TERMODINAMICA Y TERMODINAMICA Y TERMOPARESTERMOPARESJUAN CARLOS ESPELETA JUAN CARLOS ESPELETA

ALFONSO ALFONSO

SENA 397485SENA 397485

ASEGURAMIENTO ASEGURAMIENTO METROLOGICO INDSUTRIALMETROLOGICO INDSUTRIAL

EXPLIQUE LA SEGUNDA EXPLIQUE LA SEGUNDA LEY DE LA LEY DE LA

TERMODINAMICA Y DE TERMODINAMICA Y DE EJEMPLOSEJEMPLOS

TERMODINAMICATERMODINAMICA

La termodinámica La termodinámica es el estudio de las es el estudio de las relaciones de relaciones de energía que energía que involucran calor, involucran calor, trabajo mecánico y trabajo mecánico y otros aspectos de otros aspectos de energía y energía y transferencia de transferencia de calorcalor..

¿ QUE ES ? ¿ QUE ES ?

Es un principio que indica Es un principio que indica que todo proceso es que todo proceso es

“degenerativo“degenerativo””

¿QUÉ INDICA?¿QUÉ INDICA?

El trabajo es una forma de El trabajo es una forma de energía más valiosa que el energía más valiosa que el calor.calor.

AXIOMA DE CLAUSIUSAXIOMA DE CLAUSIUS

Es imposible que el Es imposible que el calor pase, por sí calor pase, por sí solo, desde una solo, desde una región de menor región de menor temperatura hasta temperatura hasta otra de mayor otra de mayor temperatura.temperatura.

AXIOMA DE KELVIN – PLANCKAXIOMA DE KELVIN – PLANCK

Es imposible para Es imposible para cualquier dispositivo cualquier dispositivo operar cíclicamente, operar cíclicamente, producir trabajo, e producir trabajo, e intercambiar calor intercambiar calor solamente con una solamente con una región de región de temperatura temperatura constanteconstante

ENTROPÍAENTROPÍA

► Una magnitud que mide Una magnitud que mide la parte de la energía que la parte de la energía que no puede utilizarse para no puede utilizarse para producir un trabajo.producir un trabajo.

► Es el grado de desorden Es el grado de desorden que poseen las moléculas que poseen las moléculas que integran un cuerpo, o que integran un cuerpo, o también el grado de también el grado de irreversibilidad alcanzada irreversibilidad alcanzada después de un proceso después de un proceso que implique que implique transformación de transformación de energía. energía.

CICLO DE CARNOTCICLO DE CARNOT

Es posible construir una máquina que Es posible construir una máquina que opere entre dos regiones de opere entre dos regiones de temperaturastemperaturas..

Proceso cíclico reversible que utiliza un Proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la adiabáticas, tal como se muestra en la figurafigura.

Todas las máquinas técnicas externamente Todas las máquinas técnicas externamente reversibles tienen la misma eficiencia, si reversibles tienen la misma eficiencia, si operan entre las mismas regiones de operan entre las mismas regiones de temperatura. temperatura.

MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICAS

Una máquina térmica Una máquina térmica es cualquier es cualquier dispositivo que pasa dispositivo que pasa por un proceso cíclico:por un proceso cíclico:

► Absorbe calor Absorbe calor QQhothot

► Realiza trabajo Realiza trabajo WWoutout

► Liberación de calor Liberación de calor QQcoldcold

Dep. frío TC

Máquina

Dep. Caliente TH

Qhot Wout

Qcold

MAQUINAS TERMICASMAQUINAS TERMICAS

Es imposible construir Es imposible construir una máquina que, al una máquina que, al operar en un ciclo, no operar en un ciclo, no produzca efectos produzca efectos distintos a la distintos a la extracción de calor de extracción de calor de un depósito y la un depósito y la realización de una realización de una cantidad equivalente cantidad equivalente de trabajo.de trabajo.

