Termodinamica Fundamentos ProcesosTransfEnergia TermoMagistral 2016-I

Alexánder Gómez

Termodinámica TécnicaFundamentos

Bogotá, D.C., 2016

Capítulo 1.: Procesos de transformación de la

energía y su análisis

Contenido

1.0 Introducción

1.1 Formas de la energía1.1.1 Energía mecánica

1.1.2 Energía interna

1.1.3 Calor y trabajo

1.2 Análisis termodinámicos1.2.1 Sistemas termodinámicos

1.2.2 Primera ley de la termodinámica

1.2.3 Segunda ley de la termodinámica

1.3 Propiedades termodinámicas de la materia1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas

1.4 Sistemas técnicos de transformación1.4.1 Sistemas de generación de potencia

1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento

Contenido

1.5 Procesos termodinámicos1.5.1 Estado termodinámico

1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos

1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado

1.5.4 Equilibrio termodinámico

1.6 Temperatura y equilibrio térmico

1.6.1 Ley cero de la termodinámica

1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura

1.6.3 Temperatura empírica

1.7 Dimensiones y unidades

1.8 Resumen

1.0 Introducción

[*] Fuente: Plass, L.; Reimelt, S.: Status und Zukunft der Biotreibstoffe. En: Chem. Ing. Tech. 79 (2007), p. 561-568

1.0 Introducción

Calentamiento Potencia

Enfriamiento

Iluminación

Clasificación general de usos de la energía

1.0 Introducción

Primera ley de la termodinámica: principio de conservación de la masa y la energía Criterio cuantitativo

Segunda ley de la termodinámica: asimetría de la transformación de la masa y la energía Criterio cualitativo

Propiedades termodinámicas de la materia

Maquinaria y equipos de transformación

Tecnología

EconomíaEcología

Energía

primaria

Procesos de

transformaciónEnergía

final

Energía útil

Usos no energéticos

y disipación

Disipación

Termodinámica

Campos de estudio

Termodinámica química:

equilibrio químico

Termodinámica técnica:

equilibrio térmico

Escala de referenciaTermodinámica estadística:

enfoque microscópico

Termodinámica clásica: enfoque

macroscópico

Termodinámica

de „no equilibrio‟

Termodinámica

de „equilibrio‟

Tiempo

1.0 Introducción

Energía

gravitacional

Energía

geotérmica

1.1 Formas de la energía

Energía

nuclear

Energía

química

Energía

solar

Fuente de energía „Transportador‟ de

energía

Combustibles

fósiles

Radiación

solar

Uranio y

otros

Planetas,

satélites

Núcleo

terrestre

Procesos de

transformación

Combustión

Fisión nuclear

Transferencia

de calor

Absorción

Movimiento

Energía

geotérmica

Energía solar

Energía

gravitacional

Uso

directo

Uso

indirecto

Central térmica solar

Colectores solares (Q)

Fotovoltaica, celdas

Energía hidráulica

Energía eólica

Celdas combustible; H2

Térmica: atmosférica

Biomasa


Fuentes renovables de energía


Energía

Energía

interna: U

Energía

mecánica

Calor: ΔQ

Trabajo: ΔW

Cinética: Ec

Potencial: Ep

Convección

Radiación

Conducción

Mecánico

Eléctrico,etc

Volumétrico

2

v2

c

m

E

mgzE p

1.1.1 Energía mecánica

1p,11mec, mgzEE

2

v2

2c22mec,

m

EE

cte.pcmec EEE

0;0v 1c1 E

Energía mecánica:

m

m

Z2=0

Z1

0;0 2p2 Ez

UQ


En un sistema en reposo, en el que la energía mecánica es cero, su

energía total es igual a su energía interna U.

Energía térmica interna: energía cinética y

potencial del movimiento molecular

Energía química:

por los enlaces

moleculares

Energía nuclear:

contenida en el

núcleo o átomo

m

UEE totalmec 0

Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de temperatura.


