T Primer Principio de la Termodinámica. T Segundo Principio de la Termodinámica

Transcripción

1 1.- CONCEPOS ERMODINAMICA FUNDAMENALES Concetos Fundamentales Primer Princiio de la ermodinámica Segundo Princiio de la ermodinámica Funciones de Estado Ciclos de Potencia Ciclos de Refrigeración Psicrometría ermodinámica y Mecánica de Fluidos 1.- Grados CONCEPOS en Ingeniería FUNDAMENALES Marina y Marítima D. 1.- Concetos Fundamentales Las trasarencias son el material de aoyo del rofesor ara imartir la clase. No son auntes de la asignatura. Al alumno le ueden serir como guía ara recoilar información (libros, ) y elaborar sus roios auntes Deartamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores érmicos CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es Desachos: ESN 236 / ESII S-3 28 htt://ersonales.unican.es/renedoc/index.htm lfn: ESN / ESII

2 ermodinámica y Mecánica de Fluidos 1.- Grados CONCEPOS en Ingeniería FUNDAMENALES Marina y Marítima D. 1.- Concetos Fundamentales Objetios: El rimer tema de este bloque está destinado a Introducir al estudiante en algunos de los concetos y definiciones fundamentales de alicación en los siguientes temas dedicados a la ermodinámica 1.- Introducción 2.- Sistema ermodinámico 3.- Proiedades de un Sistema 4.- Procesos y Cambios de Estado 5.- Ecuaciones de Estado 1.- Introducción (I) ermodinámica rocede del griego therme (calor) y dynamis (fuerza) ermotecnia es la rama de la ciencia tecnológica que se ocua del control industrial de las alicaciones del calor En ermodinámica lo usual es trabajar con fluidos comresibles (gases y aores)

3 1.- Introducción (II) INGENIERIA Eléctrica Electrónica Mecánica M. Fluidos érmica Procesos Estruc. ermodinámica ermotecnia ermodinámica écnica ermodinámica Química Procesos ermodinámicos Sistemas y Disositios 1.- Sistema ermodinámico (I) Sistema: arte de materia o región sobre la que se fija el estudio Frontera: límites de un sistema Entorno, Ambiente o Medio Circundante: materia o región que rodea al sistema FRONERA ENORNO SISEMA

4 1.- Sistema ermodinámico (II) S I S E M A S Aislados No aislados Simles Comuestos Cerrados Abiertos No intercambian con el entorno ni materia, ni energía Paredes rígidas, adiabáticas e imermeables No cumlen las condiciones anteriores Macroscóicamente homogéneos Isotróicos Sin carga eléctrica Químicamente inertes No están sometidos a camos eléctricos, magnéticos, ni graitatorios No resentan efectos de borde No cumlen las condiciones anteriores No intercambian materia con el entorno Si intercambian materia 1.- Sistema ermodinámico (III) Sistemas Cerrados su masa no aría ej: interior de un cilindro atm. S F Sistemas Abiertos una masa fluye en un olumen ej turbina de aor. S gas Volumen de control continuamente atraesado or una masa

5 1.- Sistema ermodinámico (IV) Rígidas No ermiten moimiento (sin aso de W) F R O N E R A S Móiles Adiabáticas Diatérmanas Permeables Imermeables Permiten moimiento (aso de W) No dejan asar el calor Permiten el aso del calor Permiten el aso de sustancias No ermiten el aso de sustancias Semiermeables Permiten el aso de sustancias hacia un sólo lado de la ared 1.- Sistema ermodinámico (V) Las clasificaciones or Sistemas y Fronteras son indeendientes Un sistema es adiabático cuando sus fronteras lo son, esto es indeendiente de si el sistema es abierto o cerrado Paredes Adiabáticas, térmicamente aisladas, no ermiten aso del calor Sistema Adiabático (térmicamente aislado) sin aorte ni extracción de calor Paredes Elásticas, con moimiento (cilindros, émbolos o membranas) Paredes Inelásticas, sin moimiento Si a > b Sistema A Sistema B Sistema A Sistema B Se muee hasta a = b A B A B Embolo Membrana

6 1.- Sistema ermodinámico (VI) Materia Sistema Abierto Calor Embolo Sistema Cerrado Calor urbina rabajo Entorno rabajo Sistema Aislado Materia urbina aislada Sistema Adiabático rabajo 1.- Sistema ermodinámico (VII) El calor se transmite del sistema de mayor al de menor ª Sistema en Equilibrio ermodinámico: las ariables termodinámicas son uniformes en todo el sistema Entorno Equilibrio térmico (= ª) Equilibrio mecánico (= ) Equilibrio químico (= com.) emeratura Presión Comosición Química iemo de Relajación: el que tarda un sistema, fuera de su estado de equilibrio, en regresar a él

