UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

Tema: Revisin de Conceptos Termodinmicos

Curso: Refrigeracin y Congelacin de Alimentos

Profesor: James Villar

Integrantes:

Flores Orozco, Johanna

Malpartida Ticona, Rolando

Ciclo: 2014-I

Abril, 2014

1. Calor especfico y calor Latente.

2. Ley de Raoult.

Es una relacin aproximada para las fracciones molares de una especie en los lados liquido y gaseoso en la interfase, dada por la siguiente ecuacin:

donde es la presin de saturacin de la especie I a la temperatura de la interfase y es la presin total sobre el lado de la fase gaseosa. (Cengel, 2009)

Raoult encontr que cuando se agregaba soluto a un disolvente puro disminua la presin de vapor del disolvente. Entre ms se agrega ms disminuye la presin de vapor.

Establece como conclusin: En una disolucin ideal, las presiones parciales de cada componente en el vapor, son directamente proporcionales a sus respectivas fracciones molares en la disolucin.

Expresadas simblicamente estas leyes adoptan la forma:

Pvi=Pvoi. Xi

Donde:

Pvi= Presin de vapor del componente i en la mezcla.

Pvoi = Presin de vapor del componente i puro. (este valor depende de la temperatura de trabajo).

Xi= Fraccin molar del componente en la disolucin

Es decir que la presin de vapor del soluto crece linealmente con su fraccin molar.

Consecuentemente a medida que el nmero de componentes gaseosos va creciendo en la disolucin, la presin de los componentes individuales decrece, as como la fraccin molar de cada uno de ellos que va decreciendo igualmente con la adicin de nuevos componentes. Si se tuviera un soluto puro, se alcanzara el valor nulo de presin de vapor (es decir el cuerpo no se evaporara). En este caso la presin de vapor de la disolucin sera igual a la suma de las presiones parciales de cada componente (Ley de Dalton).

La ley de Rault se cumple de forma cuantitativa nicamente para disoluciones ideales. A medida que nos alejamos de la idealidad, nos alejamos de los resultados exactos. Por consiguiente se puede plantear que una disolucin es ideal cuando cumple con la ley de Roult. Es obvio que estas no son ms que un modelo fsico que refleja simplificadamente la realidad objetiva. (Pagina Web: EcuRed)

Segn Engel (2007), la ley de Raoult vale para todas las sustancias en una disolucin ideal en el intervalo XA. En disoluciones binarias, denominamos al componente que tiene mayor valor , disolvente y al componente que tiene menor valor de , soluto. Pocas disoluciones satisfacen la ley de Raoult. Sin embargo, es til estudiar la termodinmica de las disoluciones ideales e introducir despus las desviaciones del comportamiento ideal.

Presin total y presiones parciales de una mezcla binaria ideal

Fuente: Engel (2007)

La teora de la destilacin es una de las aplicaciones de la ley de Raoult.

Se emplea con el objetivo de separar los componentes puros. Si estos poseen temperatura de ebullicin muy diferentes se separan por destilacin simple y si poseen temperatura de ebullicin muy prximos por destilacin fraccionada.

3. Calidad.

4. Propiedades termodinmicas: entalpa, entropa, volumen especfico, energa interna.

Entalpa: Es una propiedad extensiva (depende de la cantidad de materia presente) que se puede emplear para obtener el calor absorbido o desprendido por una reaccin qumica. La entalpa es una funcin de estado, es decir, cuyas propiedades estn definidas por el estado del sistema. Es el calor absorbido o desprendido por un sistema a presin constante.(Juarez,2008)

Si se considera un proceso a presin constante:

Entropa(S): La entropa es una propiedad extensiva de un sistema y a veces es llamada entropa total, mientras que la entropa por unidad de masa s es una propiedad intensiva y tiene unidad kJ/kg.K. La entropa es una propiedad que no se conserva por lo que no existe algo como el principio de conservacin de la entropa. Es una magnitud fsica que, mediante clculo, permite determinar la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una funcin de estado y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La entropa describe lo irreversible de los sistemas termodinmicos. (Guevara, 2008).

Para la suma de ciclos de Carnot que se aproximan al proceso cclico reversible, se cumple la siguiente ecuacin:

Segn Guevara (2008), la aproximacin al proceso cclico resultara mejor entre mayor sea la cantidad de isotermas y adiabatas que se superpongan y, por lo tanto, entre mayor sea el nmero de ciclos de Carnot sumados. En el lmite en que la cantidad de ciclos de Carnot tiende al infinito, el proceso se haya igual a la suma de dichos ciclos:

De la manera que la integral de para un sistema que es llevado reversiblemente alrededor de un ciclo cerrado, es igual a cero.

Se concluye as que la expresin , corresponde a una diferencial exacta, por lo tanto puede ser asociada con una funcin de estado del sistema.

