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TERMODINÁMICATERMODINTERMODINÁÁMICAMICADORY CANO DDORY CANO DÍÍAZAZ
MScMSc. Ingeniero Civil Mec. Ingeniero Civil Mecáániconico
Junio de 2007
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN
OBJETIVOSOBJETIVOS
• Comprender y aplicar los principios y conceptos básicos de la Termodinámica
• Realizar balances simples de masa y energía en máquinas térmicas.
• Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento térmico de la materia, en la resolución de los problemas de Ingeniería
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•• CONCEPTOS:CONCEPTOS:
1. ENERGÍA
2. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS : P Y T
3. SISTEMAS TERMODINÁMICOS: ABIERTOS, CERRADOS Y AISLADOS
4. DEFINICIÓN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y EXPRESIÓN
DE LA PRIMERA LEY
5. ANALISIS DE PROCESOS CON VAPOR DE AGUA.
6. DEFINICIÓN DE PROCESOS POLITRÓPICOS
7. DEFINICIÓN DE CICLOS TERMODINÁMICOS
8. EJERCICIOS DE APLICACIÓN
¿ De donde proviene ? Griego:
Thermè � Calor
Dynamis� Fuerza o potencia
Describe los esfuerzos por convertir el Calor en potencia
1.1.1.1.-- TermodinTermodináámica Y Energmica Y Energííaa
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¿ Qué es ? Es la ciencia del calor o de la energía (capacidad de producir cambios).
Involucra conceptos de:
•Calor
•Trabajo
•Temperatura
El Calor comienza a ser objeto de estudio (S XVIII-XIX) a raíz del invento de la MAQUINA DE VAPOR
posibilidad de obtener
Trabajo a partir del Calor
Nacimiento de la Nacimiento de la TermodinTermodináámicamica
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Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
www.museoscienza.org/energia/ vapore/new.gif
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Primer ppo de la Termodinámica
Equivalencia entre Calor y trabajo
Concepto de Entropía
Para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a T°más alta siempre es necesario realizar trabajo
Segundo ppo de la Termodinámica
Unidad 1: Introducción a la Termodinámica
Principio de la Conservación de la energía
Ley Fundamental de la Naturaleza:
Durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de
energía permanece constante
La 1°LT: Expresión sencilla del ppo conservación de la energía � Energía es una Propiedad Termodinámica
La 2°LT: Establece que la energía tiene tanto Cantidad como Calidad. Procesos reales � Degradación de energía
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Frontera: Superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores.
Sin espesor, masa o Volumen.
Esta puede ser: Fija o móvil
Sistemas Termodinámicos
Tipos de límites ó fronteras de los sistemas
· Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor.
· Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor.
· Rígidos, si no permiten el cambio de volumen.
AislaciAislacióónn perfectaperfecta
Sistema Adiabático
Q = 0
Sistemas Termodinámicos
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1.1.-- Sistemas Cerrado Sistemas Cerrado óó Masa de ControlMasa de Control
Mechero
• Materia fija (constante)
• No hay intercambio de masa a través del límite.
• Sí hay intercambio de energía
• Límite puede variar
Ejemplo
Ampolleta
El agua en plantade fuerza
Sistemas Termodinámicos
Sistemas Termodinámicos
2.2.-- Volumen de control o Sistema abiertoVolumen de control o Sistema abierto
límite
Flujo A
Flujo B
• Intercambio de masas y energías a través del límite.
Ejemplo
Turbinas (vapor o gas)
Motor de combustión.
Bomba
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Motores y bombas térmicasSe definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos fuentes de energía , no obstante el cual permanece sin cambios.
Ciclos de Potencia
C. Potencia C. Refrigeración (BBs Acond. Aire)
C. Gas C. Vapor
MCI:
Ciclo OTTO y DIESEL
MCE:
Ciclo de BRAYTON:
Simple, C/ regeneración
C/ interenfriamiento, recalentamiento y
regeneración
Ciclo ideal de refrigeración por
compresión de vapor
Ciclo en cascada
Ciclo por compresión múltiples etapas
Ciclo por absorción
Los Ciclos TermodinLos Ciclos Termodináámicosmicos
C. Gas C. Vapor
MCE:
Ciclo de RANKINE:
Simple, C/ recalentamiento , C/ regeneración.
