CONCEPTOS TERMODINAMICOS RELACIONADOS CON EL USO EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGETICOS 3.- Primer Principio de la Termodinámica. Trabajo. Calor y energía

CONCEPTOS TERMODINAMICOS RELACIONADOS CON EL USO EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGETICOS

3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas.Modelo de gas ideal.

2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema.

Propiedad, equilibrio, estado y proceso.Temperatura.Propiedades de las sustancias puras.

4.- Máquinas térmicas. Concepto. Ciclo de Carnot. Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius. Teorema de Carnot. Rendimientos Termodinámicos

5.- Segundo Principio de la Termodinámica.Teorema de ClausiusFuncion entropíaEvolución de los ProcesosIncremento de Entropía

6.- La degradación de la energía. Calidad de la EnergíaTrabajo ReversibleTrabajo Perdido y Trabajo RealFunción Exergía

1.- La Energía. Recursos Energeticos. Transformaciones de Energia. Clasificación de acuerdo al origen .

· DEFINICIONES DE ENERGIA

Þ L a energía es una propiedad inherente a todo sistema material.Þ Es la capacidad que tiene un sistema material de promover un cambio en otro sistema.Þ Da cuenta de la interacción entre sistemas. Þ Concepto mecánico: Capacidad de realizar trabajo.

· FORMAS BASICAS DE ENERGIA

Þ CinéticaÞ PotencialÞ Interna

CLASIFICACION SEGÚN TIPO DE INTERACCION U ORIGENÞ mecánica, térmica, eléctrica, magnética, química, elástica, nuclear, solar, eólica, etc.

Unidades mas usadas de la Energía

Julio [J] (S.I.)Caloría [cal]British Thermal Unit [Btu]

Ergio (Erg)

Julio(J)

Kilovatio-hora

(kWh)

Kilocaloría (kcal)

Caballo de Vapor hora

(CV-h)

British thermal

unit (Btu)

Ergio (Erg) 1 1 E-7 2,778 E-14 2,389 E-11 0,377 E-13 9,480 E-11

Julio (J) 1 E+7 1 2,778 E-7 2.389 E-4 0,377 E-6 9,480 E-4

Kilovatio-hora (kWh) 3,600 E+13 3,600 E+6 1 860 1,359 3.413

Kilocaloría (kcal) 4,186 E+10 4.186 1,163 E-3 1 1,581 E-3 3,969

Caballo de Vapor hora (CV-h)

2,650 E+13 2,650 E+6 0,736 632,6 1 2.510

British thermal unit (Btu)

1,055 E+10 1.055 2,930 E-4 0,252 0,398 E-3 1

1.- LA ENERGÍA. RECURSOS ENERGETICOS.TRANSFORMACIONES DE ENERGIA. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL ORIGEN .

¿Qué es la Termodinámica?

La Termodinámica es una Ciencia Física que trata sobre el estudio de las

TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA

y de las relaciones entre las

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS EN EQUILIBRIO

las cuales son afectadas por aquellas transformaciones

2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.

Lavoiser 1743- 1794

Carnot1796-1832

Clausius1822-1888

Kelvin1820-1907

Joule1818-1889

Gibbs1839-1903

S. XVIII S. XIX S. XXI

Ley conservación de la materia

Análisis de las máquinas térmicas

Equiparación entre energía térmica y trabajo

Ecuaciones fundamentales entre propiedades


EntropíaEscala de temperaturas


Sistema Termodinámico. Frontera del Sistema.

• Es una Porción del Universo objeto de estudio

• Esta delimitado por una frontera o pared (Real o Imaginaria)

• El exterior es el Entorno o alrededores

Ambos conforman un Universo = Sistema + Entorno

Sª Termodinámico

Entorno

Universo

FronteraReal

FronteraImaginaria

• Aislantes No permiten ningún tipo de interacción entre el sª y sus alrededores

• Impermeables/Permeables Intercambio de materia (interacción material)

• Rígida/Móvil Intercambio de energía en forma de TRABAJO con cambio de volúmen (interacción mecánica)

• Adiabática/Diatérmana Intercambio de energía en otra posible forma (interacción térmica)

Pared Impermeable Pared permeable

W

Q

1) Material (Flujo) 2) Trabajo (mecánico, eje) 3) Calor (térmico, superficie)


Sistema Termodinámico. Interacciones.

