Principios de la termodinámica

Transcripción

1 Física aplicada a procesos naturales Tema I.- Balance de Energía: Primer principio de la Termodinámica. Lección 1. Principios de la termodinámica

2 Equilibrio térmico. Define el método de medida de la temperatura a partir del concepto de equilibrio térmico. Si los subsistemas A y B están en equilibrio térmico. Y los subsistemas A y C también están en equilibrio térmico. Entonces, B, estaría en equilibrio térmico con C, caso de ponerlos en contacto mediante una pared diaterma. 2

3 Equilibrio térmico. Tema II. Lección 2. M. RAMOS. 3

4 Principio Cero de la Termodinámica. i Tema II. Lección 2. M. RAMOS. 4

5 Capacidad calorífica: Capacidad calorífica. Calor necesario para aumentar en 1K la temperatura de un sistema (J/K): Calor específico: C Q ( T T i f Calor necesario para aumentar en 1K la temperatura de una unidad de masa de un sistema (J/kg K): (J/kg K): 1 Q c m ( T i T f ) ) 5

6 Substancia Calores específicos. c (kj/kgk) Agua (20º) 4.18 Hielo (-10ºC) 2.05 Vapor de Agua (P=cte,T=0ºC) Aire (P=cte,T=0ºC) Calores Latentes. Substancia Temp. CF(K) Lf(kJ/kg) Lv(kJ/kg) Agua (L) Agua (v)

7 Proceso de fusión. 7

8 Calor intercambiado (cuantificación). ió Proceso de calentamiento de una masa, m, de hielo a presión constante, P=1 atm. Estado inicial (-30ºC), final vapor (100ºC): Q QLV mlv SL ml f Q SS mc s T Q LL mc L T 8

9 Calor intercambiado (cuantificación). ió 9

10 Mecanismos de Transmisión del calor. Estructura de los procesos de transmisión del calor. Mecanismos de transmisión del calor LeydeFourrier Leyes de la Radiación Conductividad Térmica Coeficiente de película Convección Ley de Stefan Ley de Wien Ley de Kirchoff Ley de Newton 10

11 Mecanismos de transmisión del calor. CONDUCCIÓN: Transporte de energía, en forma de calor, por vibración molecular. No hay transporte de materia. CONVECCIÓN: Transporte de energía, asociado id al movimiento i relativo lti de partes del sistema en su interior. RADIACIÓN: Transporte de energía, por medio del mecanismo de absorción/emisión de ondas electromagnéticas. 11

12 Conducción del calor: ley de Fourrier, conductividad térmica. Ley de Fourrier: Q ( T T KA T T 1 2) ( 1 2) t e e 1-Dimensión: T KA x K- Conductividad térmica.(w/mk). -Flujo de energía (W). A- área (m 2 ). 12

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14 Convección del calor. El coeficiente de transmisión superficial del calor o coeficiente de película, representa la cantidad de calor intercambiado, por unidad de superficie, entre el material y el fluido ambiente que lo rodea cuando el gradiente de temperaturas es de 1º. ht h( T ) s Ta s a h W 2 ( T T ) s W m h 2 m K 14

15 Convección libre. 15

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17 Transmisión del calor por convección forzada. En estos casos el proceso dominante es el debido a los gradientes de presión generados sobre el fluido, que provocan el movimiento de éste sobre la superficie de contacto. 17

18 Flujo laminar. Regímenes de convección. Flujo Turbulento. 18

19 Número de Reynolds. vl Lc- longitud característica. (m). R c - densidad. (kg/m 3 ). e v- velocidad. (m/s). kg vl kg m c ( 3)( )( m) m s m. s kg m.s - viscosidad absoluta. (kg/ms). Re<1 Re>1 R e a dim ensional. Fuerzas viscosas dominantes Fuerzas de inercia dominantes 19

20 Número de Nusselt. h-coeficiente i de película l (W/m 2 K). K- conductividad térmica (W/mK). L- longitud característica (m) Nu hl K El número de Nusselt es la relación entre el coeficiente de película y la conductividad térmica del fluido por la variable espacial. 20

21 Radiación térmica. Los dos sistemas tienden al equilibrio térmico aunque no haya contacto físico entre ellos. El intercambio de energía se realiza mediante absorción/emisión de ondas electromagnéticas. 21

22 Radiación térmica: cuerpo negro (ley de Stefan-Boltzmann). Blt Ley de Stefan-Boltzmann: Cualquier cuerpo a una temperatura, T, en equilibrio térmico, emite una cantidad de radiación que, por unidad de tiempo, viene determinado por: AT 4 - Potencia de radiación emitida (W). - Emisividad de la superficie. Si el cuerpo es A- Área del emisor (m 2 ) perfectamente negro =1, T- Temperatura de equilibrio del emisor (K). en caso de cuerpos grises - Constante de Stefan-Boltzmann= (W/m 2 K 4 ). 0< <1. 22

23 Radiación térmica: cuerpo negro (ley de Kirchhoff). Ley de Kirchhoff: Si tenemos dos cuerpos, cada cual emite energía que absorbe el otro y por lo tanto el balance de energía neta intercambiada será: I Neta Ia I' e ( 1 T 2 ( T ) 23

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25 Principio de conservación de la energía: 1 er P pio de la termodinámica. i La energía intercambiada por un sistema con el medio exterior, hace aumentar o disminuir la energía interna del mismo. U Q W Si no hay cambio de fase, el aumento o perdida de calor se apreciará por la variación ió de la temperatura del sistema. U U C ( T 1 ) 2 T Si hay cambio de fase el sistema intercambiará energía sin modificar su temperatura. 25

26 Balance de Energía en el suelo. Sistema: suelo de la Tierra. Entorno: la capa de aire en contacto con el suelo (capa límite atmosférica. Biosfera). 26

27 Flujo de calor latente (H L ). Flujo de calor sensible (H). Flujo radiativo. Radiación neta (R N ). Flujo de calor en el suelo (H G ). Capa de nieve variable. 27

28 Balance de radiación. Radiación de onda corta (directa y difusa). Rdi Radiación ió de onda larga. Albedo. 28

29 Radiación global y Balance de radiación. terrestre. 29

30 Radiación difusa. Balance de radiación. 30

31 Balance distribuido de radiación en las proximidades de la Base Juan Carlos I. 31