TERMODINAMICA

I.Q. SHEILA G. PEREZ BRAVO

Programa de Estudios

• Unidad 1.Propiedades termodinámicas de las sustancias

• Unidad 2. Leyes termodinámicas

• Unidad 3. Ciclos de potencia de gas, vapor y combinados

• Unidad 4. Ciclos de refrigeración

• Unidad 5. Mezcla gas-vapor y acondicionamiento de aire

Bibliografía

Título: TermodinámicaAutor: Yunus Cengel A. y Boles Michael A. Año: 2009Editorial: Mc Graw Hill

Título: Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química Autor: Smith, Van Ness, AbbotAño: 2007Editorial: Mc Graw Hill

Políticas de la Asignatura

• La tolerancia de entrada será de 10 min.

• Las evidencias se deben entregar en la fecha indicada y serán calificadas en escala numérica.

• El alumno deberá presentar el examen en la fecha establecida.

• Tendrán derecho a presentar evidencias extemporáneas solo con justificante.

• Deberán acreditar 3 unidades para tener derecho al examen global.

Criterios de Evaluación

Asistencia mínima 80 % para presentar examen

Evidencias 90%

Participaciones 10%

Unidad 1

Propiedades Termodinámicas

de las Sustancias

Conceptos Básicos:

Termodinámica: Es la ciencia de la energía, el griego therme (calor) y dynamis (fuerza).

Sistema: Cantidad de materia o región en el espacio elegida para analizar.

Alrededores: Región fuera del sistema.

Frontera: Superficie que separa al sistema de sus alrededores. No contiene ni masa ni volumen.

Sistema Cerrado: Es aquel que tiene una masa fija, conocido como masa de control. No se realiza transferencia de masa, sólo de calor o trabajo.

Sistema Aislado: No se realiza ninguna transferencia.

Sistema Abierto: Conocido como volumen de control, se realiza transferencia de masa y energía.

Propiedades de un Sistema

Intensivas: Son independientes de la masa de un sistema (T, P, ρ ) se denotan en minúsculas.

Extensivas: Dependen del tamaño o extensión del sistema (m, V) se denotan en mayúsculas.

Propiedades Especificas

Son extensivas por unidad de masa

Volumen especifico

v = V / m = 1 / ρ

Energía total especifica

e = E / m

Gravedad Especifica o Densidad relativa

Es el cociente de la densidad de una sustancia respecto a la densidad de otra sustancia estándar a una temperatura especifica.

DR = ρ / ρH2O

Estado del Sistema

Es definido por sus propiedades con valores fijos, si una propiedad cambia el estado cambia a otro diferente.

Se alcanza el estado de equilibrio cuando no hay cambios en el sistema.

Equilibrio Termodinámico

Un sistema alcanza el equilibrio si se satisfacen todos los tipos necesarios de equilibrio.

Equilibrio Térmico: si tienen la misma temperatura.

Equilibrio Mecánico: misma presión.

Equilibrio Químico: Si la composición química no cambia.

Fase de Equilibrio: Si hay dos fases, cuando la masa de cada una alcance al equilibrio y permanezca constante.

Postulado de Estado

El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes

Son independientes si una de ellas puede variar mientras la otra permanece constante

Un sistema compresible simple carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y tensión superficial.

Proceso: es el cambio de un estado a otro que experimenta un sistema.

Trayectoria: la serie de estados por los que pasa el sistema durante un proceso.

Clasificaciones:

Isotérmico: temperatura constante

Isobárico: presión constante

Isocórico o Isométrico: volumen especifico constante

Proceso Estacionario: no hay cambio con el tiempo.

Proceso Transitorio: cuando hay cambio con el tiempo.

Proceso de Flujo Estacionario: un fluido fluye de forma estacionaria por un volumen de control, el volumen, masa y energía permanecen constantes.

Ciclo: es un proceso con estados finales idénticos.

Temperatura Termodinámica

Es la temperatura absoluta, medida en escala Kelvin K o Rankine R

T ( R )= T (° F ) + 459.67

T ( K )= T (° C ) + 273.15

Diferencial de Temperatura

ΔT ( R ) = ΔT ( ° F )

ΔT ( K ) = ΔT ( ° C )

ΔT ( R ) = 1.8 ΔT ( K )

Presión

Es la fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área, su unidad es (N/m2), conocida como Pascal (Pa).