1) Material (Flujo) 2) Trabajo (mecánico, eje) 3) Calor (térmico, superfcie)


Sistema Termodinámico. Interacciones.

Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso

VARIABLES TERMODINÁMICAS: Son magnitudes físicas que corresponden a las propiedades del sistema en equilibrio y que pueden tomar valores diferentes.

Variables internas: P, V, T, m, , cv, cp, U, S …

Variables externas: Ec, Ep, ...


PROPIEDAD: cualquier característica macroscópica (evaluable) de un sistema

HECHO EXPERIMENTAL: Todo sistema termodinámico aislado llega a tener fijas todas sus propiedades.

EQUILIBRIO: Se dice que un sistema aislado está en equilibrio termodinámico cuando todas sus propiedades son fijas (no evolucionan con el tiempo)

Variables Termodinamicas

Intensivas

¿’Dependen’ de la masa?

SI

)(EspecíficaIntensivamasa

Extensiva

NO

N

iiYY

1

21 XXX

Extensivas



NO TODAS LAS VARIABLES TERMODINAMICAS SON INDEPENDIENTES ENTRE SI

Variables de Estado Son las variables independientes de un sistema.

Funciones de Estado Son las variables que dependen de las variables de estado

ESTADO: conjunto de valores de todos las variables de estado (un valor para cada variable)

Ecuaciones de Estado Ecuaciones que relacionan entre sí distintas variables de un sistema

Ejs: Ecuación de estado del gas ideal PV = nRT Ecuación de estado de Clausius P (V - nb) = nRT

(OJO: la Termodinámica proporciona definiciones de funciones de estado o relaciones entre ellas, pero NO proporciona las ecuaciones de estado)



PROCESO: paso de un sistema desde un estado de equilibrio (inicial) a otro (final)(Basta que cambie una sola variable de estado)

Camino: estados intermedios en un proceso

Proceso Cíclico Estado inicial = Estado FinalProceso Cuasiestático el sistema evoluciona por sucesivos estados de equilibrioProceso Reversible proceso cuasiestático sin disipaciónProceso Irreversible procesos con disipación (procesos reales)

Estado Inicial

Estado Finaly

Camino

X

Definición general de una propiedad termodinámica (variables y funciones de estado):

- Magnitud física cuya variación en un proceso (no cíclico) depende SOLO de los estados inicial y final

- Su variación en cualquier proceso cíclico es nula

- Su diferencial es exacta



2

min,1 12ocaZZZdZ

0dZ

HECHO EXPERIMENTAL (Principio Cero de la Termodinámica):

DOS SISTEMAS QUE ESTÁN EN EQUILIBRIO TÉRMICO CON UN TERCERO

ESTÁN EN EQUILIBRIO TÉRMICO ENTRE SÍ

Temperatura

C C

AB

BA

EL SISTEMA C SE DENOMINA TERMÓMETRO

Consecuencia:

Existe una función de estado que caracteriza el equilibrio térmico

Temperatura Empírica

Variable de Estado cuyo valor es el mismo para todos los sistemas en equilibrio térmico.


Ejemplos de propiedades termométricas: • la longitud de una columna de mercurio,• la presión (o el volumen) de un gas a volumen (o presión) cte., • resistencia eléctrica, ...

Para asignar valores a la temperatura empírica de cualquier sistema es necesaria la introducción de una escala de temperaturas

Escala Termométrica Lineal = (a + b * x ) a y b son ctes. que se fijan asignando valores arbitrarios de temperatura al punto de fusión del hielo f y al punto de ebullición del agua e a P = 1 atm

Escala centígrada f - e = 100Escala Celsius escala centígrada con f = 0 y e = 100 = 100 (x - xf)/(xe - xf)Escala Farenheit f = 32 y e = 212 = 32 + 180 (x - xf)/(xe - xf)

Lord Kelvin: Existe una escala Universal o absoluta de temperaturas (independiente del tipo de propiedad elegida para medirla)

Temperatura


Propiedades de las Sustancias Puras

Aceite y agua Hielo y agua

Sustancia Pura: sistema formado por un solo componente o especia química homogéno químicamente pero NO físicamente FASES

Sustancia Pura Simple: sustancia pura cuyos estados vienen determinados por sólo 2 propiedades

(p,T,v) = 0


Estado crítico

Estado triple

Curva de vaporización

Curva de fusión

SÓLIDO

GAS

Curva de sublimación

T

p

Estado crítico

T= cte.SÓLI

DO

LÍQ

UIDO

GAS

v

p

Sólido y vapor

Líquidoy vaporSó

lido

y líq

uido

Líquido y vapor

Sólido y vapor

Só

lid

o y

líq

uid

o

Estado triple

Punto crítico

Líqu

ido

Só

lido

Vapor

Gas

p

T

v

T = cte.

p = cte.