Q

Wm

U

Variación de la energía

interna:

La energía interna de un sistema

se modifica por el transporte de

energía a través de las fronteras

del sistema, por tres formas

diferentes:

1.Por transferencia de calor

2.Por realización de trabajo

3.Por la energía asociada al

transporte de masa

T


Mecanismos de transferencia de calor

21 TT Conducción1T 2T

1fluido TT Convección1fluidoT 1T

RadiaciónIncidente

Absorbida

Transmitida

Reflejada


Algunas formas de energía transferida por trabajo

1

2 Trabajo:

2

1

2

112 cos dzFdzFW

Trabajo volumétrico:

2

1

2

1

V

rev,12 pdvdzApWV

p

dz

área transversal:A

Trabajo de eje:

dMnW )()(2 d

2

1d

eje

12

d

dn ;

2d

Corte del eje

1.2 Análisis termodinámicos

Transformación de la energía

Principio de conservación:

Primera ley de la termodinámica

Principio de asimetría:

Segunda ley de la termodinámica

Análisis cuantitativo Análisis cualitativo

th

Calidad de la energía

Baja MediaAlta

Exergía Anergía

ex

Frontera: fs Ambiente: aImaginaria

Real

Estática

Móvil

Rígida

Variable

Analogía con la

mecánica: diagrama

de cuerpo libre

1.2.1 Sistemas termodinámicos

Identificación del objeto de análisis:

Sistema termodinámico


Gas

Frontera:

• Sin espesor

• No ocupa masa ni volumen

• No permite acumulación de

energía

• Su posición y propiedades se

deben definir claramente (por

medio de símbolos y texto)

• Puede ser conveniente el

análisis a través de subsistemas

Ambiente

Identificación del objeto de análisis:

Sistema termodinámico

Gas en dispositivo pistón-cilindro

dm

dm

dE

Abierto

(volumen de control)

dm = 0 dE

Cerrado

(masa de control)

dm = 0 dE = 0

Aislado


SistemaPropiedades de intercambio

Energía Masa

Abierto o

volumen de

control

Sí Sí

Cerrado o masa

de controlSí No

Aislado No No



J. R. Mayer: realiza en 1842 la primera publicación del principio de la conservación de la energía en el sentido con el que se comprende actualmente.

J. P. Joule: en 1843 publica los resultados de sus estudios experimentales sobre el principio de conservación de la energía.

H. L. F. von Helmholtz: ofrece en su publicación de 1847 una interpretación mecánica completa del principio de conservación de la energía.* Fotografías en dominio público


Algunas formulaciones de la primera ley:

• En toda modificación de un sistema aislado, la energía

total del sistema se conserva constante

• La energía de un sistema se modifica únicamente con el

suministro o retiro de energía a través de sus fronteras.

• La energía ni se crea ni se destruye, solamente se

transforma.


Q

U

Aislamiento

térmico T

QdU

W

WdU

Procesos para dT iguales:

Equivalencia energética entre el calor y el trabajo

Aumento de

U por fricción T


Thomas Newcomen: desarrolla la primera máquina de vapor funcional en 1712, en Gran Bretaña.

James Watt: desarrolla el condensador de vapor separado del sistema pistón cilindro de la máquina de vapor alrededor del año 1770.

Sadi Carnot: busca optimizar el funcionamiento de las máquinas de vapor mediante su análisis teórico. En 1824 se pregunta:

¿Tiene un límite el posible mejoramiento de la eficiencia térmica de la máquina de vapor?

¿Se puede convertir todo el calor en trabajo?* Fotografías en dominio público

Clausius: „El calor no puede fluir por si mismodesde una temperatura menor a una mayor‟

Thomson (Lord Kelvin): „Es imposible extraercalor de un recipiente y convertirlocompletamente en trabajo sin causar otroscambios en el universo‟

Max Planck: „Es imposible construir una máquinaque funcione cíclicamente, que no genere másefectos que el de elevar una carga y enfriar unrecipiente térmico‟


* Fotografías en dominio público


T = 75 °C

Calor

Ambiente: T = 20 °C

T /°C

tiempo

El principio de Carnot introduce el cambio: la asimetría

¿Calor?


entQ

salQ

mayorT

menorT

netoW

Sistema

entQ

netoent WQ

mayorT

menorT

netoW

Sistema

¡Imposible!