7 1.- Sistema ermodinámico (VIII) Princiio Cero de la ermodinámica: los sistemas tienden de forma natural al equilibrio térmico Sistema 1 Equilibrio térmico Sistema 2 Equilibrio térmico Sistema 3 Equilibrio térmico Entorno 2.- Proiedades de un Sistema (I) Proiedades ermodinámicas: son las magnitudes físicas que describen el estado de un sistema termodinámico Las de carácter uniersal son: Presión emeratura Otras: El olumen esecífico La iscosidad La ermodinámica añade: La energía interna La entalía La entroía, Las roiedades están relacionadas, si se conocen algunas, las otras quedan determinadas f (,,) 0 Z Ec. estado X Y Ln Z Y e...

8 2.- Proiedades de un Sistema (II) Intensias: no deenden de la masa en la que se considera Se nombran con letras minúsculas Presión emeratura Densidad, Extensias: deenden de la masa en la que se considera Se nombrarán con letras mayúsculas Y 2 Exceto la temeratura, ; t es el tiemo Energía Masa Volumen, Y 1 X 1 X 2 Proiedad Intensia X: X = X 1 = X 2 Proiedad Extensia Y: Y = Y 1 + Y 2 = 1 = 2 M = M 1 + M 2 Se diide el sistema en dos artes or una suerficie imaginaria Esecíficas: relatiizan las Extensias diidiendo or la masa V (Volumen) (olumen esecífico) m (masa) 2.- Proiedades de un Sistema (III) Estado: son las roiedades macroscóicas que tiene un Sistema (resión, olumen, y temeratura ) El estado del sistema se uede reresentar or un unto en un diagrama (tíicamente el -V, también - o -, )

9 Identificar las roiedades intensias y extensias, y en éstas establecer los aloresesecíficossilamasaesde75kg a) Unolumende10m 3 b) Una energía cinética de 30J c) Una resión de 90 kpa d) Un esfuerzo de kpa e) Una masa de 75 kg f) Una elocidad de 60 m/s 3.- Procesos de Cambio de Estado (I) Proceso o ransformación: Cuando un sistema cambia de un estado a otro En un roceso la ariación de sus roiedades sólo deende del estado inicial y final, y no de las situaciones intermedias cada unto Santander Aire a 20ºC y 1 bar Lleno un globo de aire La Ec de Estado relaciona lasf (,,) roiedades 0 en Lo traslado a Madrid Aire a 35ºC y 0,9 bar Alcanza las roiedades de Indeendientemente del camino recorrido Para que un sistema cambie de estado es reciso que se roduzca una transferencia de energía con el medio circundante

10 3.- Procesos de Cambio de Estado (II) La Exansión de un sistema (aumento de olumen) sucede cuando la fuerza interior es mayor que la fuerza exterior F S atm.s Ex. atm.s int.s F int.s F Com. Lo contrarío a una exansión es una Comresión (disminución del olumen), sucede cuando la fuerza exterior es mayor a la interior 3.- Procesos de Cambio de Estado (III) Un Sistema cerrado está en Equilibrio cuando el alor de sus roiedades es idéntico en todos sus untos Cuando un sistema cambia de un estado en equilibrio a otro también en equilibrio, los estados intermedios ueden ser, o no, de equilibrio Exansión / Comresión Libre cuando F int >>> F ext los estado intermedios no son de equilibrio Exansión / Comresión Resistida cuando F int F ext los estados intermedios son de equilibrio

11 3.- Procesos de Cambio de Estado (IV) (Pesos 0) Equilibrio F int F ext int.s atm.s F int.s Peso No Equilibrio F int >>> F ext int.s atm.s int.s 3.- Procesos de Cambio de Estado (V) El Calentamiento o Enfriamiento de un sistema se uede considerar como una sucesión de estados en equilibrio oda la masa se calienta Uniformemente (a la ez) La Mezcla de Sistemas no se uede considerar como una sucesión de estados en equilibrio

