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Ing. Orlando Mican PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA

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  • Ing.OrlandoMican

    PRINCIPIOSDETERMODINAMICA

  • 2

    PRINCIPIOS DE LA REFRIGERACION

    1626 Francis Bacn trat de conservar un pollo rellenndolo de nieve

    1683 Antn Von Leevwenhoek inventa el microscopio a 10C los

    microorganismos se reproducen con gran dificultad

    1775 Dr. William Cullen primera mquina fbrica de hielo en forma prctica

    1820 Miguel Faraday principio de las mquinas de refrigeracin por

    absorcin

    1834 Jacob Perkins Ingeniero americano, residido en Londres -

    Refrigeracin por comprensin

    1858 Ferdinand Carre primera mquina completa de refrigeracin por

    absorcin basada en estudios de Miguel Faraday

    1885 Alemania - Primera mquina de produccin - HIELO

    1904 Willis Carrier- Inventa el acondicionador de aire

  • 3

    INTRODUCCION - DEFINICION

    Al igual que en cualquier otra ciencia, la refrigeracin tiene su propia terminologa.

    He aqu los principales trminos que utiliza:

    REFRIGERACION

    CALOR

    FRIO

    TEMPERATURA

    ESCALA FAHRENHEIT

    ESCALA CENTRIGRADA

    ESCALA ABSOLUTA

    TRANSFERENCIA DE CALOR

    CONDUCCION

    CONVECCION

    RADIACION

    UNIDAD BTU

    CALOR ESPECFICO

    CALOR SENSIBLE

    CALOR LATENTE

    ESTADOS DE LA MATERIA

    TONELADA DE REFRIGERACION

    PRESION

    UNIDADES DE PRESION

  • 4

    QU ES LA REFRIGERACION?

    Refrigeracin es el proceso mediante el cual se transfiere calor, de un lugar

    donde no se desea, a otro donde no importe cederlo y/o puede ser aprovechado.

    Siempre que se resta calor va acompaado de una cada o disminucin de

    temperatura del espacio refrigerado.

    Para nuestro propsito, solamente se estudiar la refrigeracin por compresin de

    vapor.

    La definicin indicada arriba va a ser ahora estudiada en cada una de sus partes y

    analizada.

    QU ES CALOR? - El calor es una forma de la energa. Dicho calor puede ser

    aprovechado para producir trabajo. El calor, no es un slido, ni un lquido, ni gas,

    por tanto no se puede medir por peso ni volumen.

    Si se aade calor, a una substancia, aumenta su temperatura, se funde o se

    Evapora. Existen otras formas de la energa, tales como la elctrica y la qumica,

    las cuales pueden ser transformadas en "calor".

    A continuacin se indican las principales de esas formas de energa que generan

    calor:

    LUZ... Radiacin solar

    ELECTRICIDAD.......... Calentadores

    MAGNETISMO... Histresis del hierro

    MEDIOS QUIMICO........... Combustin

    MEDIOS MECANICOS............. Comprensin, friccin, percusin

  • 5

    La columna de la izquierda es la clasificacin general de las formas de energa, y

    en la columna de la derecha vienen los ejemplos tpicos.

    En la tercera lnea se puede observar la palabra HISTERESIS. En pocas

    palabras, HISTERESIS, significa un retardo en los valores del magnetismo

    resultante, en un material magntico causado por un cambio de la fuerza

    magntica.

    ESTADO SOLIDO

    Movimiento molecular mnimo

    Esta pirmide invertida muestra una teora de la naturaleza del calor y sus efectos

    sobre la temperatura. En este ejemplo se ha escogido el agua como substancia.

    La teora dice que las pequeas partculas o molculas de agua se mueven tanto

    ms rpidamente, cuanto ms calor se les aplica. Tambin dice la teora, que

    segn la proporcin del movimiento, el agua es hielo (slido), lquido o vapor.

    En la parte baja de la pirmide, existe una temperatura llamada CERO ABSOLUTO

    FRIO ABSOLUTO, en cuyo punto no hay tericamente ningn calor en el hielo, ni

    movimiento de las molculas. En cualquier punto, por encima de 273,16C (

    459,69F), est el agua en forma de hielo (slido), lquido o vapor y contiene calor.