La formulación tecnológica de la segunda ley establece que no es

posible construir una máquina con una eficiencia térmica del 100 %.

Modelo de sólido: las moléculas tienen libertad de

movimiento restringida y una energía vibracional alta.

1.3 Propiedades termodinámicas de la materia

Modelo de gas: las moléculas tienen mayor libertad de

movimiento y una energía cinética alta.

Modelo de líquido: las moléculas están relativamente

cerca, pero tienen mayor energía cinética que en el sólido

correspondiente.

1.3 Propiedades termodinámicas de la materia

Diagrama de fases

A B

C

ED

F

G H

I J

Sustancia:

Dióxido de carbono - CO2

Superficie presión, volumen, temperatura

1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas

Propiedades termodinámicas

p, T m, V

Propiedades intensivas:

no dependen de la masa

Propiedades extensivas:

dependen de la masa

m; T

21 TTT 212

1

2

1mmm 1: 1/2 2: 1/2

Propiedades específicas:

extensivas / masa

1 :específicoVolumen

m

Vv

“Una teoría es tanto más impresionante cuanto mayor

es la simplicidad de sus premisas, mayor variedad de

cosas relaciona y más amplio es su campo de

aplicación. A ello se debe la profunda impresión que

me causó la termodinámica clásica. Es la única teoría

física de contenido general de la que estoy

convencido que, dentro del marco de aplicabilidad de

sus conceptos fundamentales, nunca será derribada.”[*]

A. Einstein

[*] Einstein, A.: “Autobiographical Notes,” en P. A. Schilpp (Ed.), Albert

Einstein: Philosopher-Scientist (Evanston, IL: Library of Living

Philosophers, 1971). [Traducción libre del texto original en alemán].

1.4 Sistemas técnicos de transformación

Clasificación según sus

aplicaciones

Calentamiento y

enfriamiento

Generación de

potencia

Clasificación según las

sustancias de trabajo

Operación con vaporOperación con gas

1.4.1 Sistemas de generación de potencia

Generación de potencia

Combustión externaCombustión interna

Operación con gas Operación con vapor

MotoresTurbinas

Joule-

Brayton

Motores Turbinas

Stirling Clausius-

RankineSeiliger

o dual

Otto Diesel

1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento

Calentamiento y enfriamiento

Calentamiento Refrigeración

Tradicional

(egía. primaria)

Sistemas por

compresión

Sistemas por

absorción

Licuefacción

de gases

Sistemas de

bombas de calor

Sistemas de

potencia - calor

Operación con gas Operación con vapor

Joule-Brayton

invertido

Clausius-Rankine

invertido

patm = 1,013 bar

Liq. Liq. + vap. Vapor

V / m3

T / °C

20 1Expansión

Estados: 1 2 3 4 5 6

Sistema heterogéneo:

(2 fases)

1.5 Procesos termodinámicos

Cambio de fase representado en el diagrama T – v

Sustancia pura: Agua - H2OSistema homogéneo:

(1 fase)

Propiedades:

p, v, T

Cambios de estado,

procesos y ciclos

),(),( vTfpyxfz Ecuación

de estado:

702

1003 4 5

6

• Sistemas homogéneos: composición química ypropiedades físicas iguales en todo el sistema (fase única).

• Sistemas heterogéneos: se componen de dos o másfases. Se presentan gradientes apreciables en la interfase(p.e., densidad).

• Sistemas continuos: variación continua de las propiedadesde las sustancias de trabajo (p.e.,una vela en combustión).

• Sustancias puras: tienen una composición químicauniforme e invariable. Si la sustancia se presenta en másde una fase, su composición química se conserva en cadauna de ellas.