1 Pa = N/m2

La presión relativa al vacío absoluto se llama presión absoluta, y la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local se llama presión manométrica.

Las presiones por debajo de la presión atmosférica se llaman presiones de vacío.

Pmanométrica = Pabs - Patm (para presiones por arriba de Patm)

Pvacío = Patm – Pabs (para presiones por debajo de Patm)

La presión en un punto de un fluido tiene la misma magnitud en todas direcciones.

La variación de la presión con la elevación está dada por

dP / dz = - ρg

donde la dirección z positiva es hacia arriba. Cuando la densidad del fluido es constante, la diferencia de presión en una capa de fluido de espesor Δz es

ΔP = P2 - P1 = ρց Δz

Las presiones absoluta y manométrica en un líquido abierto a la atmósfera a una profundidad h desde la superficie libre son

Pabs = Patm + ρgh

Pmanométrica = ρgh

Las diferencias de presión pequeñas a moderadas se miden con un manómetro

Manómetro

Instrumento de medición de presión, que utiliza el principio de diferencial de presión

ΔP = P2 - P1 = ρց Δz

Pabs = Patm + ρgh

El principio de Pascal establece que la presión aplicada a un fluido confinado aumenta la presión en todos los puntos en la misma cantidad.

La presión atmosférica se mide con un barómetro y está dada por

Pmanométrica = ρgh

donde h es la altura del líquido de la columna.

Barómetro

Instrumento utilizado para medir la presión atmosférica, por lo cual se conoce también como presión barométrica

La presión atmosférica varia con la altitud de cada lugar, ya que es el peso del aire por área superficial unitaria

Una unidad de presión de uso común es la atmósfera estándar, que se define como la presión producida por una columna de mercurio de 760 mm de altura a 0 °C (ρHg = 13 595 kg/m3) bajo la aceleración gravitacional estándar (g = 9.807 m/s2).

La presión atmosférica estándar, por ejemplo, es 760 mm Hg (29.92 pulg Hg) a 0 °C. La unidad mm Hg se llama también torr en honor a Torricelli. Por lo tanto, 1 atm = 760 torr y 1 torr = 133.3 Pa.

Energía

La suma de todas las formas de energía de un sistema se llama energía total, que consta de las energías interna, cinética y potencial para sistemas simples compresibles.

La energía interna representa la energía molecular de un sistema y puede existir en las formas sensible, latente, química y nuclear.

.El flujo másico m se define como la cantidad de masa que fluye por una

sección transversal por unidad de tiempo, y se relaciona con el flujo volumétrico.

.El flujo volumétrico V, es el volumen de un fluido que fluye por

una sección transversal por unidad de tiempo

. . m = ρV = ρ Δt Vpromedio

La tasa de flujo de energía relacionada con un fluido que fluye a una tasa de masa es

. .E = me

Energía Cinética

EC = m V2 / 2 (Kj)

ec = V2 / 2 (Kj / kg)

V = velocidad

Energía Potencial

EP = mgz (Kj)

ep = gz (kj/kg)

g = aceleración gravitacionalz = altura

La energía mecánica se define como la forma de energía que se puede convertir completamente en trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como puede ser una turbina ideal. Se expresa por unidad de masa como

Donde P/ρ es la energía de flujo, V2/2 es la energía cinética y gz es la energía potencial del fluido por unidad de masa.

La energía puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado en la forma de calor o trabajo.

Para los volúmenes de control, la energía se puede transportar también mediante la masa.

Si la transferencia de energía se debe a una diferencia de temperatura entre un sistema cerrado y el exterior, es calor; de lo contrario, es trabajo.