    ESTADO GASEOSO Las molculas de vapor se desplazan libres en

    cualquier direccin

    ESTADO LQUIDO Movimiento molecular

    limitado

    ESTADO SOLIDO

    212 F

    32 F

    -459,69CERO ABSOLUTO

  • 6

    QU ES FRO?

    Frio es trmino relativo que denota ausencia de calor.

    Jams se consigui enfriar un cuerpo hasta el fro absoluto, aunque los cientficos

    han determinado el fro absoluto tericamente, de - 273.16 C (-459.688F).

    La temperatura mnima conseguida hasta ahora es de -272.6C haciendo pasar

    helio por un ducto de hielo.

    Se puede deducir de la forma de la pirmide, que la palabra fro es un trmino

    relativo, ya que en todos los niveles por encima del cero absoluto, est presente

    alguna cantidad de calor, aunque el hielo o el agua den la sensacin de fro.

    La anchura de la pirmide a cualquier nivel, representa la cantidad de calor en el

    agua o vapor de agua. La altura sobre el cero absoluto indica la temperatura

    correspondiente a dicha cantidad de calor.

    Los caractersticos quiebros o escalones que vemos en la pirmide, representan

    las cantidades extras de calor que se necesita aadir, para fundir el hielo o

    evaporar el agua. Estas cantidades extras de calor, tienen nombres especiales

    que se definirn mas tarde.

    Las frases que vemos en la parte derecha y superior de la diapositiva, son

    maneras cientficas de decir que la actividad de las molculas determina que el

    agua se encuentra en forma slida, lquido o vapor.

    La mayora de las substancias pueden existir en un momento determinado, en

    forma de slido, lquido o vapor como ocurre con el agua, aunque las

    temperaturas a las cuales ellas se funden y se evaporan son distintas.

  • Por ej

    324F

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  • 8

    Fahrenheit. En la figura se puede comparar la escala Fahrenheit usada en la

    industria de la refrigeracin, con la escala Celsius usada en trabajos cientficos.

    La escala Fahrenheit de la izquierda, fue ideada por un cientfico alemn en el ao

    1724 y por eso lleva su nombre. El determin el punto cero con una mezcla

    frigorfica de hielo y sal-amoniaco, y dispuso que 100F debiera ser la temperatura

    correspondiente al cuerpo humano. En esta escala el agua empieza a congelarse

    a 32F e hierve a 212F. La inexactitud de sus medidas se desprende del hecho

    que la temperatura del cuerpo humano es normalmente de 98.6F en lugar de

    100F que l haba considerado.

    FSICO ALEMN

    Gabriel Fahrenheit (1680 - 1736)

    1709 Inventa el termmetro con escala de su nombre

    1715 Invent el termmetro de Hg

    ANDRS CELSIUS

    Astrnomo y fsico sueco

    (1701 - 1744)

    Inventa la escala termomtrica centesimal

    REN ANTOINE FERCHAULT

    ESCALA REAMUR

    Naturalista francs

    (1683 - 1757)

    1730 Invent el termmetro de alcohol 0.080

    La escala Fahrenheit y la escala Celsius sern usadas en todos nuestros clculos

    de refrigeracin.

  • 9

    La escala Celsius fue introducida en el ao 1740. En ella el punto de congelacin

    es 0C y el de ebullicin 100C

    Obsrvese que la temperatura de -40 es la misma en la escala Fahrenheit y en la

    Celsius. El cero absoluto es igual a -459.7F o -273.2C.

    La escala absoluta se ha representado en la figura, existen dos de ellas: la

    Rankine y la Kelvin. Ambas comienzan en el cero absoluto. Los grados de la

    escala Rankine son de la misma longitud que la escala Fahrenheit y la de escala

    Kelvin a los grados centgrados.

    C = K - 273

    K = C + 273

    F = R - 460

    R = F + 460

    2 LEY DE LA TERMODINMICA

    El calor pasa siempre del cuerpo ms caliente al ms fro, se dice por lo tanto que

    fluye "cuesta abajo" y es comparado frecuentemente al agua en este aspecto.

    C y F escalas relativas se restan

    Escalas absolutas se suman

    RECIPIENTE A

    RECIPIENTE B

  • 10

    Cuando el agua de dos recipientes est al mismo nivel, no hay paso de agua de

    uno a otro, pero si el recipiente (A) se baja, el agua ir hacia l y si se sube el

    recipiente, saldr de l.