Volumen especfico:

El volumen especfico se define como la relacin entre el volumen de un sistema y su masa. Dado que la densidad se define como la relacin de la masa sobre su volumen, ella ser el inverso del volumen especfico.

Las unidades del volumen especfico y de la densidad son:

Energa Interna: Adems de la energa cintica y potencial de un sistema considerndolo como un todo(movimiento de un fluido o la energa debida a la altura), las molculas tambin se estn moviendo. La suma energa cintica y potencial de las molculas es lo que se llama energa interna. De esta forma la energa total de un sistema ser:

Normalmente en el laboratorio una sustancia que se encuentra en reposo se considera que la energa potencial y cinetica del sistema como un todo son 0, por lo que la energa total del sistema es igual a la energa interna(Juarez,2008).

5. Proceso, estado y ciclo termodinmico.

Proceso: Un proceso termodinmico se define como la serie de estados de equilibrio, los cuales definen la trayectoria, por los que pasa un sistema cuando experimenta un cambio de estado. Los procesos termodinmicos suelen dibujarse en diagramas de proceso. Un proceso queda totalmente definido cuando se conocen los estados inicial y final, la trayectoria seguida y las interacciones con los alrededores.( Tibaquir,2012)

Estado: Un estado termodinmico es una condicin determinada de una sustancia que se encuentra definida por dos propiedades termodinmicas independientes entre si ( Postulado de estado).

Cuando un sistema no sufre ningn cambio es posible observar o medir sus propiedades y con dos propiedades independientes medidas se puede definir el estado. En el momento que el sistema experimente algn cambio e decir cuando una de sus propiedades cambie de valor el estado cambiar. ( Tibaquir,2012)

Segn Morn (2005), el estado termodinmico de un sistema en equilibrio queda definido como tal mediante los valores de sus propiedades termodinmicas. De la observacin de muchos sistemas termodinmicos se deduce que no todas sus propiedades son independientes una de otra, y que su estado puede determinarse de manera unvoca mediante los valores de sus propiedades independientes

Ciclo: Cuando un sistema se somete a una serie de procesos y el estado inicial y final son idnticos, se entiende que el sistema ha sido sometido a un ciclo. ( Tibaquir,2012)

Para Alvarez, et al. (2005), un ciclo termodinmico es una evolucin cclica de procesos termodinmicos que evolucionan dentro de un intervalo de temperaturas.

6. Principio de equilibrio termodinmico.

Se dice que un sistema termodinmico se encuentra en equilibrio termodinmico si no experimenta cambios y esta aislado de los alrededores, para tal caso debe cumplir los siguientes criterios de equilibrio( Tibaquir,2012):

Equilibrio trmico: si la termperatura es constante alrededor de todo el sistema.

Equilibrio mecnico: si la presin es constante alrededor de todo el sistema.

Equilibrio de fase: si el sistema se encuentra en mas de dos fases, la masa de ambas fases permanecen constantes es decir no hay proceso de cambio de fase.

7. Sistema Cerrado y Sistema Abierto.

8. Mquina trmica, refrigerador y bomba de calor.

Mquina Trmica

Una mquina trmica es un dispositivo que convierte el calor de un combustible () en trabajo o potencia () intercambiando parte del calor entregado por el combustible con el ambiente (). Por ejemplo un motor de combustin interna, planta de vapor, turbina de gas. ( Tibaquir,2012)

TH

W neto

M.T.

TL

Figura . Esquema bsico de una maquina trmica.

El parmetro que califica el funcionamiento de una maquina trmica es la eficiencia trmica () que se define como la relacin entre la energa solicitada y la energa suministrada. ( Tibaquir,2012)

Donde:

: el trabajo producido por la mquina trmica

o : calor entregado por el combustible

o : calor liberado por la mquina trmica.

Del anlisis de una maquina trmica se desprende el enunciado de Kelvin-Planck para la segunda ley:

Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo, reciba calor de un deposito y su nica interaccin con los alrededores sea producir una cantidad neta de trabajo. ( Tibaquir,2012)

Refrigerador

Un refrigerador es un dispositivo que se encarga de transferir calor desde un espacio a baja temperatura () hacia un entorno que se encuentra a alta temperatura (). El objetivo es mantener un espacio refrigerado o acondicionado a baja temperatura. ( Tibaquir,2012)

TH

W neto

R

TL

Figura . Esquema bsico de un refrigerador.

El parmetro que califica el funcionamiento de un refrigerador es el coeficiente de operacin que se define como la relacin entre el efecto deseado y energa suministrada. ( Tibaquir,2012)

Donde:

: el trabajo suministrado en el compresor para que el refrigerador funcione.

: calor que sale por el condensador del refrigerador

: calor que se extrae del espacio refrigerado, este calor entra por el evaporador.

