SEDE BOGOTÁ FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MECATRÓNICA SECCIÓN DE INGENIERÍA TÉRMICA

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1 1/11 SEDE BOGOTÁ FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Y MECATRÓNICA SECCIÓN DE INGENIERÍA TÉRMICA Programa de asignatura II Asignatura Termodinámica Técnica Código (3 grupos) Modalidad Teórica Intensidad (presencial) 4 h / semana, 64 h / semestre Sesiones por semana 1 magistral y 1 de talleres de 2 horas c/u Créditos académicos 3 (1 CA: 48 horas / semestre) Requisitos Principios de Química (Código SIA: ) Ubicación en plan de estudios Cuarto semestre Profesor: Alexánder Gómez 1. Descripción del curso En este curso se estudian los fundamentos de la termodinámica clásica y su aplicación en el análisis de sistemas técnicos para su optimización energética y la solución de los problemas asociados. Se sigue un enfoque macroscópico (o fenomenológico) para el estudio de los procesos de transformación y uso de la energía, que incluye el principio de conservación de la energía o primera ley de la termodinámica; el principio de la asimetría en los procesos de transformación de la energía o segunda ley de la termodinámica; las propiedades termodinámicas de las sustancias puras y de las mezclas de gases y de gases y vapor (aire húmedo). A partir de estos elementos se analiza el desempeño y la eficiencia energética mediante el análisis de exergía (trabajo disponible) de sistemas técnicos para la generación de potencia con turbinas de vapor y de gas; con motores de combustión interna y de sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire.

2 2/11 2. Objetivos Objetivo general: Estudiar los fundamentos teóricos de la termodinámica técnica para explicar los procesos de transformación y uso de la energía y brindar soporte en las labores de diseño, desarrollo y optimización de los sistemas técnicos asociados a estos procesos. Objetivos específicos: Explicar las leyes fundamentales de la termodinámica que rigen los procesos de transformación de la energía y el comportamiento de las sustancias puras de trabajo. Explicar el comportamiento termodinámico de las sustancias puras y las mezclas de gases y de gases y vapor de agua (aire húmedo). Explicar los procesos (ciclos) termodinámicos empleados en la transformación y uso de la energía y las características técnicas que determinan su eficiencia energética en función de las propiedades termodinámicas de las sustancias de trabajo. Relacionar los fundamentos teóricos de la termodinámica técnica con el diseño, desarrollo y optimización energética de dispositivos, equipos y procesos utilizados en la transformación de la energía. 3. Contenido resumido Capítulos Semanas 1. Procesos transformación de la energía y su análisis Primera ley de la termodinámica Segunda ley de la termodinámica, entropía y exergía Propiedades termodinámicas de la materia Ciclos de generación de potencia con motores de combustión interna Ciclos de generación de potencia con turbinas de gas Ciclos de generación de potencia con vapor de agua Ciclos de refrigeración y bomba de calor 15.

3 3/11 4. Contenido detallado Capítulo 1.: Procesos de transformación de la energía y su análisis Semana: Introducción 1.1 Formas de la energía Energía mecánica Energía interna Calor y trabajo 1.2 Análisis termodinámicos Sistemas termodinámicos Primera ley de la termodinámica Segunda ley de la termodinámica 1.3 Propiedades termodinámicas de la materia Representación gráfica de Propiedades intensivas, extensivas, específicas equipos y dispositivos 1.4 Sistemas técnicos de transformación Sistemas de generación de potencia Identificación de sistemas Sistemas de calentamiento y enfriamiento termodinámicos 1.5 Procesos termodinámicos Estado termodinámico Manejo de dimensiones y Cambios de estado, procesos y ciclos unidades (SI) Ecuación de estado y principio de estado Equilibrio termodinámico 1.6 Temperatura y equilibrio térmico Ley cero de la termodinámica Energía cinética molecular y la temperatura Temperatura empírica 1.7 Dimensiones y unidades 1.8 Resumen Capítulo 2.: Primera ley de la termodinámica Semana: Introducción 2.1 Variación de energía total en sistemas termodinámicos Variación de energía por transferencia de calor Variación de energía por transferencia de trabajo Trabajo volumétrico 2.2 Ecuación general de balance Análisis de sistemas Balance de masa en sistemas no reactivos termodinámicos a través de la Ecuación general de balance de energía primera ley de la Energía asociada al transporte de masa termodinámica Entalpía 2.3 Balance de energía para sistemas abiertos 2.4 Balance de energía para sistemas cerrados 2.5 Balance de energía para sistemas aislados

4 4/11 Capítulo 2.: Primera ley de la termodinámica Semana: Primera ley para procesos de flujo estacionario Compresores Turbinas Toberas y difusores Dispositivos de estrangulamiento Análisis de sistemas Bombas termodinámicos a través de la Intercambiadores de calor primera ley de la 2.7 Eficiencia térmica termodinámica 2.8 Calorimetría Calores específicos a volumen y a presión constante Calores específicos de líquidos y sólidos 2.9 Resumen Capítulo 3.: Segunda ley de la termodinámica, entropía y exergía Semana: Introducción 3.1 Procesos reversibles e irreversibles 3.2 Formulación general de la segunda ley 3.3 Entropía Análisis de sistemas Transferencia y generación de entropía termodinámicos a través de la Balance de entropía para sistemas abiertos segunda ley de la Balance de entropía para sistemas cerrados termodinámica Principio del aumento de entropía en sistemas aislados Eficiencia isoentrópica Capítulo 3.: Segunda ley de la termodinámica, entropía y exergía Semana: Análisis de exergía Exergía del calor Exergía del trabajo Exergía de flujos de másicos Destrucción de exergía Análisis de exergía de Exergía de sistemas abiertos sistemas termodinámicos Exergía de sistemas cerrados Exergía de sistemas aislados Eficiencia exergética

5 5/11 Capítulo 3.: Segunda ley de la termodinámica, entropía y exergía Semana: Análisis termodinámico de procesos de flujo estacionario Trabajo de flujo Energía disipada Procesos de flujo Compresores Turbinas Análisis de exergía de Toberas y difusores sistemas termodinámicos Dispositivos de estrangulamiento Bombas Intercambiadores de calor 3.6 Resumen Capítulo 4.: Propiedades termodinámicas de la materia Semana: Introducción 4.1 Propiedades térmicas Superficies p-v-t de sustancias puras Análisis de cambios de estado Proyecciones de las superficies p-v-t de sistemas termodinámicos 4.2 Propiedades termodinámicas de las sustancias puras operando con vapor de agua y Zona de vapor húmedo manejo de tablas de vapor Vapor sobrecalentado Líquidos y sólidos 4.3 Relaciones matemáticas entre propiedades termodinámicas Capítulo 4.: Propiedades termodinámicas de la materia Semana: 8. Magistral: Miércoles 7:00 9:00 am 4.4 Modelo de gases ideales Análisis de cambios de estado Ecuación térmica de estado simples en procesos con Ecuación calórica de estado gases ideales: isocórico; Cambios de estado simples isobárico; isotérmico; adiabático; politrópico Capítulo 4.: Propiedades termodinámicas de la materia Semana: 9. Magistral: Miércoles 7:00 9:00 am Ciclo de Carnot para gases ideales Entropía de los gases ideales 4.5 Modelo de sustancias incompresibles Análisis por la segunda ley de 4.6 Escala termodinámica de temperatura sistemas termodinámicos con Termómetro de gas cambios de estado operando Escala de temperatura de gas con vapor de agua o gases 4.7 Tercera ley de la termodinámica ideales 4.8 Ecuaciones fundamentales de la termodinámica Energía libre específica o función de Helmholtz Entalpía libre específica o función de Gibbs

6 6/11 Capítulo 4.: Propiedades termodinámicas de la materia Semana: 10. Magistral: Miércoles 7:00 9:00 am 4.9 Gases reales Propiedades termodinámicas reducidas Factor de gases reales o de compresibilidad Análisis por la segunda ley de Gráfica generalizada de gases reales o de compresibilidad sistemas termodinámicos Ecuaciones de estado para gases reales operando con gases reales o 4.10 Mezclas de gases ideales mezclas de gases ideales Modelo de Amagat Modelo de Dalton Propiedades termodinámicas Capítulo 4.: Propiedades termodinámicas de la materia Semana: 11. Magistral: Miércoles 7:00 9:00 am 4.11 Mezclas ideales de gas-vapor (aire húmedo) Mezclas saturadas y no saturadas Humedad específica Humedad relativa Temperatura de rocío Análisis por la segunda ley Volumen específico del aire húmedo de sistemas termodinámicos Entalpía específica del aire húmedo operando con mezclas de Entropía específica del aire húmedo aire-vapor (aire húmedo; Temperatura de saturación adiabática psicrometría) Temperaturas de bulbos seco y húmedo Diagrama psicrométrico Sistemas técnicos de acondicionamiento de aire 4.12 Resumen Capítulo 5: Ciclos de potencia con motores de combustión interna Semana: 12. Magistral: Miércoles 7:00 9:00 am 5.0 Introducción 5.1 Ciclos Otto ideal y real 5.2 Análisis termodinámico del ciclo Otto 5.3 Ciclos Diesel ideal y real Análisis termodinámico de 5.4 Análisis termodinámico del ciclo Diesel ciclos de potencia con 5.5 Análisis termodinámico del ciclo Seiliger o dual motores de combustión 5.6 Optimización térmica de los ciclos de MCI* interna 5.7 Motores de combustión interna rotativos (Wankel) 5.8 Resumen *MCI: Motores de combustión interna

7 7/11 Capítulo 6.: Ciclos de potencia con turbinas de gas Semana: 13. Ejercicios: Jueves (clase) 6.0 Introducción 6.1 Ciclos Joule-Brayton ideal y real 6.2 Análisis termodinámico del ciclo Joule-Brayton 6.3 Optimización térmica del ciclo Joule-Brayton Análisis termodinámico de Regeneración ciclos de potencia con Interenfriamiento turbinas de gas Recalentamiento 6.4 Ciclo Joule-Brayton de propulsión 6.5 Ciclo Ericsson 6.6 Resumen Capítulo 7.: Ciclos de potencia con turbinas de vapor Semana: Introducción 7.1 Ciclos Clausius-Rankine ideal y real 7.2 Análisis termodinámico del ciclo Clausius-Rankine 7.3 Optimización térmica del ciclo Clausius-Rankine Aumento de presión en el generador de vapor Análisis termodinámico de Sobrecalentamiento ciclos de potencia con turbinas Recalentamiento de vapor de agua Regeneración (precalentamiento del agua) Disminución de presión en el condensador Cogeneración de energía térmica y potencia 7.4 Ciclo combinado con turbinas de gas y vapor 7.4 Resumen Capítulo 8.: Ciclos de refrigeración y bomba de calor Semana: Introducción 8.1 Ciclos de refrigeración por compresión de vapor (CV) 8.2 Análisis termodinámico de ciclos de refrigeración por CV 8.3 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CV Análisis termodinámico de 8.4 Ciclos de refrigeración por compresión de gas (CG) ciclos de refrigeración por 8.5 Análisis termodinámico de ciclos de refrigeración por CG compresión de gas o de vapor 8.6 Optimización térmica de ciclos de refrigeración por CG y de ciclos de bombas de 8.7 Ciclos de refrigeración por absorción calor 8.8 Ciclos de bomba de calor 8.9 Ciclos duales de enfriamiento y bomba de calor 8.10 Sustancias refrigerantes 8.11 Resumen

8 8/11 5. Metodología Las actividades del curso están diseñadas para promover y facilitar el aprendizaje centrado en el estudiante; se busca que el estudiante utilice los fundamentos teóricos de la termodinámica técnica en el análisis y solución de problemas de sistemas técnicos característicos de la ingeniería térmica. El estudiante debe preparar previamente a cada clase el contenido que se desarrollará en ella, lo que permitirá la discusión y solución de dificultades en clase. El curso ofrece el apoyo del aula virtual del sistema Blackboard, al que puede acceder todo estudiante inscrito en la asignatura mediante su identificación personal y clave de ingreso registrados ante la Universidad. En este sistema se encuentran disponibles los archivos de las presentaciones realizadas durante el curso; las notas de clase; los ejercicios propuestos y resueltos e información complementaria a la asignatura en todas las áreas estudiadas. También se ofrece la posibilidad de usar los foros de discusión, que permiten formular preguntas y respuestas durante todo el desarrollo del curso. Las siguientes actividades deben permitir una preparación adecuada del contenido del curso: Actividad Anterior a la clase magistral: Lectura de las notas de clase y la presentación, según los archivos correspondientes (en el sistema Blackboard). En la clase magistral: Presentación de los conceptos teóricos fundamentales por parte del profesor y discusión con los estudiantes. Después de la clase magistral y anterior a la clase de talleres: Estudio del contenido presentado utilizando cualquier texto de termodinámica técnica (SI). Para ello se deja una serie de preguntas que buscan guiar al estudiante en aspectos teóricos especialmente problemáticos. En la clase de talleres: Presentación de ejemplos por parte del profesor o el asistente docente y resolución guiada de problemas por parte de los estudiantes. También se hace la aclaración de dudas o dificultades teóricas que planteen los estudiantes. Después de la clase de talleres: Resolución por parte de los alumnos de problemas seleccionados, que les permita el desarrollo de capacidades de análisis crítico, en aspectos cuantitativos, cualitativos, creativos y de comunicación. Algunos de estos problemas incentivan el uso de herramientas computacionales por parte de los estudiantes en su solución. El desarrollo de estas series de problemas le sirve a los estudiantes para preparar de las evaluaciones del curso. Total Tiempo estimado 1 hora 2 horas 1 2 horas 2 horas 1-2 horas 9 horas / semana 144 horas /semestre 3 créditos académicos

9 9/11 6. Evaluación La evaluación del curso incluye dos exámenes parciales y un examen final, que por las características del contenido del curso son acumulativos. Se hace entrega a los estudiantes de una serie de problemas para resolver anticipadamente a cada evaluación. Estos ejercicios deben permitirle al estudiante una preparación adecuada para cada evaluación. Cada una de las tres evaluaciones está compuesta por tres secciones secuenciales, así: Primera sección: conceptos teóricos a través de selección múltiple (con opciones de respuesta única y múltiple). Esta sección tiene un valor del 30 % del total de la evaluación y se dispone hasta de 30 minutos para su solución. Segunda sección: conceptos teóricos fundamentales aplicados al análisis y solución de problemas simples, que pueden incluir opciones de selección (única o múltiple), realización de gráficas o deducción de ecuaciones. Esta sección tiene un valor del 30 % del total de la evaluación y se dispone hasta de 30 minutos para su solución. Tercera sección: conceptos teóricos aplicados a la solución de problemas típicos de la termodinámica técnica. Para el desarrollo de esta sección se permite el uso de ayudas, como libros, tablas, calculadoras y notas de clase y ejercicios resueltos propios. No se permite el uso de celulares, ni de internet. Esta sección tiene un valor del 40 % del total de la evaluación y se dispone mínimo de 60 minutos para su solución. El tiempo que no se empleé en las secciones primera y segunda del examen se puede utilizar en la solución de esta sección de la evaluación. Los siguientes son los valores porcentuales de cada evaluación y las fechas de realización: Primer examen parcial: 30 %. Cubre hasta el contenido de la quinta semana (inclusive) del programa del curso. Fecha: Segundo examen parcial: 35 %. Cubre hasta el contenido de la décima semana (inclusive) del programa del curso. Fecha: Examen final: 35 %. Cubre el contenido completo del programa del curso. Fecha: Nota 1: Los exámenes parciales y el examen final se realizan en las fechas indicadas, en el horario de 7:00 9:00 a.m. y en salones que se anunciarán anticipadamente. La presentación de exámenes supletorios tiene como requisito indispensable la presentación de una excusa válida para la Universidad (como incapacidad médica o la certificación de la presentación simultánea de otro examen). Nota 2: La evaluación del segundo parcial equivale a la nota acumulada de la asignatura para los estudiantes que hayan presentado y obtenido una nota igual o superior a 2,5 en el primer parcial. Igualmente, la evaluación del examen final equivale a la nota total de la asignatura para los estudiantes que hayan presentado y obtenido una nota igual o superior a 2,5 en el primer parcial y hayan presentado y obtenido una nota igual o superior a 3,0 en el segundo parcial.

10 10/11 7. Bibliografía básica Los estudiantes del curso tendrán acceso a la guía, las notas y los ejercicios de clase. Es necesario complementar el estudio de este material, para lo cual se puede utilizar cualquier texto de termodinámica clásica o técnica. Es importante que el texto maneje el Sistema Internacional de Unidades (SI), que es el único que se utiliza en el curso. A continuación se presenta una bibliografía básica que puede servir de guía para complementar la teoría y los ejercicios que se desarrollan en la asignatura. ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.: Thermodynamics: An Engineering Approach. Ed. McGraw-Hill: Boston, 7ta. edición, ISBN: x Clasificación Biblioteca C&T: /C395 ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.: Termodinámica. Ed. McGraw-Hill: México, D.F., (Sexta edición en Español correspondiente a la sexta edición original en inglés). ISBN Clasificación Biblioteca C&T: 536.7/C395t (correspondiente a la segunda edición en español) Comentario: es un texto sencillo y extenso en sus explicaciones, con un buen acompañamiento gráfico y de ejemplos, que cubre todo el contenido del curso y puede seguirse para su desarrollo. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.: Fundamentals of Engineering Thermodynamics: SI Version. John Wiley & Sons Ltd: West Sussex, 7ta. edición, ISBN MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N.: Fundamentos de termodinámica técnica (2. edición en Español correspondiente a la 4. edición original en Inglés). Ed. Reverté, S.A.: Barcelona, ISBN (cartoné) Clasificación Biblioteca C&T: /M829fu Comentario: este texto (en sus ediciones en inglés y español) presenta un buen equilibrio en la presentación de los conceptos teóricos, los ejemplos y los ejercicios; cubre el contenido completo del curso y es una buena guía para el estudio autónomo del estudiante.

11 11/11 JONES, J. B.; DUGAN, R.E.: Ingeniería Termodinámica. Ed. Prentice Hall.: México, Clasificación Biblioteca C&T: /J76i Comentario: este texto presenta un buen manejo teórico y explica con detalle el planteamiento y la deducción de ecuaciones. VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.: Fundamentals of Classical Thermodynamics (SI Version). Ed. John Wiley & Sons: Singapore, 3ra. edición, Clasificación Biblioteca C&T: 536.7/ V285f Comentario: es un texto clásico que cubre el contenido completo del curso y presenta una amplia variedad de ejemplos y ejercicios. VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.: Fundamentos de Termodinámica. Ed. Limusa Grupo Noriega Editores: México, D.F., Clasificación Biblioteca C&T: / V285fd Comentario: este texto corresponde a la evolución de Fundamentals of Classical Thermodynamics, con algunos complementos en teoría y ejercicios. El texto cubre el contenido completo del curso y maneja un buen equilibrio entre la teoría y los problemas. POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W.: Termodinámica para Ingenieros (Traducción de Schaum s outline of theory and problems of thermodynamics for engineers). McGraw-Hill: Madrid, ISBN Clasificación Biblioteca C&T: Comentario: es un texto que hace una presentación resumida de la teoría y se enfoca en la presentación de problemas resueltos de la termodinámica técnica.