    De la misma forma, si dos cuerpos estn a la misma temperatura, no habr

    intercambio de calor entre ellos, pero si existe diferencia de calor entre ellos, el

    calor pasar del cuerpo ms caliente al menos caliente; como lo muestra la figura

    anterior.

    El calor siempre viaja de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor

    temperatura.

    TRANSFERENCIA DE CALOR.

    No es suficiente saber que el calor pasa de un cuerpo ms caliente a otro ms fro.

    Es tambin necesario saber cmo este circula, cuando va a ser utilizado en

    beneficio de la refrigeracin.

    Hay tres formas de transferencia de calor. Estas son:

    - CONDUCCION

    - CONVECCION

    - RADIACION

    CONDUCCION: Es la transferencia de calor de partcula a partcula (molcula a

    molcula) de una substancia, sin movimiento de estas partculas entre s. El

    fenmeno de conduccin tiene lugar principalmente en los slidos, pero tambin

    puede existir en lquidos y gases.

    CONVECCION: Es la transferencia de calor a travs de medios fluidos. Ello

    solamente tiene lugar en lquidos y gases, puesto que los slidos no son fluidos.

  • Para

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  • 13

    Aunque hemos visto que es necesario aadir un BTU a cada libra de agua para

    aumentar 1F, esto no es verdad para todas las substancias. En la tabla se

    muestran los valores de capacidad de calor especifico es decir, muestran cuantos

    BTU ser necesario aadir a una libra de cada substancia para aumentar su

    temperatura 1F.

    Estos son los calores especficos de las diferentes substancias. Entonces se

    define: "Calor especfico es la cantidad de BTU requerida para aumentar la

    temperatura de una libra de cualquier substancia 1F".

    En la tabla vemos, como ya se ha explicado, que se necesita 1 BTU para

    aumentar la temperatura del agua 1F. Comprese - con los 0.129 BTU que se

    necesitan para conseguir lo mismo en el hierro, los 0.215 BTU para el aluminio,

    0.327 para la madera y los 0.095 B.T.U. para el cobre.

    Los valores del inverso en cada caso del calor especfico, representa los grados

    que aumentar 1 lb. de cada substancia si se le aade 1 BTU.

    Aunque el agua en estado lquido tiene como calor especfico la unidad (es decir,

    que 1 BTU aumentar en 1F la temperatura de 1 libra de agua), esto no es

    verdad, si el agua se encuentra en forma de hielo vapor.

    CALOR ESPECFICO DEL AGUA

    H2O lquido = 1

    H2O slido F = 0.504 BTU INV = 1 BTU = 1.98F

    H2O vapor F = 0.487 BTU INV = 1 BTU = 2.08F

    Hielo - 4 0.465 BTU

    Hielo -40 0.434 BTU

    Hielo -112 0.350 BTU

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  • 15

    ver que las dos lneas inclinadas han variado su temperatura para cada

    correspondiente variacin en BTU.

    El calor que vara la temperatura del agua y el hielo sin cambiar de estado fsico

    se llama "calor sensible" porque es el calor que puede ser sentido al tacto. Las

    variaciones de calor sensible pueden ser detectadas con un termmetro por

    medio del sentido del tacto.

    El calor sensible se ha representado en el grfico por los 16 BTU necesarios para

    variar la temperatura del hielo desde 0F a 32F y por los 180 BTU necesarios

    para variar la temperatura del agua desde 32F a 212F. QUE ES CALOR LATENTE?

    La importancia del calor latente no puede ser menospreciada ya que es la base de

    la refrigeracin mecnica.

    El calor latente cambia una substancia de slido a lquido o de lquido a vapor sin

    cambiar su temperatura. Quitando calor latente a un cuerpo este cambia de vapor

    a lquido de lquido a slido. Un conocido ejemplo de calor latente de

    evaporacin es el calor absorbido cuando el agua est hirviendo en un recipiente.

    Cuando el agua alcanza la temperatura de ebullicin de 212F al nivel del mar

    (14.696 psi), la temperatura deja de aumentar aunque se le sigue suministrando

    calor. El agua comienza a hervir por tanto a 212F, utilizando grandes cantidades

    de calor (970 BTU's / Lb = Calor Latente de evaporacin. o Calor Latente de

    condensacion.) hasta que se termina por completo la ebullicin.

