GASES IDEALES, REALES, MEZCLAS 3.1 El gas ideal o perfecto. Ecuación de estado para los gases ideales. Superficie de estado para el gas ideal.

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1 Programa Analítico de: TERMODINÁMICA TÉCNICA Especialidad: INGENIERIA ELECTROMECANICA Nivel: Tercer año. UNIDAD I CONTENIDOS IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA Termodinámica y Energía. Origen de la termodinámica. Las primeras máquinas térmicas. Breve reseña histórica. Modernas aplicaciones de la termodinámica. Definiciones: Sistema, Medio Ambiente, Límites del sistema, Universo Termodinámico. Criterios de enfoque. Clasificación de Sistemas y Límites. Concepto y definición de equilibrio termodinámico. Propiedades, parámetros, estado, evolución. Clasificación de propiedades. Clasificación de evoluciones o transformaciones. Energía y potencia. Definiciones y unidades. Formas de energía. Energía en transferencia y energía contenida. 1.5 Principio Cero de la Termodinámica. Transmisión del calor. Conducción. Convección. Radiación. Unidades más usuales en Termodinámica. II PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 2.1 Definición y comportamiento. Diagramas pv; pt y Tv de una sustancia pura. Superficie pvt de la sustancia pura. Postulado de estado. 2.2 Estados de agregación: Fase vapor, Fase líquida y Fase sólida. Vapor saturado, vapor saturado húmedo, vapor sobrecalentado, líquido saturado, líquido comprimido. Fluidos supercríticos 2.3 Presión de vapor, temperatura de saturación. Título o calidad de un vapor húmedo. 2.4 Tablas de propiedades de las sustancias puras. III GASES IDEALES, REALES, MEZCLAS 3.1 El gas ideal o perfecto. Ecuación de estado para los gases ideales. Superficie de estado para el gas ideal. 1.

2 3.2 Mezclas de gases ideales. Leyes de Amagat y Dalton. Propiedades de una mezcla de gases ideales. 3.3 El gas real. Ecuación de Van der Waals. Otras ecuaciones de estado para gases reales. Ley de los estados correspondientes. Factor de compresibilidad. 3.4 Mezclas de gases reales. Propiedades de las mezclas de gases reales. Parámetros pseudocríticos y pseudoreducidos. Factor de compresibilidad de una mezcla de gases reales. Regla de Kay. IV CALOR. TRABAJO. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS CERRADOS 4.1 CALOR Definición. Breve reseña histórica. Concepto. Capacidad calorífica. Calor específico. Calor específico verdadero o instantáneo, calor específico medio, variabilidad de los calores específicos. Cálculo de los calores intercambiados entre sistema y medio ambiente. Signos. Tablas. Principio Cero de la Termodinámica. Transmisión del Calor. Conducción. Convección. Radiación. 4.2 TRABAJO Definición. Concepto. Cálculo del trabajo transferido entre sistema y medio para distintos tipos de sistemas. Representación gráfica. Signos. 4.3 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Su enunciación experimental. Formulación matemática para un sistema cerrado. Energía Interna y energía total.. Propiedades. Energía Interna de un gas ideal. Aplicación del primer principio para distintos tipos de evoluciones. Balance de energía de un sistema cerrado. Simplificaciones para sistemas en estado estacionario, procesos adiabáticos, procesos isocóricos, etc. V 5. 1 Trabajo de circulación PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS ABIERTOS 5. 2 Entalpía. Propiedades. Entalpía para un gas ideal Balance de energía para sistemas abiertos. Simplificaciones para sistemas en estado estacionario, procesos adiabáticos, procesos isocóricos, etc. Aplicación del primer principio para sistemas abiertos a distintos dispositivos comunes en ingeniería. Caldera, tobera, turbina, compresor, recipiente que se llena, recipiente que se vacía, etc. 2.

