar con el sistema más sencillo A' compuesto por un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoria conocida w sobre este peso. Los dos sistemas interaccionan puesto que el peso al caer hace que la rueda gire y agite el agua. Esta interacción es adiabática, ya que la única conexión entre los dos sistemas es la cuerda, que sólo transmite una cantidad despreciable de calor. El parámetro externo que describe el sistema A' es la distancia s del peso por debajo del nivel de la polea. Si el peso desciende una distancia s sin variación de velocidad, la energía media del sistema A' se reduce en una cantidad ws, que es la disminución de la energía potencial del peso que resulta del trabajo realizado sobre él por la gravedad (el peso desciende normalmente con velocidad constante, puesto que alcanza muy rápidamente su velocidad límite. Si la velocidad del peso estuviese cambiando, la variación de la energía media de A'

vendría dada por la variación de la suma de las energías cinética y potencial del peso). Como el

sistema combinado formado por A y A' está aislado, la energía media del sistema A debe aumentar entonces en el proceso en una cantidad ws; es decir, el peso que cae, A', realiza un trabajo ws sobre el sistema aislado adiabáticamente, A. (Berkeley, 213-214)]

 Trabajo de expansión

Cuando el trabajo se debe al desplazamiento de las fuerzas de presión exteriores que conllevan un cambio en el volumen del sistema se llama trabajo de expansión y se expresa por

W = PdV

Trabajo eléctrico

  Fig. 58

Con medios eléctricos es posible realizar trabajo de modo más conveniente y medirlo a su vez con más exactitud (el trabajo realmente mecánico al final, pero intervienen en él fuerzas eléctricas). La Fig. 5.8 muestra un dispositivo de este tipo, completamente análogo al de la Fig. 5.7. Aquí el sistema A se compone de un recipiente lleno de agua, un termómetro y una resistencia eléctrica. A la resistencia puede conectarse una batería de fem conocida V mediante unos conductores lo suficientemente finos para mantener el sistema A térmicamente aislado de la batería. La carga q que puede proporcionar la batería es su parámetro externo. Cuando la batería suministra una

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carga q que pasa a través de la resistencia, el trabajo realizado por la batería sobre A en este proceso es simplemente Vq. La resistencia juega aquí un papel completamente análogo a la rueda de paletas del ejemplo anterior, de modo que ambos son simplemente aparatos adecuados sobre los que puede realizarse el trabajo. (Berkeley, 214)]

5. El estudio de la Termodinámica requiere ciertas “idealizaciones”. Por ejemplo, resulta aceptable que no se pueda construir una pared adiabática perfecta. Las paredes de un “termo” doméstico constituyen un ejemplo práctico de pared adiabática, y todos sabemos que el mejor “termo” no impide que al cabo de unos pocos días, el café haya adquirido la temperatura ambiente, habiendo sufrido un cambio en las propiedades termodinámicas. De la misma forma podemos considerar que un matraz cerrado mediante un tapón sería un ejemplo de un sistema que deja pasar energía (se puede calentar o enfriar), pero no materia (sistema cerrado). Sin embargo, cualquier material presenta una cierta porosidad, e incluso puede ser afectado químicamente por los productos que contiene. Las

paredes cerradas, diatérmicas, adiabáticas, etc, a que haremos referencia deben considerarse como ideales en sus características.

Podríamos hacernos, entonces, la siguiente pregunta relativa a estas idealizaciones:¿Es suficientemente adiabática la pared de un “termo de café”, como para que sea utilizable en un experimento real, y aplicar a los resultados las ecuaciones de la Termodinámica?. La respuesta es que si hacemos dos medidas sucesivas de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de un “termo de café”, y la diferencia en los resultados obtenidos es inferior al error admisible en este experimento, diremos que la pared de nuestro “termo de café” es perfectamente adiabática. De la misma forma, cuando decimos que una propiedad no cambia con el tiempo, debemos entender que las posibles variaciones con el tiempo, en la medida experimental de dicha propiedad, son inferiores al error permitido en nuestro experimento.

1. Comprender la importancia y las aplicaciones de la refrigeración en la industria

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2. Entender el funcionamiento de los ciclos básicos de producción de frío: ciclos de compresión de vapor (ciclo de Carnot invertido), los ciclos de refrigeración de gas (ciclo de Brayton invertido), los ciclos de absorción y los sistemas de refrigeración.

3. Representar los ciclos descritos por el refrigerante en los diagramas termodinámicos T-S y P-H y calcular propiedades de los mismos con esta herramienta

4. Calcular los coeficientes de operación y la capacidad de refrigeración

5. Conocer los refrigerantes más empleados, los criterios de selección de los mismos y sus propiedades más importantes

•REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA

• CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR• Ideales• Prácticos. Cálculo. Coeficientes de aprovechamiento• Reales

• REFRIGERANTES• Selección• Propiedades

• PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN• Cascadas• Regeneración (economizadores)• Licuefacción de gases

• SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN• CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS• CICLOS DE ABSORCIÓN

BIBLIOGRAFIAhttp://www.revistavirtualpro.com/revista/index.php?ed=2005-02-01&pag=4

2. http://es.wikipedia.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin%C3%A1mica

3.http://www.biopsychology.org/apuntes/termodin/termodin.htm#Formas%20de%20intercambio%20de%20energía%20sistema-entorno

5. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/juansqui/complequifi1.html#nota5

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6. http://www.iq.uva.es/termoap/

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