UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Departamento de Energía y Producción S Í L A B O INGENIERIA TERMODINAMICA I I. DATOS GENERALES : 1.1 Facultad : Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 1.2 Escuela Académico Profesional : Ingeniería Mecánica y Eléctrica 1.3 Departamento Académico : Energía y Producción 1.4 Nombre del Curso : INGENIERIA TERMODINAMICA I Código : 0J104E Tipo : Obligatorio Nivel : Pre-grado 1.5 Semestre Académico : 2011 II 1.6 Ciclo : CUARTO (ME-1-2) 1.7 Créditos : Duración del Curso : 17 Semanas 1.9 Horas Semanales : 05(Teoría: 03; Practica: 02) 1.10 Pre-Requisitos : 1J1023 (Física II) 1.11 Profesor(es) Responsable(s) : Ing. José Carlos Rodríguez Chacón Profesor Asociado D.E Horario (Ver Hoja de cronograma desarrollado) II. SUMILLA: La presente asignatura proporcionará a los estudiantes de Ingeniería Mecánica y Eléctrica los conocimientos aptitudes y destrezas necesarias para el manejo de la energía en sus diversas manifestaciones, además podrá conocer las aplicaciones que se le da a la energía térmica. Al finalizar el dictado de la asignatura, los alumnos; aplicando las leyes de la termodinámica, utilizando tablas y diagramas de propiedades termodinámicas y con la ayuda de software de aplicación; resolverán problemas relacionados: con sustancia pura, así como para calor y trabajo, aplicando cada uno de estos conocimientos comprenderán la primera ley para sustancia pura y para gases; Primera ley para un volumen de control: proceso FEES y FEUS. Segunda ley y entropía. Seguidamente se realiza el análisis Exergético de los sistemas termodinámicos. Concluiremos con el estudio de mezclas con gases y mezclas gas vapor utilizando los conceptos psicrométricos realizando balances de energía.

2 III OBJETIVOS: OBJETIVOS GENERALES: 1. Definir los conceptos de propiedades termodinámicas. 2. Analizar procesos y ciclos termodinámicos para sustancia pura y otras sustancias gaseosas. OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1. Definir los conceptos de sustancia pura, manejar tablas termodinámicas, e identificar los estados de la materia en el diagrama de superficies. 2. Analizar los procesos termodinámicos de sistemas cerrados, tanto para sustancia pura como para procesos con gases y poder aplicarlos en los posteriores semestres. 3. Efectuar balance a partir de las aplicaciones de Primera Ley de la Termodinámica, evaluar procesos y ciclos que involucren transformaciones de energía en calor y trabajo. 4. Aplicar las leyes termodinámicas a volúmenes de control y así conocer la aplicación de estas, en los diversos procesos de producción de la industria. 5. Definir los conceptos de la Segunda Ley de la Termodinámica, analizando los ciclos de potencia para las máquinas de Carnot, máquina refrigeradora y bomba de calor. Utilizando para ello los enunciados de Kelvin-Plank y de Clausius. 6. Entender y realizar balances de energía y entropía; energía disponible, energía y sus aplicaciones al análisis exergético de los sistemas termodinámicos. 7. Entender principios de conservación de la masa y la energía para el análisis de los sistemas compuestos por mezclas de aire seco y vapor de agua. Realizar balance de energía de un proceso de acondicionamiento de aire para un ambiente de confort. CRONOGRAMA: (También, ver Hoja de cronograma desarrollado) SEMANA FECHA CONTENIDO Introducción: conceptos fundamentales. Sustancia pura. Sustancia de trabajo. Fase estado. Propiedades (interna, externa, extensiva, intensiva y propiedad específica).proceso cuasi estático. Proceso reversible e irreversible Ciclos. Regla de 01 Fase de Gibas. Ejercicios sobre tipos de sistemas, volumen de control, propiedades, procesos, Sustancia de trabajo y utilización de la regla de fases SUSTANCIA PURA: Fases de la sustancia pura. Curva de presión de vapor. Punto triple y crítico. Diagrama de superficies termodinámicas. Diagrama P-V, T-V, T-P. Líquido comprimido, vapor húmedo y vapor sobrecalentado. Tablas de propiedades termodinámicas. Ejercicios sobre el manejo de las tablas de propiedades termodinámicas Propiedades de mezclas bifásicas. Título o calidad. La sustancia pura comportándose como gas ideal. Ecuaciones de estado. Procesos de gases ideales. Gases reales. Factor de compresibilidad. Diagrama de compresibilidad generalizado Ejercicios sobre procesos con sustancias puras en cambios de fases y gases ideales. (Primera Práctica)

