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Termodinámica
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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