Bomba de calor

Una bomba de calor es un dispositivo que se encarga de mantener a alta temperatura() un espacio o lugar que se encuentra en un entorno a baja temperatura(). El objetivo de una bomba de calor es la calefaccin. ( Tibaquir,2012)

TH

W neto

B de C

TL

Figura . Esquema bsico de una bomba de calor

El parmetro que califica el funcionamiento de una bomba de calor es el coeficiente de operacin que se define como la relacin entre el efecto deseado y la energa suministrada. ( Tibaquir,2012)

: el trabajo suministrado en el compresor para que bomba de calor funcione.

: calor que sale por el condensador y entra al espacio que desea mantenerse a alta temperatura.

: calor que se extrae del entorno a baja temperatura.

Del anlisis realizado para un refrigerador y para una bomba se desprende el enunciado de Clausius para la segunda ley:

Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y cuyo nico efecto con los alrededores sea producir la transferencia de calor de un cuerpo a baja temperatura hacia un cuerpo a alta temperatura. ( Tibaquir,2012)

9. Proceso adiabtico, proceso isotrmico, proceso isobrico.

10. Calor y trabajo.

Las formas de energa que atraviesan las fronteras de los sistemas termodinmicos son la transferencia de calor(Q) y el trabajo (W), ambas formas de energa se caracterizan por:

Son fenmenos transitorios o momentneos.

Son fenmenos de frontera, es decir atraviesan la frontera definida.

Estn asociados con procesos y no con estados.

Dependen de la trayectoria seguida por el proceso. ( Tibaquir,2012)

La transferencia de calor es la energa que atraviesa las fronteras del sistema debido a una diferencia de temperaturas entre este y los alrededores u otro sistema diferente. Los procesos donde la transferencia de calor es ero se denominan procesos adiabticos.

El trabajo puede definirse como la interaccin de energa del sistema debido al cambio en el volumen del sistema (trabajo de frontera) o al movimiento de un eje (trabajo de eje o de flecha). Cuando de trabajo de frontera () se trata este se determina as:

,

donde P es la presin absoluta y la variacin del volumen que implica un movimiento de las fronteras del sistema. ( Tibaquir,2012)

11. Efecto y coeficiente de Joule y Thompson.

12. Presin manomtrica, presin absoluta, presin de vaco.

La presin se define como una fuerza normal que se ejerce un fluido por unidad de rea. Se habla de presin slo cuando se trata de gas o lquido, mientras que la contraparte de la presin en los slido es el esfuerzo normal. (Cengel,2009)

Puesto que la presin se define como la fuerza por unidad de rea, tiene como unidad los newtons por metro cuadrado(N/ ), tambin conocida como pascal(Pa). Es decir,

1 Pa = 1 N/

Figura . Niveles de presin

Como se puede observar en la figura existen los siguientes tipos de presin:

Presin atmosfrica: Este tipo de presin se mide mediante un dispositivo conocido como barmetro; as, la presin atmosfrica se denomina comnmente presin baromtrica.

La presin atmosfrica de un sitio es el peso del aire que se halla arriba de ese lugar por rea superficial. Por lo tanto, cambia no solo con la altura sino tambin con las condiciones climticas.

Torricelli realizo un experimento que consista en verter mercurio en un tubo de vidrio, coloc el tubo de vidrio en una cubeta rellena de mercurio, dejando la parte abierta del tubo dentro de la cubeta y la parte cerrada en el exterior de la cubeta. Realizando dichas operaciones, observ que el mercurio quedaba a determinada altura dentro del tubo. Pero lo curioso del experimento era que la altura en que quedaba el mercurio dentro del tubo, variaba dependiendo de la altitud y de ciertas condiciones climatolgicas. Al hacerlo sobre el nivel del mar, la altura del mercurio alcanzaba los 760 mm. A este valor se le denomino 1 atmsfera.( Tibaquir,2012)

La presin atmosfrica es la presin que ejerce la atmosfera sobre todos los cuerpos de la tierra o que estn en el interior de la atmsfera.

Presin manomtrica: esta presin es la que ejerce un medio distinto al de la presin atmosfrica. Representa la diferencia entre la presin real o absoluta y la presin atmosfrica. La presin manomtrica slo se aplica cuando la presin es superior a la atmosfrica. Cuando esta cantidad es negativa se la conoce bajo el nombre de presin negativa. La presin manomtrica se mide con un manmetro.

La presin vara con la profundidad por lo que la presin manomtrica se denota como:

, donde:

: densidad

g : gravedad

h : altura a la cual se encuentra el objeto

Presion absoluta: esta equivale a la sumatoria de la presin manomtrica y la atmosfrica. La presin absoluta es, por lo tanto superior a la atmosfrica, en caso de que sea menor, se habla de depresin. sta se mide en relacin al vaco total o al 0 absoluto

Presion Relativa: esta se mide en relacin a la presin atmosfrica, su valor cero corresponde al valor de la presin absoluta. Esta mide entonces la diferencia existente entre la presin absoluta y la atmosfrica en un determinado lugar.