3 04 TRABAJO Y CALOR. Formas de energía. Energía en tránsito. Definición de Trabajo. Unidades. Convención de signo. Trabajo al límite móvil de un proceso cuasi estático.. Ejercicios sobre trabajo de expansión Trabajo de rozamiento. Trabajo potencial. Trabajo eléctrico. Trabajo en ciclo. Trabajos en procesos con gases ideales. Proceso isobárico. Proceso isométrico. Proceso isotérmico. Proceso politrópico. Proceso isoentropíco. Calor energía en tránsito. Unidades.Conversión de signos. Ejercicios sobre trabajos y calor en procesos con sustancia pura en cambio de fase y gases ideales.(segunda Práctica) PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA UN SISTEMA. Primera Ley para un sistema cerrado. Expresiones de la primera Ley. Análisis de procesos y ciclos. Energía interna, entalpía, Cv, Cp, Ley de Joule Ejercicios sobre aplicación de la primera Ley para un sistema de procesos Termodinámicos con sustancias en cambio de fase y gases ideales. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA UN V.C-FEES. Expresión general para un volumen de control. Análisis del proceso en el volumen de control. Procesos de flujos y estados estables (FEES). Ejercicios sobre aplicación de la primera Ley para FEES en diferentes procesos termodinámicos. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA UN V-C.- FEUS. Procesos de flujos y estado uniforme (FEUS). Procesos de estrangulamiento. Coeficiente Joule Thompson. Trabajo en un volumen de control. Ejercicios sobre aplicación de la Primera Ley para FEUS en diferentes procesos termodinámicos (Tercera practica). PRIMER EXAMEN PARCIAL INTRODUCCIÓN A LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Foco Térmico, fuente, sumidero. Máquina térmica. Eficiencia. Máquina refrigeradora. Coeficiente de performance. Bomba de calor. Reversibilidad Ejercicios sobre cálculo de rendimiento en máquinas térmicas y refrigeradoras SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Enunciado de Kelvin Planck Enunciado de Clausius. Ciclo de Carnot. Teoremas de Carnot. Desigualdad de Clausius. Análisis de ciclos. PRACTICA. Ejercicios sobre verificación de la Segunda Ley en Procesos termodinámicos y cálculos de rendimiento y ciclo de Carnot. ENTROPÍA. Entropía propiedad Termodinámica. Diagrama T-S y proceses reversibles. Diagrama T-S y fases de calor. Procesos reversibles e irreversibles. Diagrama T-S Y H-S (diagrama de Mollier). Ejercicios de aplicación para determinar el cambio de entropía en un proceso termodinámico y manejo del diagrama H-S.

4 Relaciones termodinámicas con entropía. Cambio de entropía para un gas ideal. Diagrama T-S y H-S para un gas ideal. Principio de incremento de entropía del Universo. Eficiencia de expansión y compresión adiabática.. Eficiencia mecánica, potencia al eje.ejercicios sobre cambios de entropía ideal y real, y balance de energía ideal y real y cálculo del incremento de entropía del universo en un proceso termodinámico. (Cuarta Práctica) DISPONIBILIDAD Y ENERGIA. Parte disponible del calor. Parte no disponible del calor. Energía disponible. Ciclo de Carnot como ciclo de comparación. Irreversibilidad y efectividad. Balance de EXERGIA. Energía utilizable. Ejercicios sobre cálculo de energía disponible y no disponible en un proceso o ciclo termodinámico.( Quinta practica) MEZCLA DE GASES. Ley de Amagat y Ley de Dalton. Presión parcial y volumen parcial. Fracción de Molar y Fracción Molar. Análisis gravimétrico y volumétrico. Constante particular, peso molecular Cv, y Cp de una mezcla de gases.. Energía interna, entalpía y entropía de una mezcla de gases ideales. Ejercicios sobre cálculo de propiedades o balance de energía en un proceso termodinámico con gases ideales. MEZCLA DE GASES Y VAPORES. Mezcla saturada y no saturada. Humedad relativa. Punto de rocío. Humedad específica. Primera Ley para mezclas gas-vapor. Diagrama psicrométricos. Procesos 16 psicrométricos. Temperatura de bulbo húmedo.. Ejercicios para determinar el calor entregado o extraído en un proceso de acondicionamiento de aire atmosférico. ( Sexta Practica ) 17 EXAMEN FINAL 18 SUSTITUTORIOS 19 APLAZADOS IV. METODOLOGIA Para el cumplimiento de los objetivos en el desarrollo de curso, se tiene la siguiente metodología y técnicas. Tres horas de clases teóricas basándose en las exposiciones realizadas por el docente con intervenciones del estudiante. Dos horas de clases prácticas en la que se resolverán problemas y ejercicios concernientes al tema, con la modalidad de práctica dirigida. V. MATERIAL DE ENSEÑANZA Para el desarrollo de la asignatura se cuenta con los recursos humanos, docentes y alumnos. Material didáctico: Para el docente: Textos de consulta, información vía Internet, revistas y proyector multimedia. Para el estudiante: Texto básico de consulta de termodinámica según la bibliografía para el tema tratado, información vía Internet, revistas otros como software de aplicación etc. VI. SISTEMA DE EVALUACIÓN

