UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER FACULTAD DE INGENIERIA QUMICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE QUMICA, INGENIERIA Y TECNOLOGIA

TERMODINMICA DE LOS PROCESOS QUMICOS I

TEMA : APLICACIN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA A UN HORNO DE PILOTO EN LA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA CTEDRA DOCENTE INTEGRANTES :TERMODINMICA DE LOS PROCESOS QUMICOSI : Ing. FUENTES LOPEZ, Walter :LOZANO VILCARANO, Miguel ngel NAULA RAMOS, Vidal Fernando ULLOA ALFARO, Mike Paolo

SEMESTRE

:

V-A

HUANCAYO - 2010

OBJETIVOS

a) General

y

Aplicar los balances de materia y energa correspondientes a una reaccin de obtencin del CaCl 2

b) Especficos

y

Asociar las definiciones de la primera y segunda ley en la reaccin par la obtencin del CaCl 2.

y

Entender el concepto de eficiencia de una mquina trmica para su aplicacin posterior en el horno.

I.

MARCO TEORICO

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

Las relaciones de conservacin fundamentan la termodinmica. El concepto de una cantidad que se conserva es importante en muchos campos de la ciencia y se basa en experiencias comunes. Conservacin de la energa y primera ley de la termo dinmica son nombres diferentes del mismo principio. Se necesita tener una idea clara de la relacin entre los estados de un sistema y la transferencia de energa. Para una sustancia simple y compresible, se requieren dos propiedades intensivas independien tes para especificar un estado. El sistema cambia de un estado a otro mediante una transferencia de energa, ya sea en forma de trabajo o como transferencia de calor. Esta transferencia de energa necesariamente debe cruzar las fronteras del sistema. La cantidad de energa transferida depende de la trayectoria; es decir, el trabajo es funcin del camino seguido para realizarlo. Los estados de una sustancia no dependen de cmo se lleg a ellos, sino nicamente de las propiedades de la sustancia en cuestin. Para esto es esencial para la comprensin de la termodinmica. Se presenta la primera ley de la termodinmica, as como el principio de conservacin de la masa. Los principios fundamentales se desarrollan primero para una masa de control y subsecuentemente se transformarn para emplearlos en un volumen de control.LA PRIMERA LEY APLICADA A UN PROCESO

(energa del sistema) + (energa de los alrededores) = 0 (energa del sistema)= U + Ec + Ep Energa Interna (U): efectos moleculares internos Energa Cintica (E c): cambios de velocidad. Energa Potencial (E p): de posicin o efecto de la gravedad.

(energa de los alrededores)= Q W Transferencia de energa como calor o trabajo desde o hacia los alrededores Considerando los cambios que suceden en el sistema y los alrededores , se tiene:

Q W =U + Ec + Ep Para la eleccin del signo, el anlisis se hace a partir de lo que sucede en el sistema , se elige: +W -W

: el sistema recibe trabajo : el sistema realiza trabajo hacia los alrededores

+Q -Q

: se transfiere calor hacia el sistema : se transfiere calor del sistema hacia los alrededores.

Luego: Q +W =U + Ec + EpENERGA INTERNA

ENERGA INTERNA (U); es la energa que posee una sustancia como consecuencia del movimiento de sus molculas. Es propia de cada sustancia. Es una propiedad extensiva, depende de la masa. La energa interna expresada por unidad de masa u = U/m se denomina energa interna especfica. Se especifican en las tablas termodinmicas de lquido saturado, vapor saturado, vapor sobrecalentado. Si es vapor hmedo se calcula con: u ! u f X (u g u f ) u ! u g Y (u g u f )

PRIMERA LEY: PARA UN SISTEMA DE MASA DE CONTROL o SISTEMAS CERRADOS En un sistema cerrado, no hay cambio de masa, de energa potencial ni cintica. La variacin de la energa interna de un sistema es la suma del calor absorbido de su entorno y el trabajo que ste recibe .

Q+W =U Cuando los cambios son diferenciales se expresa como: xQ xW ! dU xQ y xW son diferenciales inexactas, pues dependen de la trayectoria. dU es una diferencial exacta que no depende de la trayectoria e incluye las energas asociadas al estado termodinmico.PRIMERA LEY PARA UN VOLUMEN DE CONTROL o SISTEMAS ABIERTOS

Hay flujo de masa a travs de una porcin de volumen de control

Donde: m1 = masa al inicio del proceso. mt= masa durante el proceso. m2 = masa al final del proceso, dentro del control

volumen

de

BALANCE DE MASA EN UN VOLUMEN DE CONTROL

Condiciones: mi < ms m1>m2 ; para una sola entrada y una sola salida: El Subndice f indica corrientes que fluyen, del cual se obtiene:

dmvc ((m) f ! 0 dt El Subndice f indica corrientes que fluyen, del cual se obtiene:1 2

Tambin se puede expresar como:dm vc dt ( ( VuA) f ! 0

Llamada ecuacin de continuidad En un estado estacionario no hay acumulacin.

