MÁQUINAS TÉRMICAS. Aspectos Fundamentales de Termodinámica. Mayo 2012 ASPECTOS FUNDAMENTALES

Transcripción

1 MÁQUINAS TÉRMICAS Aspectos Fundamentales de Termodnámca rof. Mguel ASUAJE Mayo 2012 Contendo ASECTOS FUNDAMENTALES Breve revsón de los conceptos de Termodnámca Trabajo y Calor rmera Ley d Segunda Ley Cclo de Carnot 1

2 Otras Undades Otras Undades 2

3 or qué es mportante la Termodnámca y el estudo de Turbomáqunas Térmcas? ~ 2/3 energía eléctrca mundal es generada c/centrales Termoeléctrcas a base de combustbles fósles (~ 12,7 trllon EIA-2007) Centro-Sur-Amerca (~ 0,3 trllon EIA-2007) Centro-Sur-Amérca, gen. eléctrca: 68% Hdro vs. 30% Fósl vs. 2% Otros (@ EIA-2007) - Combustbles fósles/gen. eléctrca: Carbón, Metano y Fuel Ol - Centrales Termoeléctrcas/Fósles: Turbnas a Vapor, Turbnas a Gas, Cclo Combnado Máqunas Térmcas! Capacdad nstalada en el Sstema Eléctrco Naconal por fuente prmara para Juno Ref.: Centro Naconal de Gestón del Sstema Eléctrco de Venezuela Conceptos Báscos de la Termodnámca Cenca que estuda las transformacones energétcas. Basada en cuatro leyes Ley cero rmera Ley Segunda Ley Tercera Ley Nace por la necesdad de comprender y estudar el vapor 3

4 Conceptos Báscos de la Termodnámca SISTEMA Es una regón del espaco defnda por un observador ropedad Termodnámca Varable que cuantfca la stuacón de un sstema Intensvas NO dependen de la masa Extensvas Dependen de la masa Frontera Aberto ó Cerrado Conceptos Báscos de la Termodnámca ESTADO Condcón del sstema defnda por sus propedades ndependentes CICLO roceso que comenza y termna en un msmo estado ROCESO La transformacón de un estado a otro Isotérmco Isocórco Isobárco Adabátco 4

5 Conceptos Báscos de la Termodnámca EQUILIBRIO Un sstema está en equlbro sempre y cuando no ocurran cambos en sus propedades sn un estímulo externo FASE Cantdad homogénea y unforme de matera Sóldo Líqudo Gaseoso Térmco Mecánco Químco De fase IMORTANTE: ara una sustanca pura no pueden coexstr en un msmo nstante más de tres fases Las ropedades Termodnámcas Volumen específco υ = 1 ρ v T resón t=t1 p2=pa Z1=h p1 0 Z2=0 Temperatura En un sstema smple podemos elegr como varables ndependentes (presón) y T (temperatura) ya que son las más fácles de medr y s consderamos el volumen V como varable dependente de y T, entonces: V=V (, T) 5

6 Otras ropedades Termodnámcas û p h = û + ρ s C p C υ Energía Interna Entalpía Entropía Calores Específcos Exctacón y Movmento a nvel Molecular Funcón matemátca combnacón de funcones de estado Medda de desorden Molecular. ropedad termodnámca vnculada con cclos reversbles Calor Transferdo a un sstema para varar en un dferencal su temperatura Dos pseudo ropedades de Transporte: k μ Conductvdad Vscosdad Vnculado a la transferenca de Calor Vnculado a al movmento del fludo ropedades de Estancamento 6

7 Dagramas Termodnámcos υ = 1 ρ υ = 1 ρ unto Crítco: Lmte superor para la coexstenca de fases en equlbro ρ líqudo = ρ gas ostulado de Estado: Se defne el estado de una sustanca pura especfcando dos propedades ntensvas ndependentes unto Trple: Convven en equlbro el estado sóldo, el estado líqudo y el estado gaseoso de una sustanca Tablas Termodnámcas ropedades Termodnámcas del Agua en el Domo de Saturacón 7

8 Ecuacones de Estado ropedades d de las sustancas son tan complejas Gráfcos Tablas Funcones matemátcas que permten la descrpcón de los estados termodnámcos de una sustanca Ecuacón de Gases Ideales: p υ = RT donde: R = R M y R = 8, 3144 J mol K Constante Unversal de los gases Gas Ideal y Gases Reales Gas Ideal Gas Real Las fuerzas ntermoleculares son desprecables Las fuerzas ntermoleculares NO son desprecables Gases Reales: ( p,t) h = f ( p,t) μ f ( p,t) ρg = f g g = 8

9 Factor de Compresbldad La dferenca entre los gases reales e deales es consderado por el factor de compresbldad Z. Gas Ideal Gas Real ν = R T ν = Z R T Z=f(,T)=f( r,t r ) T T r = T cr = r cr - Las propedades pseudocrtcas cr y T cr son funcones de la composcón del gas (o de la gravedad especfca γ g ). - La precsón de los factores Z de Standng-Katz es usualmente de 1-3%. Gráfco Standng-Katz Tablas. ropedades de Gases 9