5 6.1. De las notas: Durante el desarrollo del curso se evaluarán 05 Prácticas calificadas en el salón de clase.(evaluaciones fuera del horario establecido) El promedio de evaluación permanente estará dado por el promedio de sus exposiciones e intervenciones en forma permanente y continua, verificando que el estudiante haya logrado los objetivos del tema El promedio de los dos parciales Condiciones de aprobación: El alumno debe obtener 11 ó más puntos como promedio final durante el semestre académico El tipo de evaluación para este curso es el tipo A. Promedio Final = 3 (Prom. Parcial)+ 2 (Prom. Pract.) + (Eval. Perm.) La asistencia es obligatoria El 30% de inasistencias del total de clases programadas en el curso inhabilitan al alumno para todos sus efectos. VII. CONTENIDO DEL CURSO Y DESARROLLO DEL SILABO POR SEMANAS: PRIMERA SEMANA: Introducción, conceptos fundamentales. Sustancia pura. Sustancia de trabajo. Fase-estado. Propiedades (interna, externa, extensiva, intensiva y propiedad específica).proceso cuasi estático. Proceso reversible e irreversible Ciclos. Regla de Fase de Gibas. Ejercicios sobre tipos de sistemas, volumen de control, propiedades, procesos, sustancia de trabajo y utilización de la regla de fases. SEGUNDA SEMANA: SUSTANCIA PURA: Fases de la sustancia pura. Curva de presión de vapor. Punto triple y crítico. Diagrama de superficies termodinámicas. Diagrama P-V, T-V, T-P. Líquido comprimido, vapor húmedo y vapor sobrecalentado. Tablas de propiedades termodinámicas. Ejercicios sobre el manejo de las tablas de propiedades termodinámicas TERCERA SEMANA: Propiedades de mezclas bifásicas. Título o calidad. La sustancia pura comportándose como gas ideal. Ecuaciones de estado. Procesos de gases ideales. Gases reales. Factor de compresibilidad. Diagrama de compresibilidad generalizado Ejercicios sobre procesos con sustancias puras en cambios de fases y gases ideales. (Primera Práctica) CUARTA SEMANA: Trabajo Y Calor. Formas de energía. Energía en tránsito. Definición de Trabajo. Unidades. Convención de signo. Trabajo al límite móvil de un proceso cuasi estático.. Ejercicios sobre trabajo de expansión.

6 QUINTA SEMANA: Trabajo de rozamiento. Trabajo potencial. Trabajo eléctrico. Trabajo en ciclo. Trabajos en procesos con gases ideales. Proceso isobárico. Proceso isométrico. Proceso isotérmico. Proceso politrópico. Proceso isoentropíco. Calor energía en tránsito. Ejercicios sobre trabajos y calor en procesos con sustancia pura en cambio de fase y gases ideales.(segunda Práctica) SEXTA SEMANA: Primera Ley De La Termodinámica Para Un Sistema. Primera Ley para un sistema cerrado. Expresiones de la primera Ley. Análisis de procesos y ciclos. Energía interna, entalpía, Cv y Cp, Ley de Joule Ejercicios sobre aplicación de la primera Ley para un sistema de procesos Termodinámicos con sustancias en cambio de fase y gases ideales. SETIMA SEMANA. Primera Ley De La Termodinámica Para Un V.C-FEES. Expresión general para un volumen de control. Análisis del proceso en el volumen de control. Procesos de flujos y estados estables (FEES). Ejercicios sobre aplicación de la primera Ley para FEES en diferentes procesos termodinámicos. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA UN V-C.- FEUS. Procesos de flujos y estado uniforme (FEUS). Procesos de estrangulamiento. Coeficiente Joule Thompson. Trabajo en un volumen de control. Ejercicios sobre aplicación de la Primera Ley para FEUS en diferentes procesos termodinámicos (Tercera practica). OCTAVA SEMANA PRIMER EXAMEN PARCIAL NOVENA SEMANA Introducción A La Segunda Ley De La Termodinámica. Foco Térmico, fuente, sumidero. Máquina térmica. Eficiencia. Máquina refrigeradora. Coeficiente de performance. Bomba de calor. Reversibilidad Ejercicios sobre cálculo de rendimiento en máquinas térmicas y refrigeradoras DECIMA SEMANA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Enunciado de Kelvin Planck Enunciado de Clausius. Ciclo de Carnot. Teoremas de Carnot. Desigualdad de Clausius. Análisis de ciclos. PRACTICA. Ejercicios sobre verificación de la Segunda Ley en Procesos termodinámicos y cálculos de rendimiento y ciclo de Carnot. ONCEAVA SEMANA: ENTROPÍA. Entropía propiedad Termodinámica. Diagrama T-S y proceses reversibles. Diagrama T-S y fases de calor. Procesos reversibles e irreversibles. Diagrama T-S Y H-S (diagrama de Mollier). Ejercicios de aplicación para determinar el cambio de entropía en un proceso termodinámico y manejo del diagrama H-S.