1.5 Procesos termodinámicos

Estado de un sistema: representa el conjunto de sus

propiedades mensurables y que son independientes de su

historia o trayectoria previa.

Estas propiedades describen el sistema de manera

macroscópica a través de la asignación de valores

numéricos determinados para ellas.

No todas las propiedades termodinámicas son

independientes entre sí.

1.5.1 Estado termodinámico

1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos

Cambios de estado: constituyen el paso de un sistema de unestado a otro debido a los efectos externos sobre el sistema(solamente se pueden generar por variaciones en laspropiedades intensivas).

Procesos termodinámicos: corresponden a cambios o unaserie de cambios de estado asociados a una tecnologíaespecífica.

Ciclos termodinámicos: constituyen un proceso o una seriede procesos en los que el estado final es idéntico (en suspropiedades termodinámicas) al estado inicial.


Ecuaciones de estado: son las expresiones matemáticaspara los posibles estados de equilibrio de un sistema. Estasecuaciones representan las relaciones entre las propiedadesdel sistema. El estado se determina de manera unívocamediante los valores de sus propiedades independientes (notodas son independientes entre sí) y que no son función dela trayectoria del sistema (en el sentido termodinámico).

Propiedad Z como función de n propiedades independientesX1, X2, … Xn :

Z = f ( X1, X2, … Xn ) [enunciado experimental]


Principio de estado: El principio de estado establece que elnúmero de propiedades independientes en un sistema, esuno más que el número de interacciones relevantes detrabajo del sistema.

Sistema simple: Sólo se presenta una forma de transferenciade energía por medio de trabajo.

Principio de estado para sistemas simples: El estado de unsistema simple se especifica completamente por dospropiedades intensivas independientes.

Equilibrio termodinámico: se presenta cuando las

propiedades termodinámicas no varían al aislar el sistema de

su ambiente (ausencia de gradientes).

Equilibrio

Equilibrio termodinámico

Químico

Fases Térmico, T

Mecánico, p

1.5.4 Equilibrio termodinámico

1.6 Temperatura y equilibrio térmico

Medida de lo „caliente‟ o „frio‟: sensaciones

Incapacidad de hacer mediciones precisas, reproducibles y

en intervalos amplios

Se desarrollan los termómetros: usan como principio la

medición de propiedades físicas que varían en función de

la temperatura (dimensiones geométricas; resistencia

eléctrica; potencia de radiación; fuerza electromotriz, etc.)

1.6.1 Ley cero de la termodinámica

“Dos cuerpos en equilibrio

térmico (sistemas 1 y 2) con

un tercero (sistema 3), están

en equilibrio térmico entre sí.”

T1

T2

Sistema aislado

T1 > T2

Sistema 3

Termómetro

Luego de un tiempo

suficiente t,

T1 = T2

Sistema 1

Sistema 2

1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura

Energía térmica : formas sensible y latente de la energía

interna

Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de

temperatura.

1.6.3 Temperatura empírica

°C °F

100 212

0,010

40 104PF PF

ΘC = 5/9 (ΘF – 32)

ΘF = 9/5 ΘC + 32

Líquido del termómetro: Mercurio

Fusión del hielo:θ = 0 °C / Hoy: θ = 0,01 °C(punto triple del agua)

Evaporación del agua:θ = 100 °C (presión normal)

Fusión de mezcla agua-sal:

θF = 0 °F -- θ = -17,8 °C

Evaporación del agua:

θF =212 °F /

θ=100 °C

Astrónomo Anders Celsius (1701 – 1744) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736)

Escalas en 100 partes iguales

1.7 Dimensiones y unidades

Dimensión

Fuerza

Presión*

Energía**

Potencia

Algunas unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades (SI)

Unidad

Newton

Pascal

Joule

Watt

Símbolo

N

Pa

J

W

Definición

1 N = 1 kg m s-2

1 Pa = 1 N m-2 = 1 kg m-1 s-2

1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2

1 W = 1 J s-1 = 1 kg m2 s-3

* 1 bar = 105 Pa = 105 N m-2 / 1 atm = 1,01325 bar

** Cantidad de calor: 1 cal = 4,18068 J

1.8 Resumen

• La termodinámica clásica o fenomenológica sigue un enfoque

macroscópico.