    Un conocido ejemplo de calor latente de fusin es el calor aadido para fundir

    hielo y hacerlo agua. (144 BTUS/LB = Calor Latente de Fusin o Calor Latente

    de Solidificacion.)

  • 16

    Otros conceptos conocidos bajo esta denominacin son:

    El calor latente de condensacin, es el calor desprendido por el vapor y hacerlo

    liquido.

    El calor latente de solidificacin, es el valor desprendido por el liquido y hacerlo

    slido.

    ESTADOS DE LA MATERIA

    El cambio de slido a lquido y de lquido a gas o viceversa se llama cambio de

    estado

    Por definicin, calor latente de evaporacin es el calor necesario para pasar 1 Lb.

    de lquido a vapor sin variar su temperatura a la presin atmosfrica normal. Una

    cantidad idntica de calor debe ser restada al vapor para pasarlo a lquido.

    Calor latente de fusin es el calor necesario para pasar 1 lb. de slido a lquido

    sin variar su temperatura a la presin atmosfrica normal. Una cantidad igual de

    calor debe ser restada para pasar de lquido a slido.

    S L G

    Evaporacin Fusin

    Sublimacin progresiva

    Condensacion Solidificacion Sublimacin regresiva

  • El gr

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  • 18

    por medio de la lnea inclinada de la izquierda. Los 16 BTU son de calor sensible,

    ya que ellos producen un aumento de temperatura.

    A 32 F el hielo comienza a fundirse. Durante el proceso de fusin la temperatura

    no cambia pero el contenido de calor aumenta, como se indica en la lnea

    horizontal. Su longitud total est al nivel de los 32F pero el calor contenido vara

    desde 16 BTU a 160 BTU. Los 144 BTU de diferencia es el calor latente de

    fusin.

    Despus que el hielo a 32F se ha convertido en agua a la misma temperatura,

    cualquier otra adicin de calor comienza a cambiar la temperatura del agua como

    indica la lnea inclinada de la derecha.

    Los 180 BTU que cambian la temperatura del agua de 32F son de calor sensible.

    A 212F el agua empieza a hervir. La temperatura de ebullicin se llama tambin

    temperatura de saturacin. La temperatura del agua permanece a 212F hasta

    que 970 BTU han sido aadidos y la libra de agua est hirviendo como se indica

    por la lnea horizontal superior. Los 970 BTU necesarios para convertir el agua en

    vapor son calor latente de evaporacin.

    Finalmente, si se aade an ms calor al vapor despus que el agua ha hervido,

    la temperatura del vapor empieza a aumentar. El calor adicional se llama

    "sobrecalentamiento (S.H)". Tambin el sobrecalentamiento se mide en grados.

    De ese modo, 10F de sobrecalentamiento quiere decir que el vapor ha sido

    calentado 10F por encima del punto de ebullicin o punto de saturacin.

    Ahora hagamos un rpido resumen sobre el grfico:

  • 19

    a. La temperatura de una libra de hielo es elevada desde 0 a 32 por adicin de

    16 BTU, de calor sensible.

    b. El hielo a 32F se convierte en agua a 32F, por adicin de 144 BTU de calor

    latente de fusin

    c. La temperatura del agua es elevada desde 32F a 212F por adicin de 180

    BTU de calor sensible

    d. El agua se convierte en vapor por adicin de 970 BTU de calor latente de

    evaporacin

    e. El vapor es sobrecalentado por adicin de calor sensible

    El cambio de hielo a agua y de agua a vapor o viceversa se llama cambio de

    estado. Los cambios de estado son siempre acompaados por una ganancia o

    prdida de calor latente.

    TONELADA DE REFRIGERACION (T. R.)

    Una tonelada de refrigeracin es el efecto de refrigeracin producido al fundirse

    una tonelada de hielo a la temperatura de 32F en 24 horas. Es por tanto, una

    variacin de calor por unidad de tiempo, ms bien que una cantidad de calor.

    Puede ser convertida en BTU por da, por hora, o por minuto si se desea.