Ciclos de vapor BINARIOS
Ciclos combinados GAS-Vapor
Ciclo de BRAYTON INVERTIDO
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APLICACIONES
•Planta de vapor o de fuerza Energía eléctrica
Caldera
Turbina
Condensador
Bomba
G Generador
2.3.3.- Algunos dispositivos de Ingeniería de Flujo Permanente
INTERCAMBIADORES DE CALOR
10
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APLICACIONES
• Refrigeración
Válvula de Expansión
Condensador
Compresor
Evaporador
W
QL
QH
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El secado de la madera depende de varios factores:
La velocidad del aire, la humedad dentro de las cámaras secadoras y hornos secadores de madera, la temperatura de la misma, el espesor de la madera, el tipo de madera, etc.
Controlando éstos parámetros, controlamos la velocidad del secado, la calidad del misma y la humedad final de la madera.
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LAS RELACIONES TERMODINLAS RELACIONES TERMODINÁÁMICAS MICAS APLICABLES A APLICABLES A
SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SON DIFERENTES !!!!!!!SON DIFERENTES !!!!!!!
RECONOCER TIPORECONOCER TIPO ANALIZARANALIZAR
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FORMAS DE ENERGFORMAS DE ENERGÍÍAA
La energía puede existir de distintas formas y su suma constituye la energía total de un sistema .
La Termodinámica trata con variaciones de energía
En Termodinámica es útil considerar la energía en 2 grupos que forman la Etotal:
MACROSCOPICA: Son las que posee un sist. como un todo (dep. de puntos de referencia: veloc, altura)
MICROSCOPICA: Relacionados con estructura molecular del sistema, independiente se marcos de Ref. externos
Σ E_Micro = E_interna (U)
Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación permanecen constantes durante un proceso se conocen
como Sistemas permanentes (SPSP)
La mayoría de los sistemas cerrados son permanentes
�������� no presentan variación de E_cinetica ó E_potencial
El cambio en la Etotal de un SP es identico al cambio en la E_interna
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ENERGÍA INTERNA
Asociada :
(1)(1) Grado de Actividad Molecular: Suma de la Ec
Ec_rot + Ec_trasl +Ec_vibración = Ec_molecula
• Porción de Einterna asociada a la Energía cinetica de las moléculas se llama ENERGÍA SENSIBLE
(2)(2) Fuerzas Moleculares: Fzas que unen a las moléculas entre sí. Mayores en sólidos�liquido�gas
(cambios de Fase cuando las moléculas se van separando)
• La Einterna asociada a la fase de un sistema se llama ENERGÍA LATENTE
Otras:
• La Einterna asociada a la fuerza que unen los átomos-moleculas se llama ENERGÍA QUÍMICA (o de
enlace)
(Generalmente los procesos termodinámicos ocurren sin modificar la composición química de un sistema
� excepción procesos de Combustión)
• La Einterna asociada a los enlaces dentro del núcleo se llama
ENERGÍA NUCLEAR
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ENERGÍA MACRO= E Cinética+E Potencial
ENERGÍA MICRO= ESENSIBLE+ELATENTE+EQUÍMICA+ENUCLEAR
Propiedades (o magnitudes de estado) y
Estado de una Sustancia
Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de éste (de su estado)
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• Propiedades Extensivas:Propiedades Extensivas: propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema
• Propiedades Intensivas:Propiedades Intensivas: Independientes del tamaño, masa o magnitud del sistemaLas propiedades intensivas se representan con letras minúsculas, (excepción de la temperatura y presión)
Las propiedades extensivas se convierten en intensivasintensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad).
EXTENSIVAS INTENSIVAS
V, U, H,
ESPECÍFICAS MOLARESv, u, h, s v, u, h
(Mol)
T, P, ρρρρ
PROPIEDADES DE UN SISTEMAPROPIEDADES DE UN SISTEMA
(kg)
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Densidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustancias
En la tabla se muestra la densidad de algunas sustancias, expresada en kg/m3.
SUSTANCIA DENSIDAD (kg/m3)Aire 1,28
Petróleo 800
Benceno 880
Agua 1.000
Aluminio 2.700
Hierro 7.860
Cobre 8.900
Plomo 11.340
Mercurio 13.500
Oro 19.300
Osmio 22.610
ESTADO Y EQUILIBRIOESTADO Y EQUILIBRIO
Estado es un punto donde el sistema no tiene ningún cambio
De esta forma se pueden calcular sus propiedades.