12 3.- Procesos de Cambio de Estado (VI) ransformaciones ermodinámicas: sucesión de estados or los que asa un sistema cuando se le somete a un cambio Calentar agua de 0 a 50ºC; calentar de 0 a 80 y enfriarlo a 50; 0ºC 10ºC 50ºC 0ºC 80ºC 50ºC Para que haya ransformaciones ermodinámicas es reciso que se roduzca intercambio de energía con el medio exterior La transformación se uede realizar de diferentes modos, cada uno de ellos es un Proceso ermodinámico Calentar con agua caliente, calentar con una resistencia eléctrica, Diagrama de Estado es cualquier reresentación de dos roiedades ermodinámicas de un sistema, un ejemlo tíico es el diagrama Procesos de Cambio de Estado (VII) La reresentación de una ransformación en un Diagrama de Estado: Si los estados intermedios son de equilibrio, una línea Si los estados intermedios no lo son, recta con trazo discontinuo El trabajo deende del camino recorrido Lo traslado a Lleno un globo de aire Alcanza las roiedades de Indeendientemente del camino recorrido Pero el trabajo ara alcanzar las condiciones si deende del camino recorrido

13 3.- Procesos de Cambio de Estado (VIII) Proceso cuasiestático Pasa or una serie de estados de equilibrio termodinámico ya que todos los arámetros del sistema arían de más lentamente que el tiemo de relajación n Z C B A Proceso irreersible Se roduce una onda de resión, or lo que la resión no es la misma en todas artes del sistema y or lo tanto no hay estados de equilibrio 1 n n A 3.- Procesos de Cambio de Estado (IX) Ciclo: el estado inicial y final coinciden En las máquinas térmicas un sistema eoluciona a traés de una serie de transformaciones que se acaban cerrando formando un Ciclo ermodinámico Conocer el Ciclo imlica que las transformaciones sean conocidas (estados intermedios) Para conocer el trabajo desarrollado en el ciclo hay que aroximar las transformaciones reales or transformaciones teóricas (conocidas) Lo traslado a Lleno un globo Alcanza las roiedades de de aire Indeendientemente del camino recorrido En la ida real, aun or la misma carretera, no se conoce con exactitud el camino recorrido, or lo que se ofrece una distancia recorrida media

14 3.- Procesos de Cambio de Estado (X) ransformaciones básicas son: (I) V = cte = cte Isocora a olumen constante ( = cte) se calienta o enfría con límites inelásticos, Peso Isóbaras, a resión constante ( = cte), se calienta o enfría con límites elásticos int.s 3.- Procesos de Cambio de Estado (XI) ransformaciones básicas son: (II) Isotermas, a temeratura constante ( = cte) Gases erfectos : R cte =. = cte Adiabáticas o isoentróicas, sin transferencia de calor, además no debe existir aorte de calor or rozamiento interno (. =cte) γ es el exonente adiabático, f(), No es el eso esecífico Politróicas, son las transformaciones reales (. n =cte) : exonente adiabático: 1,66 en gases monoatómicos 1,40 en gases biatómicos 1,33 en gases triatómicos n : exonente olitróico: -Isócoras, n = -Isóbaras, n = 0 -Isotermas, n = 1 -Adiabáticas, n = aire

15 3.- Procesos de Cambio de Estado (XII) En una exansión adiabática (isoentróica) ª S (Q=0) En una comresión adiabática ª a b > a Si se tienen dos untos de una olitróica se uede determinar el exonente: n cte n se calcula: a n a ln ( n ln ( a b b n b /b) / ) a La masa del émbolo en un disositio de cilindro-émbolo que contiene un gas, es de 60 kg y su área de sección transersal es de 0,07 m 2. La resión atmosférica es 0,95 bar y la aceleración de la graedad 9,81 m/s 2. Determinar la resión dentro del cilindro M = 60 kg int.s

16 Un sistema cerrado contiene 2 kg de un gas el cual exerimenta un roceso durante el cual la relación entre la resión y el olumen es [.V 1,8 = cte]. El roceso comienza con 1 = 3 bar, V 1 = dm 3 y finaliza con V 2 = cm 3. Determinar la resión final, 2,enMPa Calcular el exonente de una olitróica que asa or dos estados teniendo en cuenta que: La relación de olúmenes es ( 2 / 1 = 10) Las resiones son de ( 1 = 16 bar, 2 = 1 bar)

17 Un disositio cilindro-istón contiene 2 kg de N 2 que son comrimidos desde el estado 1, 1 =3atm, 1 = 0,0854 dm 3 /kg, hasta el estado 2, 2 = kpa, 2 =4, m 3 /g. La relación entre la resión y el olumen esecífico durante el roceso es [ n = cte]. Determínar el alor de n 3.- Procesos de Cambio de Estado (XIII) n cte - Isócoras, n = - Isóbaras, n = 0 - Isotermas, n = 1 - Adiabáticas, n = R en los gases ideales R Isoterma en un gas ideal (hiérbolas equiláteras) : exonente adiabático: 1,66 en gases 1at 1,40 en gases 2 at 1,33 en gases 3 at cte kj R 8,314 kmol K R referido a la masa molecular del gas, M kj 8,314 kj R 8,314 kmol K M kgk V MR M Aire 28,964 Sustancia M (kg/kmol) R (J/kg K) H 2 2, ,4 O ,83 H 2 O 18, ,52 C 12, ,26 kg kmol n = ( = cte) R Aire n = -1 n = (s = cte) kj 0,287 kgk n = 0 ( =cte) n = 1 ( = cte)

18 La relación entre y : La relación entre y olumen: 3.- Procesos de Cambio de Estado (XIV) Politróica en un gas ideal La relación entre y : cte n R n 1 n a b a b 1 n b a a b n b a a b R R M V Analizar dimensionalmente las exresiones:

19 Se comrime aire adiabáticamente desde 1 bar y 27ºC hasta 20 bar Calcular la temeratura final y la relación de olúmenes 4.- Ecuaciones de Estado (I) Una sustancia ura uede estar en tres estados, y uede cambiar de uno a otro: sólido (S) líquido (L) gaseoso o aor (V) f(,,) 0 Presión S Líquido Gas ideal : R Los cambios de fase se ueden reresentar en un diagrama V =cte Curas de fusión, aorización o sublimación Las curas conergen en el to trile S-V c

20 C 1.- C CONCEPOS FUNDAMENALES D D F 4.- Ecuaciones de Estado (II) C D P B E F P A E H B G Presión B E F A V G H A G H A B E C D F G V H 4.- Ecuaciones de Estado (III) El cambio de líquido a gas se uede realizar: P Progresiamente, asando or una fase de aor húmedo Instantaneamente, de líquido a gas L G Pto. Cto. El aso rogresio atraiesa la zona de aor húmedo, que está limitada or las curas de: L-V V >c c líquido saturado y aor saturado <c Los ciclos de algunas máquinas trabajan en la zona de aor húmedo (turbinas de aor, o las de refrigeración or comresión, )

21 4.- Ecuaciones de Estado (IV) P La Isoterma Crítica, marca una diferencia entre la zona de aor sobrecalentado y de gas Pto. Cto. L L-V G V >c c <c Se llama gas a la fase que no se uede licuar sin bajar la temeratura. Los motores de combustión y las turbinas de gas trabajan en esta zona Se llama aor sobrecalentado o aor recalentado alafaseenlaque a ª cte se uede llegar a condensar 4.- Ecuaciones de Estado (V) P a P a P a P a Líquido Vaor Líquido Vaor saturado seco Vaor recalentado

22 4.- Ecuaciones de Estado (VI) abla con las roiedades del líquido Liq. Sat. Liq. Vaor húmedo Vaor Va. Sat. ablas con las roiedades del aor Vaor húmedo: m m liq liq m a a m m liq m a m x (título aor) m a liq x ( a liq ) 4.- Ecuaciones de Estado (VII) cte x = 0 x = 1 L-V x 1 x 2 > x 1 x 3 > x 2 x 4 > x 3 1 kg aor húmedo x kg = + aor saturado seco 1 x líquido saturado

23 4.- Ecuaciones de Estado (VIII) Proiedades del agua líquida Ojo al 10 6 emeratura (ºC) Densidad (kg/m 3 ) Calor Esecífico c (J/kgºC) Conducti. térmica k (W/mºC) Visc. dinám (N.seg/m 2 ) Visc. cinem (m 2 /seg) 0 999, , , , , , , , ,0 0, , , ,0 0, , , ,7 0, , , ,0 0, , , ,2 0, , , ,5 0, , , ,0 0, , , ,5 0, , ,543 94,1 0,132 η a 300ºC = 94,1 x Ecuaciones de Estado (IX) Proiedades del agua saturada (líquido-aor) Volumen esecifico Energía interna Entalía Entroía m 3 / kg kj / kg kj / kg kj / kg K Liquido Vaor Liquido Vaor Liquido Vaor Liquido Vaor em, Presión sat, sat, sat, sat, sat, aoriz, sat, sat, sat, ºC bar f x 10 3 g u f U g h f h fg h g s f s g,01 0, , ,136 0, ,3 0, ,3 2501,4 0,0000 9, , , ,379 42, ,2 42, ,7 2519,8 0,1510 8, , , ,791 83, ,9 83, ,1 2538,1 0,2966 8, , , , , ,6 125, ,5 2556,3 0,4369 8, ,1235 1, , , ,5 209, ,7 2592,1 0,7038 8, ,014 1,0435 1, , ,5 419, ,0 2676,1 1,3069 7, ,54 1,1565 0, , ,3 852, ,7 2793,2 2,3309 6, ,14 220,9 3,155 0, ,6 2029,6 2099, ,3 4,4298 4,4298 -