El trabajo es la energía transferida cuando una fuerza actúa sobre un sistema a lo largo de una distancia. Varias formas de trabajo se expresan como sigue:

Trabajo por unidad de masa

w= W / m (kj/kg)

El trabajo realizado por unidad de tiempo, se llama Potencia

.W = W / Δt (kj/s = KW)

Trabajo Mecánico

W = Fs

F = Fuerzas= distancia

Los requisitos para que se presente trabajo mecánico son:

1.- Fuerza que actúe sobre los limites2.- Movimiento de los limites

Trabajo de Flecha

Para determinado momento de torsión constante, el trabajo hecho en n revoluciones, se determina así: Una fuerza F de momento r genera un momento de torsión

F = T / r

La distancia se relaciona con el radio

s=(2∏r)n

W=Fs= (T/r) *(2∏r)n

Wflecha=2∏nT (kj)

La potencia transmitida durante el trabajo de flecha, Wflecha por unidad de tiempo

. .Wflecha=2∏nT

.n= número de revoluciones por unidad de tiempo

Trabajo de Resorte

Cuando se aplica una fuerza a un resorte, su longitud cambia

F=kx

x=desplazamientok= cte. Resorte (KN/m)

Wresorte =1/2 k (x22 – x1

2) (kj)

x1= posición inicialx2= posición final

Trabajo hecho para acelerar o elevar un cuerpo

1) La transferencia de trabajo para elevar un cuerpo es igual al cambio en la energía potencial del cuerpo

W= EP2-EP1 = mgz2 – mgz1 = mg(z2-z1)

2) La transferencia de trabajo necesaria para acelerar un cuerpo es igual al cambio de energía cinética del cuerpo

W= EC2- EC1 = mV22 / 2 – m V1

2 / 2 = ½ m (V22 - V1

2)

Potencia

.W= W / Δt

Unidad 2

Leyes Termodinámicas

Ley Cero de la Termodinámica

Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

Formulada por R.H. Fowler en 1931 después de la primera y segunda.

Temperatura Termodinámica

Es la escala en Kelvin, la mínima es el cero absoluto (0 K) teóricamente y en la práctica 0.000000002 K

T (K) = T ( °C ) + 273.15

Primera ley de la Termodinámica

Es en esencia una expresión del principio de la conservación de la energía, conocido también como balance de energía.

La energía no se puede crear ni destruir durante un proceso; sólo puede cambiar de forma.

El balance de masa y energía generales para cualquier sistema que experimenta cualquier proceso se puede expresar como

Energía

Es una propiedad del sistema, y no cambia a menos que cambie el estado del sistema.

La energía total, es la suma de las energías, interna ( molecular, latente, química y nuclear), cinética, potencial, eléctrica, y magnética, se denota por E

ΔE = ΔU + ΔEC + ΔEP

ΔU = m (U2-U1)

ΔEC = ½ m (V22 – V1

2)

ΔEP = mg (z2-z1)

Para Sistemas Estacionarios

ΔEC = ΔEP = 0

ΔE = ΔU

La energía se puede transferir hacia o desde un sistema, de tres formas:

Transferencia de Calor Q

Ganancia; incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema

Pérdida; disminuye la energía del sistema por que las moléculas transfieren calor

Transferencia de Trabajo W

Es la interacción de energía que no es causada por una diferencia de temperatura, entre un sistema y el exterior , la transferencia hacia el sistema aumenta la energía y la pérdida la disminuye.

Flujo Másico

Es el flujo que entra y sale del sistema, funciona como mecanismo de transferencia de energía, cuando entra masa, aumenta la energía, y disminuye si sale.

Balance de Energía

El cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y le energía total que sale del sistema durante el proceso

EENT – ESAL = ΔESIST

(QENT – QSAL ) + (WENT – WSAL ) + (EM.ENT – EM.SAL ) = ΔESIST

• En sistemas adiabáticos no hay transferencia de calor

• Si no hay interacciones de trabajo, la transferencia es cero

• En sistemas cerrados, no hay flujo másico, por lo tanto no hay transferencia de masa

• Para un sistema con estado inicial y final idénticos (ciclo)

EENT – ESAL = 0

EENT = ESAL

Sistema Cerrado

WNETO,SAL = Q NETO,ENT

. .WNETO,SAL = Q NETO,ENT

Las eficiencias de varios dispositivos se definen como:

Unidad 3

Ciclos de potencia gas-vapor

y combinados

Unidad 4

Ciclos de Refrigeración

Unidad 5

Mezcla gas-vapor y

acondicionamiento de aire