Un conjunto de propiedades describen el estado
ObsObs::
En un estado todas las propiedades tienen valores fijos. Si el valor de una propiedad cambia ��������
EXISTE OTRO ESTADOEXISTE OTRO ESTADO
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Estado de Equilibrio:
un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades.
Equilibrio Termodinámico:
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. (Ej: Equilibrio Térmico, mecánico, químico, etc)
• Procesos CProcesos Cííclico: clico: Un sistema se somete a un CICLO si al terminar el proceso regresa a su estado inicial (eini=efin)
• Proceso ReversibleProceso Reversible: S/efectos disipativos(S/roce, S/TdeC, S/degrad. Energía) Es un proceso idealizado.
• Proceso IrreversibleProceso Irreversible: Proceso Real
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Trayectoria : es la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso
Descripción Completa de un proceso ⇒ especificar:
• Estado inicial
• Estado Final
• Trayectoria
• Interacción con su alrededor
Politrópicas:
Constituyen una gran familia de evoluciones ó procesos que permiten estudiar gran cantidad de fenómenos reales (motores, compresores, ciclos de vapor, ciclos gas-vapor, etc)
• Isóbaras (presión constante). Del tipo P= Cte.
• Isócoras (volumen constante). Del tipo V = Cte.
• Isotermas (temperatura constante). Del tipo P·V = Cte.
• Adiabáticas sin roce (DQ = 0, que después llamaremos isentrópicas) Del tipo p·Vg = Cte.
Prefijo ISO: Denota cuando una propiedad permanece fija o constante durante un proceso
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Diagramas de procesos más comunes: P-V, T-V
Las politrópicas tienen la forma genérica del tipo:
PVn = Cte.
En que n es el coeficientepolitrópico. El valor de n puede variar de 0 a infinito.
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PresiPresióónn
La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área
Presión �������� GASES y LIQUIDOS (P. Hidrostática y P. Dinámica)
�������� SÓLIDOS (Esfuerzo)
Recordar...Recordar...
• Presión en un fluido aumenta con la profundidad (mayor peso)
• Si existe gravedad la presión varía en sentido vertical
•Unidades: 1Pa=1N/m1Pa=1N/m22 1bar=101bar=1055Pa= 0.1MPa=100kPaPa= 0.1MPa=100kPa
(SI) 1atm=101325Pa=101,325kPa=1,01325bar(SI) 1atm=101325Pa=101,325kPa=1,01325bar
(Sist. Ingl(Sist. Ingléés) s) lblb/pulg/pulg22 ==psipsi 1atm=14,696 psi
En ECUACIONES ECUACIONES y TABLAS TERMODINTABLAS TERMODINÁÁMICASMICAS la mayoría de las veces se emplea la presión absoluta:
En general ���� P=Pabs
Ejemplo:
Si se le agrega ‘a’ � absoluta Psia
‘g’ � manométrica Psig
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•Presión absoluta: Presión real de un sistema
•Presión manométrica: Presión medida abierta a la atmósfera
•Presión de vacío: Presiones bajo la Presión atmosférica
Pabs=Pmanométrica+ Patm Pvacío =Patm - Pabs
1.1.1.1.99..-- Temperatura y Ley Cero de la TermodinTemperatura y Ley Cero de la Termodináámicamica
Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos
diferentes:
la TTemperaturaemperatura es una propiedadpropiedad de un cuerpo y el CCaloralor es un flujo de energflujo de energííaa entre dos cuerpos a
diferentes temperaturas.
Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico y determina la capacidad de un sistema para
intercambiar calor. Su unidad es el Kelvin (K)
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Ley cero de la TermodinLey cero de la Termodináámicamica
Dos cuerpos estDos cuerpos estáán en equilibrio tn en equilibrio téérmico si rmico si indican la misma Temperatura, incluso si no se indican la misma Temperatura, incluso si no se
encuentran en contactoencuentran en contacto
∆∆∆∆ t [ ºC ] = ∆∆∆∆ t [ K ]
∆∆∆∆ t [ ºF ] = ∆∆∆∆ t [ R]1K1K 11°°CC 1.8R1.8R 1.81.8°°FF
Las escalas de temperatura se basan en los puntos de congelamientocongelamiento y ebulliciebullicióónn del agua.