• Dentro de la termodinámica clásica, la termodinámica técnica estudia

el equilibrio térmico a través de las leyes generales que rigen la

transformación de la energía; las variaciones en las propiedades

termodinámicas de la materia y su aplicación en el análisis de

procesos y equipos técnicos.

• Los procesos termodinámicos (cambios de estado de sistemas

termodinámicos) ocurren, principalmente, por medio de la

transferencia de energía en forma de calor y de trabajo.

• Las herramientas fundamentales para los análisis termodinámicos se

soportan en tres principios físicos fundamentales: la conservación de

la masa; la conservación de la energía y las limitaciones presentes

en sus procesos de transformación (disipación de la energía).

1.8 Resumen

• Las fuentes de energía y sus procesos de transformación son un

paso fundamental para el desarrollo económico y social y, al mismo

tiempo, generan grandes impactos ambientales. Por estas razones la

termodinámica es un campo de estudio fundamental para el

desarrollo sostenible.

• El origen de la termodinámica se ubica en las labores de explicación

del funcionamiento de las máquinas térmicas (del motor de vapor).

• La termodinámica técnica brinda un apoyo fundamental en las

labores de explicación y análisis pero…

¡no provee reglas o recetas de cocina para la invención!

Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica

• ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.: Termodinámica. Ed. McGraw-Hill: Bogotá y otras, 2006.

Es un texto sencillo y extenso en sus explicaciones, que cubre todo el contenido del curso y puede seguirse para su desarrollo.

• JONES, J. B.; DUGAN, R. E.: Ingeniería Termodinámica. Ed. Prentice Hall.: México, D.F., 1997.

Se hace un buen manejo teórico y explica con detalle el planteamiento y la deducción de ecuaciones.

• MORAN, J. M.; SHAPIRO, H. N.: Fundamentos de termodinámica técnica (2. Edición en Español correspondiente a la 4. Edición Original). Ed. Reverté, S.A.: Barcelona, 2004.

Presenta un buen equilibrio entre teoría, ejemplos y ejercicios; cubre el contenido completo del curso; es una buena guía para el estudio autónomo.


• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.: Fundamentals of Classical

Thermodynamics (SI Version). Ed. John Wiley & Sons: Singapore,

3ra. edición, 1985.

Cubre el contenido completo del curso y presenta una amplia

variedad y equilibrio de ejemplos y ejercicios.

• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.: Fundamentos de Termodinámica. Ed. Limusa – Grupo Noriega Editores: México, D.F., 2004.

Corresponde a la evolución de “Fundamentals of Classical Thermodynamics”, con complementos en teoría y ejercicios.

• POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W.: Termodinámica para Ingenieros (Traducción de Schaum´s outline of theory and problems of thermodynamics for engineers). McGraw-Hill: Madrid, 2004. ISBN 84-481-4282-9

Se hace una presentación resumida de la teoría y se enfoca en ejemplos y problemas resueltos.


• BAEHR, H.D.; KABELAC, S.: Thermodynamik. Grundlagen und

technische Anwendungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New

York, 2006.

• STEPHAN, P.; SCHABER, K.; STEPHAN, K; MAYINGER, F.:

Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen Band 1:

Einstoffsysteme. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New York, 2006.

• LUCAS, K.: Thermodynamik. Die Grundgesetze der Energie- und

Stoffumwandlungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, 1995.

Los textos de termodinámica técnica alemanes cubren el contenido

completo del curso; presentan de manera detallada los fundamentos

teóricos y hacen uso de ejemplos específicos y bien seleccionados;

estos textos no hacen una presentación excesiva de ejercicios, pero

los que se incluyen son bien estructurados.

¡Gracias por su atención!

Alexánder Gómez

[email protected]

Twitter: @alexgomezmejia

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