MÓDULO II FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA

Transcripción

1 CURSO DE CAPACITACIÓN DE CERTIFICADORES ENERGÉTICOS Prueba Piloto Rosario 2017 MÓDULO II FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA

2 MÓDULO II FUNDAMENTOS BÁSICOS TEMARIO Fundamentos básicos de termodinámica Primer principio de la termodinámica Segundo principio de la termodinámica Conversión de la energía Principios básicos de transferencia de calor y masa Modelo eléctrico equivalente Radiación solar

3 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA La termodinámica estudia las transformaciones energéticas y las relaciones entre las propiedades físicas de las sustancias afectadas por esas transformaciones. El estudio de la termodinámica abarca: procesos de refrigeración y calefacción expansión y compresión de fluidos en motores de aviación y cohetes dispositivos productores de potencia mediante: Energía solar Energía geotérmica Energía eólica Energía mareomotriz

4 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA Cinco leyes o postulados rigen el estudio de la termodinámica: Primer principio de la termodinámica Segundo principio de la termodinámica relacionadas con la energía La ley cero Tercer principio de la termodinámica relacionadas con las propiedades termodinámicas El postulado de estado

5 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Todo sistema cerrado posee una variable de estado (U), denominada energía interna que posee las siguientes cualidades: 1. En procesos adiabáticos, el incremento de energía interna es igual al trabajo efectuado por el sistema. W 12 adiabático = U 2 U 1 (Definición de energía interna) 2. En procesos no adiabáticos, el calor (Q) cedido al sistema disminuido en la cantidad de trabajo W 12 efectuado por el sistema es igual al incremento de energía interna. Q 12 W 12 = U 2 U 1 (Definición de calor)

6 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 1. Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus alrededores) sea convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema. 2. No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro mayor.

7 CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA De acuerdo a lo que postula el primer principio de la termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La energía puede transformarse de una forma a otra, como por ejemplo de electricidad a calor o de calor a electricidad. El rendimiento es un factor fundamental que marca la rentabilidad y eficacia de los diversos tipos de conversión de la energía.

8 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR La transferencia de calor es la energía en tránsito debido a la diferencia de temperatura. Conducción: existe un gradiente de temperatura en un medio estacionario. Convección: transferencia de calor entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes Modos de transferencia de calor temperaturas. Radiación: todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas EM. En ausencia de un medio, existe un transferencia neta de calor entre las dos superficies a distintas temperaturas.

9 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONDUCCIÓN La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas a las menos energéticas de una sustancia debido a la interacción de las mismas. Ejemplo: El extremo expuesto de una cuchara metálica introducida en una taza de café caliente se calentará debido a la conducción de energía a través de la cuchara.

10 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONDUCCIÓN. LEY DE FOURIER Para una pared plana unidimensional, la distribución de temperatura T(x): Q x = k dt dx El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área Q x [W/m 2 ] es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia y es proporcional al gradiente de temperatura, dt/dx en esa dirección. Donde k es la conductividad térmica [W/mK].

11 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONVECCIÓN La convección es la transferencia de calor entre un fluido en movimiento y una superficie limitante cuando éstos tienen diferentes temperaturas. Forzada: El flujo es causado por medios externos (ventilador, viento, bomba). Tipos de convección Libre o natural: El flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por las variaciones de temperatura en el fluido. Mezclada (forzada + natural).

12 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR CONVECCIÓN. LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON Ejemplos: El movimiento de fluido inducido por las burbujas de vapor generadas en el fondo de una cacerola en la que se está hirviendo agua. Q = h (T S T ) El flujo de calor por convección Q [W/m 2 ] es proporcional a la diferencia de temperaturas de la superficie y del fluido, T S y T, respectivamente. Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección [W/m 2 K]. La condensación de vapor de agua sobre la superficie externa de una tubería de agua fría.

13 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR RADIACIÓN. LEY DE STEFAN-BOLTZMANN La radiación térmica es la emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita. La radiación que una superficie emite se origina a partir de la energía térmica de la materia limitada por la superficie, y la velocidad a la que libera energía por unidad de área [W/m 2 ] se denomina potencia emisiva superficial (E), cuyo límite superior viene dado por: E b = σ T4 s Donde T s es la temperatura absoluta [K] de la superficie y es la constante de Stefan- Boltzmann (5,67 x 10 8 W/m 2 K 4 ). Dicha superficie se llama radiador ideal o cuerpo negro.

14 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE MASA La transferencia de masa es la masa en tránsito como resultado de una diferencia en la concentración de las especies en una mezcla. LEY DE FICK Modelo de transferencia de masa por difusión: J dif, A = D AB dρ A dx Donde J dif, A es el flujo de masa por difusión de la especie A [kg/s m 2 ], D AB es la difusividad de masa, d A /dx es el gradiente de la densidad de la especie A.