3 5.4 Transformaciones cuasiestáticas de sistemas constituidos por un gas ideal. VI 5.5 Móvil perpetuo de primera especie SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 6.1 Generalidades. Enunciados. Reversibilidad e irreversibilidad en distintos procesos. Generalización a las transformaciones reales. 6.2 Ciclos reversibles. Ciclo de CARNOT. Escala de temperaturas absoluta 6.3 Máquina térmica y frigorífica reversible. Rendimiento del Ciclo de Carnot. Teorema de CARNOT sobre el rendimiento de las máquinas térmicas. Corolarios del teorema de CARNOT. ENTROPÍA VII 7. 1 Teorema de CLAUSIUS. Formulación matemática del Segundo Principio Entropía. Propiedades. Entropía para procesos ideales y reales. Entropía e irreversibilidad. El segundo principio como Principio de Aumento de la Entropía. Balance de entropía en sistemas cerrados y abiertos. La entropía como probabilidad de estados termodinámicos. Cálculo de la Entropía para gases ideales. Móvil perpetuo de segunda especie 7. 3 Diagramas entrópicos para gases ideales y vapores. Aplicaciones. VIII EXERGÍA 8.1 Concepto y definiciones. Importancia. Determinación de la Exergía de una fuente térmica y de un cuerpo respecto de la atmósfera. Casos particulares. 8.2 Exergía de un sistema cerrado. 8.3 Exergía de un sistema abierto en flujo estable. 8.4 Balance de exergía en sistemas cerrados y abiertos. Rendimiento exergético de las instalaciones. CICLOS DE MOTORES DE GAS 9. 1 Nociones elementales sobre combustibles y combustión. Definición de poder calorífico de un combustible. 3.

4 IX 9. 2 Estudio termodinámico de los ciclos ideales de aire y teóricos de aire combustible. Determinación del rendimiento térmico y aplicaciones. 9.3 Ciclo OTTO. Ciclo DIESEL. Ciclo MIXTO, SEMIDIESEL o SABATHE. Ciclo BRAYTON. Aplicaciones de en potencia y aeronáuticas. Representación en los planos p-v y T-s. CICLOS DE MÁQUINAS DE VAPOR X 10.1 Ciclo de Carnot para fluidos condensables. Rendimiento del ciclo y relación de trabajo Ciclo de Rankine. Instalación necesaria para describirlo. Rendimiento termodinámico. Mejoras que se introducen para aumentar su eficiencia. Ciclo con sobrecalentamiento. Ciclo con doble expansión y recalentamiento intermedio. Ciclo regenerativo. Ciclo con extracciones múltiples. Representación gráfica en el diagrama T - s y h - s. XI CICLOS DE REFRIGERACIÓN O FRIGORÍFICOS 11.1 Ciclos frigoríficos con dos y tres fuentes térmicas. Bomba de calor. Ciclo inverso de Carnot. Efecto frigorífico y efecto calorífico. Coeficiente de efecto frigorífico y calorífico. Ciclo en régimen seco Mejoras para aumentar la eficiencia. Ciclo con doble compresión y refrigeración intermedia. Ciclo con subenfriamiento o de doble expansión. XII AIRE HÚMEDO 12.1 Definición y usos. Composición. Propiedades que lo definen. Humedad absoluta. Humedad absoluta máxima. Grado de saturación. Presión relativa. Entalpía. Temperatura de bulbo húmedo. Psicrómetro. Temperatura de saturación adiabática. Temperatura de rocío Diagrama Psicrométrico. Diagrama entálpico Procesos con aire húmedo. Mezclas de aire húmedo. 4.

5 PROGRAMA DE EXÁMEN: BOLILLA I: El gas real. Ecuación de Van der Waals. Ley de los estados correspondientes. Balance de energía para sistemas abiertos. Aplicación para distintos dispositivos comunes en ingeniería: Caldera, tobera, turbina, compresor, intercambiador de calor. Mejoras para aumentar la eficiencia en un ciclo de refrigeración. Ciclo con doble compresión y refrigeración intermedia. Ciclo con subenfriamiento o de doble expansión. BOLILLA II: Formas de Transmisión del calor. Criterios de enfoque. Vapor saturado, vapor saturado húmedo, vapor sobrecalentado, fluido supercrítico. Mezclas de gases ideales. Leyes de Amagat y Dalton. Primer Principio para sistemas cerrados: Simplificación para estado estacionario, proceso adiabático, proceso isocórico. Ciclo de Carnot. Representación para un fluido condensable y para un gas. Teorema de CARNOT sobre el rendimiento de las máquinas térmicas. Principios o Corolarios del Teorema de CARNOT. Determinación de la Exergía de una fuente térmica. BOLILLA III: Diagramas pv; pt y Tv de una sustancia pura. El gas ideal o perfecto. Ecuación de estado para los gases ideales. Calor: Definición. Concepto. Capacidad calorífica. Calor específico. Energía Interna de un gas ideal. Cálculo de la Entropía para gases ideales. Estudio completo del ciclo OTTO. Ciclos frigoríficos con dos y tres fuentes térmicas. Aire húmedo: Definición y usos. Composición. Propiedades que lo definen. Diagramas BOLILLA IV: Ecuaciones de estado para gases reales. Entalpía: Propiedades. Entalpía de los gases ideales. Segundo Principio de la Termodinámica: Generalidades. Enunciados. Rendimiento exergético de las instalaciones. Poder calorífico de un combustible. Ciclo de Rankine. Instalación necesaria para describirlo. Rendimiento termodinámico del ciclo, y estrategias para su mejora. Ciclo de refrigeración con doble compresión y refrigeración intermedia. BOLILLA V: Tablas de propiedades de las sustancias puras. Parámetros pseudocríticos y pseudoreducidos. Factor de compresibilidad de una mezcla de gases reales. Formulación matemática del Primer Principio para un sistema cerrado. Aplicación a distintos sistemas. Entalpía para un gas ideal. Entropía e irreversibildad. Exergía: Concepto y definiciones. Importancia. Balance de exergía para sistemas cerrados y abiertos. Estudio completo de un Ciclo DIESEL. Ciclo de vapor regenerativo. Ciclo con extracciones múltiples. Ciclo inverso de Carnot. Efecto frigorífico y efecto calorífico. Entalpía del aire húmedo. 5.

6 BOLILLA VI: Superficie pvt de la sustancia pura, líquido saturado, líquido comprimido. Mezclas de gases reales. Factor de compresibilidad. Calor específico verdadero o instantáneo, calor específico medio. Entropía: Teorema de CLAUSIUS. Formulación matemática del Segundo Principio. Estudio completo del Ciclo MIXTO, SEMIDIESEL o SABATHE. Ciclos de maquinas de vapor: Ciclo de Carnot para fluidos condensables. Rendimiento del ciclo y relación de trabajo. Máquinas frigoríficas: Coeficiente de efecto frigorífico y calorífico. BOLILLA VII: Presión de vapor, temperatura de saturación. Propiedades de las mezclas de gases reales. Parámetros pseudocríticos y pseudoreducidos. Factor de compresibilidad de una mezcla de gases reales. Regla de Kay. Variabilidad de los calores específicos. Entropia. Propiedades. Entropía para procesos ideales y reales. Balance de entropía para sistemas cerrados y abiertos. Entropía de gases ideales. Exergía de un sistema cerrado. Mejoras que se introducen para aumentar la eficiencia de un ciclo de RANKINE. Ciclo frigorífico en régimen seco. Mejoras para aumentar la eficiencia. Humedad absoluta. Humedad absoluta máxima. Grado de saturación. Presión relativa. BOLILLA VIII: Propiedades de las Sustancias Puras: Definición y comportamiento. Postulado de estado. Superficie de estado para el gas ideal. Reversibilidad e irreversibilidad en distintos procesos. Generalización a las transformaciones reales. Exergía de un sistema abierto en flujo estable. Estudio completo del Ciclo BRAYTON. Representación en los planos p-v y T-s. Ciclo RANKINE con doble expansión y recalentamiento intermedio. Temperatura de bulbo húmedo. Psicrómetro. Temperatura de saturación adiabática. Temperatura de rocío. BOLILLA IX: Propiedades de una mezcla de gases ideales. El segundo principio como Principio de Aumento de la Entropía. Escala de temperaturas absoluta. Diagramas entrópicos para gases ideales y vapores. Aplicaciones. Ciclo frigorífico con subenfriamiento o de doble expansiónprocesos con aire húmedo. Diagrama Psicrométrico. Diagrama entálpico. Mezclas de aire húmedo. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA TERMODINÁMICA YUNUS CENGEL - MICHAEL A. BOLES MCGRAWHILL FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA- M.J MORAN, H.N SHAPIRO. WILEY TERMODINÁMICA - KENNET WARK - DONALD E. RICHARDS. MC GRAWHILL TERMODINÁMICA - KENNET WARK JR MC GRAWHILL INGENIERÍA TERMODINÁMICA - J.B.JONES - R.E. DUGAN. PRENTICE HALL TERMODINÁMICA TÉCNICA - PEDRO FERNÁNDEZ DÍEZ, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA 6.