24 4.- Ecuaciones de Estado (X) Proiedades del aor seco u h s C m 3 /kg kj / kg kj / kg kj / kg K = 1,0 bar = 0,10 MPa (sat = 99,63 C) Sat 1, ,1 2675,5 7, , ,7 2676,2 7, , ,3 2716,6 7, , ,8 2796,2 7, , ,1 2875,3 7, , ,6 3034,2 8, , ,5 3114,6 8, , ,2 3195,9 8, , ,9 3278,2 8, , ,6 3488,1 8, Ecuaciones de Estado (XI) Sustancia k (ºC) k (bar) k (kg/m 3 ) O 2-118,4 50,8 410 H 2 O 347,15 221,2 310 CO -140, NH 3 132,3 112,8 235 En los Gases Reales la ecuación de estado es: Z R Z el factor de comresión (1 en los ideales) A altas ª se comortan como ideales Se llaman Magnitudes Reducidas a los alores del un estado diididos or los del unto crítico r k ; r k ; r k

25 Por último, MUCHO OJO A En ermodinámica la ª se exresa en grados Kelin: K º C 273 Se trabaja con las resiones absolutas en Pa abs man atm [Pa] atm 100 kpa Si se quisiera trabajar en ºC: sustituir or 273 R R Si se quisiera trabajar en bar: sustituir or R 10 5 R 273 n cte 10 5 n cte Ningún libro de ermo lo hace Recordando el conceto de Presión Presión, Pascal: (F / Suerficie) [N/m 2 ] En el interior de un fluido se transmite igual en todas las direcciones Se ejerce erendicularmente a las suerficies que lo contienen ios de Presión: Atmosférica; atm (niel del mar y 0ºC) = 1,013 bar Absoluta; abs (>0) Relatia; rel (>-1bar; si <0 P de acío) abs rel atm + rel atm 1bar abs 0 1 Medida de la Presión: Manómetos: P relatias ositias Vacuómetro: P relatias negatias 50

26 Recordando el conceto de Presión La resión ejercida or una columna de fluido gh atm abs atm rel A h P. Absoluta P. Relatia abs A rel A atm gh gh Pa (N/m 2 ) atm bar kg/cm 2 P = F/S son kg f 1 kg f = M.g =1 kg. 9,8 m/s 2 = 9,8 N P = kg f / cm 2 = 9,8 N / 10-4 m 2 = 9, Pa 1 kg/cm 2 9, Pa Un gas erfecto que está contenido en un reciiente de aredes inelásticas; un termómetro marca una temeratura de 35ºC y un manómetro una resión de 3 kg/cm 2. Cuál será su resión manométrica en m.c.agua si se le somete a calentamiento hasta que alcanza 80ºC

27 En un ciclo de refrigeración or comresión el refrigerante (CO 2 ) sale del eaorador y entra al comresor a una resión de 0,8 bar. A la salida del comresor la resión manométrica es de 0,75 MPa. La resión atmosférica es de 92 kpa. Determinar el cambio en la resión absoluta entre la entrada y la salida, en atm Variación de olumen de 1 kg de agua líquida al eaorar a una de: 10ºC 100ºC 200ºC Volumen esecifico m 3 / kg Liquido Vaor em. Presión sat, sat, ºC bar f x 10 3 g,01 0, , , , , , , , , , , , ,1235 1, , ,014 1,0435 1, ,54 1,1565 0, ,14 220,9 3,155 0,003155

28 Cuatro kg de agua se calientan a 50ºC hasta obtener una mezcla con un título de aor del 80%. Calcular el olumen final de la mezcla Volumen esecifico m 3 / kg Liquido Vaor em. Presión sat, sat, ºC bar f x 10 3 g 50 0,1235 1, ,032 Un neumático de 0,6 m 3 se infla hasta una resión manométrica de 200 kpa, calcular la masa de aire en el neumático si la temeratura es de 20ºC Nm R aire 287 kgk

29 La figura muestra un flujo de aor de agua que asa or una álula y entra en una turbina que acciona un generador eléctrico. La masa sale de la turbina con un flujo másico de 10 kg/s a) conertir el flujo másico a kmol/h b) exresar 2 en MPa bar 2 c) exresar 1 en K d) exresar en bar 1 420º C kpa 1