7 DOCEAVA SEMANA: Relaciones termodinámicas con entropía. Cambio de entropía para un gas ideal. Diagrama T-S y H-S para un gas ideal. Principio de incremento de entropía del Universo. Eficiencia de expansión y compresión adiabática.. Eficiencia mecánica, potencia al eje..ejercicios sobre cambios de entropía ideal y real, y balance de energía ideal y real y cálculo del incremento de entropía del universo en un proceso termodinámico. (Cuarta Práctica) TRECEAVA SEMANA: Disponibilidad Y Energía. Parte disponible del calor. Parte no disponible del calor. Energía disponible. Ciclo de Carnot como ciclo de comparación. CATORCEAVA SEMANA: Irreversibilidad y efectividad. Balance de EXERGIA. Energía utilizable. Ejercicios sobre cálculo de energía disponible y no disponible en un proceso o ciclo termodinámico.( Quinta practica) QUINCEAVA SEMANA: MEZCLA DE GASES. Ley de Amagat y Ley de Dalton. Presión parcial y volumen parcial. Fracción de Masa y Fracción Molar. Análisis gravimétrico y volumétrico. Constante particular, peso molecular Cv, y Cp de una mezcla de gases.. Energía interna, entalpía y entropía de una mezcla de gases ideales. Ejercicios sobre cálculo de propiedades o balance de energía en un proceso termodinámico con gases ideales. DIECISEISAVA SEMANA: MEZCLA DE GASES Y VAPORES. Mezcla saturada y no saturada. Humedad relativa. Punto de rocío. Humedad específica. Primera Ley para mezclas gas-vapor. Diagrama psicrométricos. Procesos psicrométricos. Temperatura de bulbo húmedo.. Ejercicios para determinar el calor entregado o extraído en un proceso de acondicionamiento de aire atmosférico. (Sexta Práctica) DIECISIETEAVA SEMANA: EVALUACIÓN PARCIAL BIBLIOGRAFÍA Fundamentos de Termodinámica VAN WYLEN & SONNTAG; Editorial LIMUSA; Termodinámica ; FAIRES V. M Editorial UTEHA; Termodinámica ; HOLMAN J.P Editorial MacGRAW HILL; 1980 Fundamentals of Engineering Thermodynamics ; MORAN Mi SHAPIRO H.N., Editorial REVERTE; Termodinamica ; KENNETH WARK; Editorial MacGRAW HILL; Manual de Climatización Transformación Psicrométríca ; PINAZO OJER J.M., Editorial REPROVAL; Cálculo en Instalaciones Frigoríficas ; PINAZO OJER J. M.; Editorial REPROVAL; Termodinamic Análisis of combustión engines, CAMPBELL A.; Editorial J. WILLEY; Refrigeración y Aire Acondicionado ; STOECKER; Editorial MacGRAW HILL; 1962.

8 Termodinámica Clásica RUSSELL y ADEBIYI; Editorial ADDISON- WESLEY IBEROAMERICANA. Termodinámica, G. BOXER; Editorial ADDISON WESLEY IBEROAMERICANA. Ingeniería Termodinámica JONES DUGAN; Editorial PHH PRENTICE may. Termodinámica ; MANRIQUE- CARDENAS; Editorial HARLA. Termodinámica Aplicada ; POSTIGO CRUZ; Editado UNI. Termodinámica Básica para Ingenieros ; NAKAMURA Editado UNI. Ica, Setiembre del ING. JOSE CARLOS RODRIGUEZ CHACON PROFESOR DEL CURSO