El flujo de entrada y el flujo de salida de masa son iguales:( ( VuA) y ! 0 f ENTALPA m! u1 A1 u 2 A2 uA ! ! v1 v2 v

ENTALPA: (H); Es la energa asociada a la masa, representa la suma de la energa interna y el equivalente trmico del trabajo debido a los cambios de volumen a una temperatura y presin dada.

i !

s

Es una propiedad termodinmica, no depende de la trayectoria, es una funcin de estado.

Se expresa como: H = U + PV. La entalpa expresada con respecto a la unidad de masa se llama entalpa especfica: h =H/mSEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA

Dos de los enunciados ms importantes de la Segunda Ley de la Termodinmica dicen: CLAUSIUS: Toda transformacin cclica cuyo nico resultado final sea el de transferir una cierta cantidad de calor de un cuerpo fro a uno caliente, es imposible. KELVIN-PLANCK: Toda transformacin cclica cuyo nico resultado final sea el de absorber calor de un cuerpo o fuente trmica a una temperatura dada y convertirlo ntegramente en trabajo, es imposible. Es importante definir los procesos irreversibles y reversibles.y

y

Procesos irreversibles . La transformacin de un sistema, pasando de un estado inicial a un estado final, es irreversible si el paso, del estado final al inicial, es imposible sin efectuar ningn cambio a los cuerpos del entorno; esto es, el retorno precisa compensacin. Procesos reversibles. La transformacin de un sistema, pasando de un estado inicial a un estado final, es reversible si el paso del estado final al inicial no implica compensacin alguna. Es evidente que toda transformacin cuasi-esttica es reversible, ya que en todo momento el sistema se encuentra en estados de equilibrio, entonces en el camino de ida o el de vuelta no se modificar el entorno.

Este ltimo concepto es hipottico, de gran valor en las investigaciones tericas. La segunda ley de la termodinmica da una definicin precisa de una propiedad llamada entropa. La entropa se puede considerar como una medida de lo prximo o lejano, en el que se encuentra un sistema para llegar al equilibrio; tambin se puede considerar como una medida del desorden (espacial y trmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropa, o sea el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una configuracin de mxima entropa, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio.ENTROPA:

Se da cuando se aade calor Q, a un sistema termodinmico, mediante un proceso reversible, a una temperatura absoluta T, la entropa del sistema se incrementa en una cantidad

CICLO DE CARNOT

Se define ciclo de Carnot como un proceso cclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotrmicas y dos adiabticas, tal como se muestra en la figura.

Figura N2 Ciclo de carnot

Fuente http://labquimica.wordpress.com/2008/05/15/ciclo-de-carnot/

La representacin grfica del ciclo de Carnot en un diagrama p -V es el siguienteFigura N3 Ciclo de carnot

Fuente http://labquimica.wordpress.com/2008/05/15/ciclo-de-carnot/

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B Tramo Tramo Ey y y

adiabti a i ot rma a la t mperat ra T2 A adiabti a ier i lo, tenemos e obtener a partir de los datos ini iales:

al

a presi n, ol men de ada no de los rti es. El trabajo, el alor la ariaci n de energa interna en cada na de las etapas. El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, el rendimiento del ciclo.Fi 4 Ci l de

Fue te: htt ://jfi . l

t.

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LAS E APAS

EL I LO

A continuaci n se presenta un cuadro resumen para estas transformaciones termodinmicas . m i A->B i m

a presi n pB se calcula a partir de la ecuaci n del gas ideal: Variaci n de energa interna:

t

Trabajo: alor: 2. m i B->C i i o bien . .

a ecuaci n de estado adiabtica es Se despeja vc de la ecuaci n de la adiabtica onocido vc . alor: Variaci n de energa interna: Trabajo: 3. m i C->D i m

T2 se obtiene pc, a partir de la ecuaci n del gas ideal.

Variaci n de energa interna:

Trabajo: alor: 4. m i D-> A i i .

Se despeja vDde la ecuaci n de la adiabtica onocido vD . alor: Variaci n de energa interna: Trabajo

T2 se obtiene pD, a partir de la ecuaci n del gas ideal.

EL CICLO COMPLE Oy

V i

i

i

En un proceso cclico reversible la variaci n de energa interna es ceroy

Trabajo

os trabajos en las transformaciones adiabticas son iguales opuestos. Por otra parte, podemos establecer a partir de las ecuaciones de las dos adiabticas la relaci n entre los vol menes de los vrtices

lo ue nos conduce a la expresi n final del trabajo total del cicloy

Calor

En la isoterma T1 se absorbe calor Q>0 a ue vB>vAde modo ue

En la isoterma T2 se cede calor Q 0 a ue vD