Propiedades de las Sustancias Puras


Trabajo, W

• Forma de transferencia de energía entre el sistema y su entorno [ J ]

• Tipos de trabajo: Mecánico: W = F drEléctrico: W = dQMagnético: W = H dMElástico: W = k dx…

W = Y dX Trabajo Termodinámico

Fuerza Generalizada

Desplazamiento Generalizado

• Convenio de Signos:Sistema

W > 0W < 0

• Sistemas Simples COMPRESIBLES Trabajo de Compresión/Expansión, Wc/e

Wc/e = p dV 2

1

VpW ec d/

3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.

HECHO EXPERIMENTAL:La cantidad de energía en forma de trabajo necesaria para pasar de un estado inicial a otro final en un sistema cerrado y aislado (proceso adiabático) no depende ni del tipo de trabajo realizado ni del modo en que se realice .

12

2

1

2

1

EEEWW dδ adiabadiab

Consecuencia: Existencia de una función de estado E ENERGÍA [ J ]

p

V

Proceso arbitrario, W

Proceso adiabático, Wad

1

2

|Q| = |W| - |Wad|

En un proceso arbitrario, en el que se realiza un trabajo W se tiene que:

E W

La energía del sistema varía además debido a otro tipo de interacción que no es de trabajo INTERACCION TÉRMICA

Se define una nueva magnitud física que da cuenta de esa interacción:

CALOR Q E + W

1

2

Energia de un Sistema , E


• Convenio de Signos:

Sistema

+ W - W

- Q + Q

• PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS CERRADOS: E = Q - W

ETotal = (Ecinética + Epotencial)Extrínseca + (Ecinética + Epotencial)Intrínseca = Ec + Ep + U

Primer Principio de la Termodinamica para sistemas cerrados


La energia de un sistema cerrado solo se modifica si a través de sus fronteras gana o pierde calor y/o trabajo

U = Q – W

= Q – (Wotros + Wc/e)Si el proceso es a p = cte.

Reagrupando: (U + pV) = Q – Wotros H U + pV

Consecuencia: En procesos a p = cte. de sistemas cerrados que intercambian calor Q con su entorno y no se realiza ningún otro tipo de trabajo (Wotros = 0 J), la entalpía es el calor intercambiado: H = Q

La entalpía desempeña un papel fundamental en procesos de sistemas abiertos

- combustión- potencia de turbinas- ciclos de refrigeración…

= Q – (Wotros + p V)

Entalpia


• Convenio de Signos:

Sistema

+ W - W

- Q + Q

• PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS ABIERTOS: H = Q - W

Primer Principio de la Termodinamica para sistemas abiertos

La variacion de entalpia de un sistema abierto es igual al calory/o trabajo ganado o perdido a través de sus fronteras


H1 H2

Propiedades Energéticas (calores específicos)

• La energía interna y la entalpía son funciones de estado, por tanto:

U = U(p, T, V) H = H(p, T, V)

• La ecuación térmica de estado: F(p, T, V) = 0

• Se puede eliminar una variable:

U = U(T, V) H = H(p, T)


• Expresiones diferenciales de las ecuaciones energéticas:

VV

UT

T

UU

TV

ddd

pp

HT

T

HH

Tp

ddd

vv

uTcu

TV ddd

pp

hTch

Tp ddd

• Calor específico a V = cte. : du = q – p dv [J/kg K]v

v T

qc

d

δ

• Calor específico a p = cte. : dh = q [J/kg K]p

p T

qc

d

δ

• cv y cp son funciones de la temperatura.

• Para sólidos y líquidos (sustancias incompresibles) se tiene: cv = cp = c

Propiedades Energéticas (calores específicos)


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CONCEPTOS TERMODINAMICOS RELACIONADOS CON EL USO EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGETICOS 3.- Primer Principio de la Termodinámica. Trabajo. Calor y energía