Wout

Dep. frío TC

Máquina

Dep. caliente TH

Qhot

Qcold

MAQUINAS TERMICASMAQUINAS TERMICAS

EFICIENCIA DE UNA MÁQUINAEFICIENCIA DE UNA MÁQUINA La eficiencia de una La eficiencia de una

máquina térmica es máquina térmica es la razón del trabajo la razón del trabajo neto realizado W a neto realizado W a la entrada de calor la entrada de calor QQHH

e e == ==

W

QH

QH- QC

QH

e = 1 - QC

QH

EJEMPLO DE EFICIENCIAEJEMPLO DE EFICIENCIA

Una máquina Una máquina absorbe 800 J y absorbe 800 J y desecha 600 J cada desecha 600 J cada ciclo. ¿Cuál es la ciclo. ¿Cuál es la eficiencia?eficiencia?

Dep. frío TDep. frío TCC

MáquinaMáquina

Dep. caliente TDep. caliente THH

800 J W

600 J

e = 1 - QC

QH

e = 1 - 600 J

800 J

e = 25%

EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA IDEAL (máquina de Carnot)IDEAL (máquina de Carnot)

Para una máquina Para una máquina perfecta, las perfecta, las cantidades Q de calor cantidades Q de calor ganado y perdido son ganado y perdido son proporcionales a las proporcionales a las temperaturas absolutas temperaturas absolutas T.T.

e = TH- TC

TH

e = 1 - TC

TH

EjemploEjemplo

Una máquina de vapor Una máquina de vapor absorbe absorbe 600 J600 J de calor de calor a a 500 K500 K y la y la temperatura de escape temperatura de escape es es 300 K300 K. Si la . Si la eficiencia real sólo es la eficiencia real sólo es la mitad de la eficiencia mitad de la eficiencia ideal, ¿cuánto ideal, ¿cuánto trabajotrabajo se realiza durante cada se realiza durante cada ciclo?ciclo?

REFRIGERADORESREFRIGERADORESUn refrigerador es una Un refrigerador es una máquina que opera a la máquina que opera a la inversa: realiza trabajo inversa: realiza trabajo sobresobre gas que extrae calor gas que extrae calor deldel depósito frío y depósito frío y deposita calor deposita calor enen el el depósito caliente.depósito caliente.

Win + Qfrío = Qcaliente

WIN = Qcaliente - Qfrío

LA SEGUNDA LEY PARA LA SEGUNDA LEY PARA REFRIGERADORESREFRIGERADORES

Es imposible construir un Es imposible construir un refrigerador que absorba refrigerador que absorba calor de un depósito frío y calor de un depósito frío y deposite igual calor a un deposite igual calor a un depósito caliente con depósito caliente con W = W = 0.0.

Si fuese posible, ¡ se podría establecer movimiento perpetuo !

COEFICIENTE DE COEFICIENTE DE RENDIMIENTO (COP)RENDIMIENTO (COP)

El El COP (K)COP (K) de una de una máquina térmica es la máquina térmica es la razón del razón del CALOR QCALOR Qcc extraído al extraído al TRABAJOTRABAJO neto neto realizado realizado WW..

QC

WK = =

QH

QH- QC

Para un Para un refrigerador refrigerador

IDEAL:IDEAL:K =

TH

TH- TC

EJEMPLO (COP)EJEMPLO (COP)

Un refrigerador de Carnot opera entre 500 K y 400 K. Extrae 800 J de un depósito frío cada ciclo. ¿Cuáles son COP, W y QH ?

K = 400 K400 K

500 K - 400 K500 K - 400 K

TC

TH- TC

=

COP (K) = 4.0

EJEMPLO DE COP (Cont.)EJEMPLO DE COP (Cont.)A continuación se A continuación se encontrará Qencontrará QHH al suponer el al suponer el mismo K para un mismo K para un refrigerador real (Carnot).refrigerador real (Carnot).

K =K = QC

QH- QC

800 J800 J

QQHH - 800 J - 800 J=4.0

QH = 1000 J

EJEMPLO DE COP (Cont.)EJEMPLO DE COP (Cont.)

Ahora, ¿puede decir cuánto Ahora, ¿puede decir cuánto trabajo se realiza en cada trabajo se realiza en cada ciclo?ciclo?