Asimismo, la presin que se encuentra por debajo de la presin atmosfrica se denomina presin de Vaco. Se representa por la diferencia entre la presin atmosfrica y la presin absoluta.

13. Representacin de procesos de comprensin, calentamiento, enfriamiento, expansin en un diagrama T-s y P-h

14. Temperatura eutctica

Es la mxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalizacin del solvente y soluto, o tambin se define como la temperatura ms baja a la cual puede fundir una mezcla de slidos A y B con una composicin fija (Franco, 2006).

En la siguiente figura se representa la temperatura eutctica en el punto E.

15. Diagrama de fases del agua

16. Propiedades intensivas y extensivas.

Una propiedad termodinmica es cualquier caracterstica observable y medible de un sistema. Por ejemplo, temperatura, presin, volumen. Las propiedades termodinmicas pueden ser:

Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presin y densidad.

Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamao o extensin del sistema. La masa total, volumen total y cantidad de movimiento total son algunos ejemplos de propiedades extensivas.

Una forma fcil de determinar si una propiedad es intensiva o extensiva es dividir el sistema en dos partes iguales mediante una particin imaginaria; cada parte tendr el mismo valor de propiedades intensivas que el sistema original, pero la mitad del valor de las propiedades extensivas.(Cengel,2009)

Las propiedades termodinmicas pueden medirse directamente, ser combinacin de dos o mas propiedades o ser el producto de una de las leyes de la termodinmica. ( Tibaquir,2012)

17. Proceso reversible e irreversible

18. Resuelva los siguientes problemas:

a. Un ciclo de Carnot recibe 1000 kJ de calor desde una fuente que se encuentra a 800 C y cede calor a un receptor cuya temperatura es 150 C. Calcular el trabajo producido en kJ.

b. Calcular el trabajo mnimo requerido para producir 5 kg de hielo a partir de agua a 0 C. La temperatura de ambiente es de 26 C y se necesitan 333.5 kJ para producir 1 kg de hielo a 0 C.

c. Un refrigerador domstico extrae 1500 kJ/h del compartimiento de comida. Si el refrigerador tiene un COP de 2.5, determinar la potencia consumida por el refrigerador.

d. Entra agua a una maquina de hielo a 15 C y sale como hielo a -5 C. Si el COP de la maquina de hielo es 2.2. Determine la entrada de potencia para producir 12 kg/h de hielo.

e. Un vaso de cobre, que pesa 1.5 kg, contiene un bloque de hielo de 10 kg a temperatura de -10 C, se inyecta 5 kg de vapor de agua a 100 C. Determinar el estado de la mezcla.

f. Utilizando las tablas termodinmicas y con la siguiente informacin indicar el estado y el valor de la entalpa:

i. Refrigerante R-134: Presin 1.1160 bar y temperatura -26 C.

ii. Refrigerante amonaco: Presin atmosfrica temperatura -36 C.

iii. Refrigerante R-22: Presin atmosfrica y temperatura -20 C.

g. Si se requiere una temperatura de evaporacin de -40 C.Qu refrigerante usara y porqu?.

Bibliografa

CENGEL YUNUS Y BOLES MICHAEL. 2009. Termodinmica. Sexta edicin. Mc Graw Hill. Mxico.

ECURED. Enciclopedia Cubana. Conocimiento con todos y para todos. Disponible en: http://www.ecured.cu/index.php/Ley_de_Raoult. Consultado el 31 de Marzo

FRANCO JUAN. 2006. Manual de Refrigeracin. Reverte. Barcelona, Espaa disponible en http://books.google.es/books?id=F7-dmrTl0TAC&pg=PA21&dq=DIAGRAMA+DE+MOLLIER&hl=es&sa=X&ei=3GVWU7isMfSxsQSC8IGoDw&ved=0CDoQ6AEwAQ#v=onepage&q=DIAGRAMA%20DE%20MOLLIER&f=false

GUEVARA ESLAVA, ALVARO I. 2008. Fundamentos de termodinmica. Universidad de Bogot. Colombia

JUAREZ, DIEGO. 2008. Tema 5. Cintica qumica, termodinmica y equilibrio(II). Disponible en: http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/quimica-de-los-materiales/Material-de-clase/tema-5.-cinetica-quimica-termodinamica-y-equilibrio-ii. Consultado el 1 de abril

TIBAQUIR, J. 2012. Material de estudio de Termodinmica y Fluidos. Facultad de Ingeniera Mecnica. Universidad Tecnolgica de Pereira. Colombia.