7 LISTADO DE TRABAJOS PRACTICOS TRABAJO PRÁCTICO Nº 1: SUSTANCIAS PURAS Se resolverán problemas previamente seleccionados con aplicación a sustancias puras de uso común en ingeniería, mediante la utilización de tablas de propiedades, determinando valores de P sat, T sat, v sat, condición del sistema y cálculo de calidad de un vapor húmedo. TRABAJO PRÁCTICO Nº 2: GASES IDEALES Y REALES Se resolverán problemas en los que intervienen gases y sus mezclas, practicando el uso de ecuaciones de estado y gráficos de compresibilidad generalizados. TRABAJO PRÁCTICO Nº 3: CALOR - TRABAJO - 1º PRINC. SISTEMA CERRADO Se resolverán problemas en los que intervienen dispositivos y sistemas de uso corriente, calculando valores de trabajo y calor intercambiados entre sistema y medio. Determinación de variaciones de energía interna del sistema para algunos procesos comunes y frecuentes en la realidad. Se resolverán problemas que involucren cálculos de variación de la energía interna generalizada de un sistema cerrado (masa de control) en diversos procesos, para familiarizarse con el principio de conservación de la energía TRABAJO PRÁCTICO Nº 4: 1º PRINC. SISTEMA ABIERTO Se resolverán problemas considerando sistemas que fluyen en régimen estable y no estable aplicando la ecuación general de la energía a un volumen de control en dispositivos o instalaciones que pueden observarse en la realidad. Turbinas, compresores, toberas, recipientes que se llenan o descargan, etc. TRABAJO PRÁCTICO Nº 5: 2º PRINC. - ENTROPÍA Se resolverán problemas con determinación de variación de entropía para diversos procesos. Sólido que se enfría. Líquidos que se enfrían o calientan a presión constante o a volumen constante. Gases que evolucionan entre dos estados. Transformación de calor en trabajo. Etc. TRABAJO PRÁCTICO Nº 6: EXERGÍA Cálculo de la Exergía de un cuerpo y de una fuente respecto de la atmósfera y determinación del rendimiento exergético de algunos procesos. TRABAJO PRÁCTICO Nº 7: CICLOS DE MOTORES C. I. Cálculo de parámetros del sistema que describe un ciclo, con determinación de trabajo, potencia, cantidades de calor transferidas y rendimiento termodinámico de un ciclo teórico aire combustible con análisis básico de la combustión en el cilindro de un motor de combustión interna. Representación gráfica en un diagrama entrópico a calores específicos variables con la temperatura. 7.

8 TRABAJO PRÁCTICO Nº 8: CICLOS DE VAPOR Determinación del trabajo obtenido de un ciclo de Rankine, con sobrecalentamiento. Esquema de la instalación con identificación de los elementos que la componen. Determinación del calor recibido en la caldera y entregado en el condensador. Rendimiento teórico. Representación gráfica en un diagrama entálpico-entrópico o T; v; h; s. TRABAJO PRÁCTICO Nº 9: CICLOS DE REFRIGERACIÓN Ciclos de Refrigeración. Cálculo de parámetros del sistema que describe un ciclo, con determinación de trabajo y potencia consumidos, cantidades de calor transferidas en los distintos componentes. Cálculo del COP. Uso del diagrama h-s. Ciclos de una etapa, ciclos en cascada, ciclos con refrigeración intermedia, ciclos de absorción. Bombas de calor. TRABAJO PRÁCTICO Nº 10: AIRE HÚMEDO Resolución de problemas en los que interviene el aire húmedo. Determinando sus propiedades a partir de dos conocidas, analíticamente con verificación gráfica de los valores calculados, haciendo uso de los diagramas Psicrométrico y de Molliere. Visitas a: CTM. Centrales Térmicas Mendoza (a confirmar según disponibilidad de la empresa). CATEDRA: Alejandro Pablo Arena,.Erica Correa, Teresa Rauek, Gustavo Pulenta. 8.