SI: Escala Celcius (°C)
Sistema Inglés: Escala Fahrenheit (°F)
Existe también la escala de T° termodinámica. Esta escala en :
(indep. De prop de 1 o varias sustancias)
Sistema Internacional: Escala Kelvin (K)
Sistema Inglés: Escala Rankine (R)
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Comparación de escalas de temperatura
ºK ºC ºR ºF
0,00 -273,15 0,00 -459,67
273,16
273,15
32,02
32,00
491,69
491,670,00
0,01
373,15 100,00 671,67 212,00
Ceroabsoluto
Punto deebullicióndel agua.
Punto tripledel agua,punto decongelación
.
Punto de ebullición a presión atmosférica
Punto de congelamiento
Cero absoluto
ºFºC ºRºK
212672373
0
100
32273 492
0 -273 0 -460
Wark
ComparaciComparacióón molecular entre sn molecular entre sóólidos y llidos y lííquidos quidos
GASES-Desorden total-Partículas tienen completa libertad de movimiento.-Partículas tienden a estar alejadas entre si- Forma y volumen indeterminado.
LÍQUIDOS-Menor desorden-Partículas tienen movimiento relativo entre si-Partículas tienen mayor cohesión (juntas)- Forma determinada al recipiente que los contiene
SÓLIDOS-Orden-Partículas fijas en una posición determinada. -Partículas unidas entre si- Forma y volumen determinado
Calentar
Enfriar
Calentar
o reducir
presión
Enfriar o
comprimir
Las sustancias existen en fases distintas dependiendo de la Temperatura y la Presión
Fases principales � GASEOSOSGASEOSOS -- SSÓÓLIDOSLIDOS –– LLÍÍQUIDOSQUIDOS
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2.1.2.- Fases de una Sustancias puras
SolidificaciónFusión
CondensaciónVaporización
Sublimación Deposición
Sólido
Gas
líquido
ENERGIA
1.1. LIQUIDO COMPRIMIDO:LIQUIDO COMPRIMIDO: QUE NO ESTÁ A PUNTO DE EVAPORARSE
2.2. LIQUIDO SATURADO:LIQUIDO SATURADO: LIQUIDO A PUNTO DE EVAPORARSE
3.3. VAPOR SATURADO:VAPOR SATURADO: VAPOR A PUNTO DE CONDENSARSE
4.4. MEZCLA SATURADAMEZCLA SATURADA DE LIQUIDO-VAPOR
5.5. VAPOR SOBRECALENTADO:VAPOR SOBRECALENTADO: VAPOR QUE NO ESTÁ A PUNTO DE CONDENSARCE
ESTADO 1
Mezcla saturada liq-vapor
ESTADO 5
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a) Estados de líquido saturado y de vapor saturado
SubSubííndice ndice ‘‘ff’’::
Se emplea para denotar prop. De LIQUIDO SATURADOLIQUIDO SATURADO
SubSubííndice ndice ‘‘gg’’::
Se emplea para las propiedades de VAPOR SATURADOVAPOR SATURADO
SubSubííndice ndice ‘‘fgfg’’:
Denota la diferencia entre los valores de vapor saturadovapor saturado y liquido saturadoliquido saturado de la misma propiedad
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• CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL AGUA
Punto Crítico
Punto Triple
PRESIÓN
TEMPERATURA
LÍQUIDO
VAPOR
SÓL IDO
2.1.2.1.-- Propiedades de las sustancias purasPropiedades de las sustancias puras
2.1.2.1.33..-- Procesos de cambio de fase de Procesos de cambio de fase de SustanciaSustanciass purapurass
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Diagramas de fases
Un diagrama de fases es un gráfico que muestra las presiones y temperaturas a las que están en equilibrio diferentes
fases. (Se representa la T vs P)
PuntoCrítico
PuntoTriple
Temperatura
Presión
Punto de :-Ebullición/condensación-Sublimación-Fusión/Congelación
Diagramas de fasesPunto Triple: Punto (Tª y presión) donde las tres fases están en equilibrio.
Punto crítico:Punto (Tª y presión crítica) sobre el cual la fase líquida y gaseosa una sustancia son indistinguibles.