Trabajo = 1000 J - 800 JTrabajo = 1000 J - 800 J

Trabajo = 200 J

LEYES DE LOS LEYES DE LOS TERMOPARESTERMOPARES

LEY DE LOS MATERIALES LEY DE LOS MATERIALES HOMOGÉNEOSHOMOGÉNEOS

En un conductor metálico homogéneo no se genera corriente termoeléctrica al aplicarle calor, aunque varíe la sección transversal del conductor.

CONSECUENCIAS: - Para formar un termopar hacen falta dos metales diferentes. -Si un metal sometido a un gradiente de temperatura genera una fuerza electromotriz indica que no es homogéneo.

LEY DE LOS MATERIALES LEY DE LOS MATERIALES INTERMEDIOSINTERMEDIOS

La suma algebraica de las tensiones termoeléctricas en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero, si

todo el circuito está a una misma temperatura.

CONSECUENCIAS: - Se puede añadir un tercer metal (instrumento de medida) en un

circuito termoeléctrico sin que varíe la tensión, siempre que las dos nuevas uniones estén a la misma temperatura.

- el método empleado para unir los dos metales (soldadura, con tornillo, etc.) no afecta a la fuerza electromotriz resultante si el conjunto está a la misma temperatura y el contacto eléctrico es correcto.

LEY DE LAS LEY DE LAS TEMPERATURAS TEMPERATURAS INTERMEDIASINTERMEDIAS

Si dos metales homogéneos diferentes producen una fuerza termoeléctrica E1 cuando están a una temperatura T1 y T2, y una fuerza termoeléctrica E2 cuando están a la temperatura T2 y T3, la fuerza termoeléctrica generada cuando las uniones están a temperatura T1 y T3 será igual a E1 + E2.

Consecuencias: - Si se conoce la fuerza termo electromotriz que genera la unión de dos

metales diferentes con un tercero, la fuerza termo electromotriz que genera la unión de los dos primeros es igual a la suma algebraica de las fuerzas termo electromotrices que genera cada uno con el tercero.

-Un termopar calibrado para una temperatura de referencia puede ser empleado para otra temperatura mediante la oportuna corrección.

TIPOS DE TERMOPARESTIPOS DE TERMOPARES

TIPOS DE TERMOPARESTIPOS DE TERMOPARES

Tipo KTipo K

(Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -(Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox.sensibilidad 41µV/°C aprox.

Termopar tipo K con camisa Inconel diámetro 1,5 mm

Tipo ETipo E

(Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

► Ideales para el uso en bajas temperaturas, en el Ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico gracias a su sensibilidad. ámbito criogénico gracias a su sensibilidad.

► Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%► Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%► Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o

medianamente oxidante o reductora. medianamente oxidante o reductora.

Tipo JTipo J

(Hierro / Constantán): debido a su limitado (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética una abrupta transformación magnética causa una des calibración permanente. causa una des calibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°Csensibilidad de ~52 µV/°C

Tipo NTipo N

(Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.tipos B, R y S que son más caros.

TERMOPARESTERMOPARES

los termopares tipo B, R y S son los los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 altas temperaturas (superiores a 300 ºC).ºC).

Tipo BTipo B

(Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje. a su curva de temperatura/voltaje.

Tipo RTipo R

(Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de para la medición de temperaturas de hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo. su atractivo.

Tipo STipo S

(Platino / Rodio): ideales para mediciones (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C). del oro (1064,43 °C).

Tipo TTipo T

Es un termopar adecuado para Es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán. cobre y el negativo, de constantán.

TIPOS TIPOS

TIPOSTIPOS

BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA

• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.htmlsees/thermo/seclaw.html•http://www.jmi.com.mx/http://www.jmi.com.mx/documento_literatura/documento_literatura/leyes_metales_intermedios_termopares.pleyes_metales_intermedios_termopares.pdfdf•www.cygintegral.cl/Biblioteca/www.cygintegral.cl/Biblioteca/SensoresTemperatura-3.pptSensoresTemperatura-3.ppt•Curso teórico-practico en temperatura SIC Curso teórico-practico en temperatura SIC 20112011

FINFIN