10 Tablas. ropedades de Gases Tablas. ropedades de Gases 10

11 Mezcla de Gases Ideales Los gases reales no son sustancas puras, sno que están formados por varos gases. Una aproxmacón para el estudo de gases es reales es asumr que el gas en cuestón es una mezcla de gases deales Mezcla de gases deales GI-1 GI-2 GI- GI-n Δt Mezcla En una mezcla de GI se cumple que: La mezcla se comporta como un gas deal V = n R T (I) Cada gas de la mezcla se comporta como un gas deal que ocupa un volumen V, está a T y pero a una presón parcal Cada gas puro a y T es un gas deal V V = n R T = n R T (II) (III) Mezcla de Gases Ideales (II) (I) n n = = X = X = = = m X = = Ley de Dalton m En la mezcla de GI tambén se puede demostrar que: C C V = V = p m vm V m = X C p = X Cv T c m cm = X Tc = X c M m = X M 11

12 Trabajo La prmera nocón de trabajo que conocemos es la de trabajo mecánco uff, uff. W = r r F x Dstanca que se desplaza el objeto Fuerza Trabajo realzado por el hombre W = X 2 X 1 [N.m=J] Fdx Fuerza aplcada X dstanca 1 X 2 Trabajo=área Trabajo Veamos el sstema clndro pstón Gas A r r W = F x atm A F ara el Sstema en Equlbro, la Segunda ley de Newton dce r F = 0 r F = A atm A F = 0 Δx Muy lentamente aumentamos la fuerza de modo de comprmr el sstema Gas A atm A F SISTEMA W = F dx = Adx = dv W = dv W v 2 V v 1 12

13 Trabajo de un cclo Cclo: Secuenca nnterrumpda de fenómenos que se repten en estrcto orden Veamos el sguente cclo 1-2 Expansón Isobárca 2-3 Compresón Isocórca 3-4 Compresón Isobárca 4-1 Expansón Isocórca V = W 1-2 W 3-4 W V V V 4 3 Sobre el trabajo 1 2 V El Trabajo no es una propedad de estado.e El trabajo no se puede defnr en un punto El trabajo dependerá de la trayectora tomada El trabajo neto depende además de la forma o sentdo en que se efectúe V W V V V Recorrdo Horaro W > 0 El Sstema produce trabajo Recorrdo Ant-Horaro W < 0 El Sstema consume trabajo 13

14 Calor Cantdad mensurable, relaconada pero dstnta de aquella que llamamos temperatura Todos los cuerpos que se comunquen lbremente y que no estén expuestos a accones externas adqurrán la msma temperatura (ley 0) Transferenca nmateral entre dos sstemas debdo a una dferenca de temperatura Q>0 Sstema Q<0 Una defncón matemátca Q = C m ΔT rmera Ley LA ENERGÍA DEL UNIVERSO SE CONSERVA La energía potencal se transforma en energía cnétca se acelera energía químca (carbón) energía nterna (agua líquda Vapor de agua) el vapor se expande Trabajo energía cnétca La pérdda de energía potencal acelera el deslzamento del objeto cae 14

15 rmera Ley El cambo de energía de un sstema cerrado es gual al calor sumnstrado menos el trabajo realzado ΔE = Q W El Calor El Trabajo La energía del sstema Energía en Transto Se puede manfestar de muchas formas: otencal, Temperatura, otencal eléctrco, velocdad, energía nterna Ecuacón de la Energía para un Flujo Estaconaro 15

16 Segunda Ley Segunda Ley 20ºC? 25ºC T=50ºC? 75ºC 25ºC..?? 16

17 Segunda Ley Entropía: La ENTROÍA es una funcón de estado, en cualquer proceso sólo depende de los estados ncal y fnal Segunda Ley 17

18 rocesos roceso espontáneo roceso Imposble Dos tpos Reversbles Irreversbles Un proceso es termodnámcamente reversble cuando en cualquera de los puntos de su evolucón puede ser nvertdo el sentdo de msmo, con modfcacón nfntesmal de las condcones externas roceso Real o procesos dspatvos en los que parte de la energía se perde rremedablemente aumentando la entropía del sstema Cclo de Carnot Se defne cclo de Carnot como un proceso cíclco reversble que utlza un gas perfecto, y que consta de dos transformacones sotérmcas y dos adabátcas, tal como se muestra en la fgura a b T 1 d c T 2 18

19 rncpo de Carnot Cualquer máquna térmca que sga un cclo termodnámco reversble tendrá un rendmento máxmo a d b c η = T1 T T T 1 1 T 2 η = T 1 2 T 1 2 Relacones Isoentrópcas para gas deal 19