Temperatura
Presión
FluidoSupercrítico
A B A- Hay condensaciónB- No hay condensación
Ej.: Para el CO2
Tc= 31ºC y Pc= 72.9atm
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Diagrama P-v
P
v
Líquido
comprimido
Saturada
líquido-vapor
Vapor
sobrecalentado
Punto crítico
T1
T2 > T
1
Líquido saturado
Vapor saturado
( )fgf vvxvv −+=
Diagrama T-vT
v
Líquido
comprimido
Saturada
líquido-vapor
Vapor
sobrecalentado
Vapor saturado
Líquido saturado
Punto crítico
P 1
P 2 > P
1
total
vapor
m
mx =
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•EntropíaMedida del desorden molecular
Calidad de la energía disminuye Entropía del Universo aumenta
T
s
Punto críticoP2 > P1
P1
Líquido
comprimido Vapor
sobrecalentados1
s2
s1s
s1 = s1s < s2
PropProp. . TermodTermod. Fluidos inter. Fluidos interéés ts téécnicocnico
RefrigerantesRefrigerantes
AguaAgua
Tablas Gráficos
Diagramas
Algebraica
Ecuaciones de estado
Aire y/o gasesAire y/o gases
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TIPOS DE TABLAS DE PROPIEDADESTIPOS DE TABLAS DE PROPIEDADES
Tablas de SaturaciTablas de Saturacióónn
Propiedades de bifásica liquido-vapor
Tablas de lTablas de lííquidos y quidos y vaporesvapores
Propiedades de las regiones monofásicas Liquido y vapor
Liquido saturado
Vapores saturados
Mezclas liq-vap Liquidos subenfriados
Vapores sobrecalentados
b) Mezcla saturada de líquido y vapor
Durante proceso de ‘EVAPORACIÓN’ una sustancia existe como:
� Parte líquida
� Parte vapor
Para analizar se necesita conocer las proporciones de
líquido y vapor
Nueva propiedad:
Calidad (X) :Calidad (X) :
RazRazóón entre la masa de vapor y la masa total de la mezclan entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla
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2.1.6.- Tablas de Propiedades
T[ºC]
[m3/kg]v
100
200
300
400
0,01 0,030,02 0,04
Diagr. : t -v
Líquido
saturado
Línea vapor saturado
Zona de vaporsobrecalentado
Zona de saturación(2 fases)
150100
70
50[bar
]
Pto.Crítico(22,09 Mpa / 374,14ºC / 0,003155[m3/kg])
t [ºC] p [MPa]Pto.Crítico
0,00315522,09H2O 374,14
CO2 34,05
O2
7,39
1,30
0,002143
0,032192H2
-118,05 5,08 0,002438
v [m3/kg]
-239,85
a) Estados de líquido saturado y de vapor saturado
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c) Vapor Sobrecalentado
Ubicada en la región derecha de la línea de vapor saturado.
Región de una sola fase � P y T ya no son propdependientes
Ver tablas Libro
2.1.6.- Tablas de Propiedades
d) Líquido Comprimido
No existen muchas tablas para el líquido comprimido ya que sufren pequeñas variaciones con la presión:
Esto es...
Si aumento 100 veces la presión ocasiona que las propiedades varíen menos del 1%
S/E propiedad más afectada es la entalpía.
Ante falta de datos se aproxima al liquido comprimido como un liquido saturado a la temperatura dada
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•Cambios de fase
Durante un cambio de fase, la presión y la temperatura son propiedades dependientes
Psat
Tsat
A una PresiPresióón dadan dada, la T° a la cual una sustancia empieza a hervir se llama
Temperatura de SaturaciTemperatura de Saturacióón, n, TsatTsat
A una Temperatura dadadada, la presión a la cual una sust pura empieza a hervir se llama
PresiPresióón de saturacin de saturacióón, n, PsatPsat
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Líquido comprimido o subenfriado
Vapor sobrecalentado
Líquido saturado
Vapor saturadoNÍV
EL DE ENERGÍA
Mezcla saturada de líquido-vapor
•Entalpía
Generación de potencia
Refrigeración
H = U + PV
u1
p1 v1
u2
p2 v2h = u + Pv
Turbinas, compresores y toberas Flujo permanente
)( epechmWQ ∆+∆+∆=− &&& hwq ∆=−
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1.1.-- DIBUJAR DIAGRAMA T – v DEL VAPOR DE AGUA
2.2.-- BUSCAR Psat Ó Tsat SEGÚN INFORMACIÓN DADA
3.3.-- ENCONTRAR ZONA: SUBENFRIADA – MEZCLA – SOBRECALENTADA
4.4.-- BUSCAR EN TABLA Ó CALCULAR SEGÚN CORRESPONDA
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