    Para obtener BTU por da, se multiplica 2000 (el nmero de libras que tiene una

    tonelada de hielo) por 144 (el calor latente en BTU que se necesitan para derretir

    cada libra de hielo). El resultado es 288.000 BTU por da.

    Para obtener BTU/hora, dividir los 288.000 BTU/da entre 24. El resultado es

    12.000 BTU/hora.

  • De la

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  • 21

    En el interior de la caja que vemos en la grfica, hay un barmetro del tipo usado

    para predecir las condiciones climatolgicas. El extremo superior del tubo de

    cristal est cerrado y existe un vaco casi total en la parte superior de la columna

    de mercurio.

    Cuando la vlvula de la derecha de la caja est abierta, la presin del aire del

    interior y exterior de la campana son iguales.

    Si se bombea aire dentro de la caja la presin aumenta. El aumento de presin

    sobre la superficie del mercurio contenido en el vaso, eleva la columna de

    mercurio en el tubo de vidrio. Si se extrae el aire de la caja, la presin sobre la

    superficie del mercurio decrece y la columna de mercurio baja de nivel en el tubo.

    Si fuera posible extraer la totalidad del aire de la caja, la parte superior de la

    columna de mercurio, descendera hasta el mismo nivel que la superficie del

    mercurio del vaso.

    La altura de la columna de mercurio bajo condiciones normales al nivel del mar, es

    poco ms o menos de 30" de Hg.

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    Barmetro

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  • 23

    30" de Hg de vaco equivale a cero libras por pulgada cuadrada absolutas (PSIA).

    A 14.7 PSI absolutas, la presin leda en manmetro es de cero PSI.

    Equivalentes de presin

    1.033 Kg/cm2

    10.33 mts H2O

    760 mm Hg / cm2

    760 Torricelli

    29.92 pulg. Hg

    ATMOSFERA 14.696 psi

    ESTANDAR 407" H2O

    101.325 Kpa

    1013.25 Milibar

    1.01325 bar

    760000 micrones

    33.88 pies H2O

    Hagamos un breve repaso a este captulo:

    a. Refrigeracin es la transferencia de calor desde un lugar donde no se desea a

    otro lugar donde no importa cederlo y/o puede ser aprovechado.

    b. El calor es una forma de energa. Puede ser convertida en trabajo.

    c. Fro es un trmino que denota relativa ausencia de calor.

    d. Temperatura es una medida de la intensidad del calor. Existen tres escalas de

    temperatura: Fahrenheit, Centgrada y Absoluta.

  • 24

    e. El calor puede ser transferido de cualquiera de los tres siguientes modos:

    CONDUCCION, CONVECCION, RADIACION

    f. Un BTU es el calor requerido para aumentar la temperatura de una libra de

    agua, un grado Fahrenheit.

    g. Calor especfico es el nmero de BTU necesarios para aumentar la

    temperatura de una libra de una misma sustancia, un grado Fahrenheit.

    h. Calor sensible es el calor que cambia la temperatura de una sustancia.

    i. Calor latente es el calor que convierte un slido en lquido en vapor sin cambiar

    su temperatura. Sustrayendo calor latente, un vapor se transforma en lquido o

    un lquido en slido.

    Calor latente de fusin es el calor necesario para pasar una libra de slido a

    lquido sin cambiar su temperatura a una presin atmosfrica normal.

    Calor latente de evaporacin es el calor necesario para pasar una libra de

    lquido a vapor sin cambiar su temperatura a una presin atmosfrica normal.

    j. Cambio de estado es el paso de slido a lquido y de lquido a gas o viceversa.

    k. Temperatura de saturacin es otra manera de denominar al punto de ebullicin

    o condensacin.

    l. Sobrecalentamiento es el calor aadido a un gas despus que todo el lquido

    se ha evaporado. Se mide normalmente en grados.

  • 25

    m. Una tonelada de refrigeracin es el efecto producido al fundirse una tonelada

    de hielo en 24 horas.

    n. Presin es la fuerza por unidad de superficie. Se mide en dos escalas:

    PSIA es la presin medida sobre la escala absoluta. El punto cero equivale a

    la presin atmosfrica cero. PSIG es la presin medida sobre un manmetro.

    El punto cero es de 14.7 PSI, o sea la presin atmosfrica normal.