15 PRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE MASA TRANSFERENCIA DE MASA POR CONVECCIÓN Es el mecanismo de transferencia de masa entre una superficie y un fluido en movimiento en el que intervienen tanto la difusión de masa como el movimiento de la masa de fluido, (m conv ). m conv = h masa A S (C S C ) Donde h masa es el coeficiente de transferencia de masa, A S es el área superficial y (C S C ) es una diferencia apropiada de concentración de uno a otro lado de la capa límite de concentración.

16 MODELO ELÉCTRICO EQUIVALENTE EJEMPLO: DIFUSIÓN ESTACIONARIA DE MASA A TRAVÉS DE UNA PARED Pared plana sólida (medio B) de área A, espesor L y densidad. Pared con concentraciones diferentes de una especie A (permeable) a ambos lados. Superficies fronteras: fracciones de masa de A, w A,1 (x 0 ) y w A,1 (x L ), están localizadas dentro del sólido adyacente a las interfaces. La fracción de masa de la especie A en la pared varía sólo en la dirección x: w A (x). Por lo tanto, en este caso, la transferencia de masa a través de la pared puede modelarse como estacionaria y unidimensional. La concentración de la especie A en cualquier punto no cambia con el tiempo, puesto que la operación es estacionaria.

17 MODELO ELÉCTRICO EQUIVALENTE EJEMPLO: DIFUSIÓN ESTACIONARIA DE MASA A TRAVÉS DE UNA PARED No hay producción ni destrucción de la especie A, ya que no están ocurriendo reacciones químicas en el medio. Entonces, el principio de conservación de la masa para la especie A puede expresarse como: el gasto de masa de la especie A, a través de la pared y en cualquier sección transversal, es el mismo; es decir: m dif,a = j A A = constante [kg/s]

18 MODELO ELÉCTRICO EQUIVALENTE EJEMPLO: DIFUSIÓN ESTACIONARIA DE MASA A TRAVÉS DE UNA PARED Entonces la ley de Fick de la difusión queda: J A = m dif,a A = ρd AB dw A dx = constante Trabajando m dif,a,pared = (w A,1 w A,2 )/ L/ρD AB A Y definimos R dif,pared = L/ρD AB A como la resistencia a la difusión de la pared, en [s/kg], la cual es análoga a la resistencia eléctrica o a la conducción de una pared plana de espesor L.

19 RADIACIÓN SOLAR El Sol es una fuente de energía con un flujo radiante de 3,8x10 26 W, equivalente a una densidad de 62,5 MW por cada m 2 de superficie solar. De esta emisión solar, llega a la Tierra aproximadamente 1 kw/m 2, debido a la distancia a que se encuentra del Sol. El Sol emite radiación electromagnética con una distribución espectral que abarca desde 100 nm hasta 3000 nm, similar a la emisión de radiación de un cuerpo negro a 6000 K. Es por ello que el uso de la energía solar a través de sus aplicaciones diversas requiere de la caracterización de la radiación tanto en su densidad de energía como en su distribución espectral.

20 RADIACIÓN SOLAR Los parámetros que caracterizan la radiación solar se establecen para condiciones de distancia media Sol-Tierra y éstos son: la constante solar y la distribución espectral de la radiación. Se entiende por constante solar a la irradiancia sobre una superficie orientada normalmente a la dirección de los rayos solares y situada fuera de la atmósfera terrestre a la distancia astronómica unidad (1 AU 1,5x10 11 m, distancia media Sol-Tierra). El valor estándar admitido por la NASA (National Aeronautics and Space Administration) para los criterios de diseño de vehículos espaciales y por la ASTM (American Society for Testing Materials): 1367 W/m 2.

21 RADIACIÓN SOLAR Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera terrestre es absorbida y reflejada en forma selectiva, modificando su distribución espectral. Se define masa de aire (m), al espesor de atmósfera atravesado por la radiación solar para una dirección angular dada respecto del espesor correspondiente al Sol en el zenit (vertical del lugar). Para ángulos de elevación del sol (δ), comprendidos entre aproximadamente 30 y 90, la variación de masa de aire atmosférica en función de δ se puede aproximar por: m = 1/ sen (δ)

22 RADIACIÓN SOLAR RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE La distribución de energía proveniente del Sol que alcanza una superficie perpendicular al límite superior de la atmósfera se denomina AM0. RADIACIÓN SOLAR A NIVEL DEL MAR La distribución de energía proveniente del Sol que atraviesa la atmósfera y llega a una superficie perpendicular sobre la Tierra (el Sol en el zenit) se denomina AM1,5.

23 RADIACIÓN SOLAR LONGITUDES DE ONDA DE LA RADIACIÓN SOLAR Comprende parte del ultravioleta (UV), el visible y parte del infrarrojo (IR)

24 RADIACIÓN SOLAR Radiación que llega a la superficie terrestre se puede distinguir: Radiación directa Se mide con pirheliómetro + Radiación difusa = Radiación global Se mide con piranómetro

25 CURSO DE CAPACITACIÓN DE CERTIFICADORES ENERGÉTICOS Prueba Piloto Rosario 2017 MÓDULO II FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA