Ing. Joaquín Quispe - Ing. Mauro Candelino INGENIERÍA ELÉCTRICA PROGRAMA DE ASIGNATURA

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1 INGENIERÍA ELÉCTRICA PROGRAMA DE ASIGNATURA ACTIVIDAD CURRICULAR: TERMODINAMICA Código : Año Académico : 2016 Área : COMPLEMENTARIA Bloque: TECNOLOGIAS BASICAS Nivel: 3. Tipo: Obligatoria Modalidad: Anual Carga Horaria total: Hs Reloj: 72 Hs. Cátedra: 96 Carga horaria semanal: Hs Reloj: 2h 15min Hs. Cátedra: 3 Composición del equipo docente Profesores Titulares: Profesores Asociados: Profesores Adjuntos: Auxiliares JTP: Auxiliares ATP 1 : Auxiliares ATP 2 : Ing. Fabián Carbone Ing. Joaquín Quispe - Ing. Mauro Candelino FUNDAMENTACIÓN Es propósito de la materia aportar los conocimientos formativos y la información actualizada que permite describir los fenómenos físicos vinculados a las transformaciones termodinámicas e identificar las magnitudes y funciones matemáticas que las vinculan y cuantifican. Para el futuro ingeniero electricista este conocimiento es de fundamental aplicación en la generación de energía eléctrica a partir de energía térmica. 1

2 OBJETIVOS Que el alumno sea capaz de: Enumerar y describir los fenómenos físicos vinculados a las transformaciones termodinámicas. Identificar las magnitudes y funciones matemáticas que las vinculan y determinan dichos fenómenos y su cuantificación CONTENIDOS a) Contenidos mínimos Primer principio de la Termodinámica. Gases reales y vapores. Segundo Principio de la Termodinámica. Ciclos térmicos y frigoríficos. Aire húmedo. Combustión. Transmisión del calor. b) Contenidos analíticos Unidad Temática 1: Introducción a la Termodinámica Clásica. Orígenes. Métodos. Sistemas y Medio Universo. Clasificación de sistemas. Estado de un sistema. Variables de estado: presión absoluta y relativa. Volumen y volumen específico. Temperatura. Escalas termométricas. Equilibrio Termodinámico. Ecuación de estado de un sistema. Transformaciones Termodinámicas. Ciclos. Energía. Trabajo mecánico. Calor. Principio cero de la Termodinámica. Enunciados del 1er. Principio de la Termodinámica Expresión del 1er. Principio para sistemas cerrados. Energía interna. Sus propiedades. Extensión del 1er. Principio de la Termodinámica a sistemas abiertos en régimen permanente y no permanente. Entalpía. Sus propiedades. 2

3 Gases perfectos. Constantes particular y universal. Ecuación de estado. Transformaciones de gases perfectos. Mezcla de gases perfectos. Energía interna y entalpía de gases perfectos. Gases reales. Experiencias de Andrews. Ecuación de Vander Wals. Coeficiente de compresibilidad. Diagrama de coeficientes de compresibilidad (Nelson y Obert) Mezcla de gases reales. Energía interna y entalpía de gases reales. Unidad Temática 2: Enunciados del 2do. Principio de la Termodinámica. Carnot, Kelvin, Planck y Clausius. Su equivalencia. Concepto de Reversibilidad. y de Irreversibilidad. Máquinas Térmicas Reversibles e Irreversibles. Rendimiento Térmico. Teorema de Carnot. Sus consecuencias. Ciclos de Carnot y regenerativo. Concepto de Temperatura Absoluta Termodinámica y su relación a la temperatura Absoluta del termómetro de gas. Teorema de Clausius. Entropía. Características. Entropía y Reversibilidad e Irreversibilidad. Interpretación Física. Cálculo de variaciones de entropía. Diagrama Temperatura-Entropía (Diag. T-S) y diagrama Entalpía- Entropía (Diag. H-S). Propiedades y usos de diagramas para gases perfectos. Unidad Temática 3: Exergía. Calor utilizable y no utilizable de fuentes de calor y de cuerpos. Exergía y Anergía. Exergía debida a desequilibrio mecánico. Aplicación a sistemas cerrados y abiertos. Funciones de Gouy y Darrieus. Variación de exergia de sistemas y del universo. Rendimiento exergético de ciclos y procesos. Unidad Temática 4: Concepto de Energía libre y de Entalpía Libre. Regla de las fases. Condiciones de equilibrio. Sistemas heterogéneos. Fases y componentes. Vapores. Diagrama de equilibrio de sustancia pura. Vapor saturado; vapor húmedo; vapor sobrecalentado. Líquido saturado y líquido comprimido. Calor latente de transformación. Ecuación de Clapeyron-Clausius. Diagramas entrópicos para vapores. Diagrama. Diagrama T-S y Diagrama H-S (Mollier) Propiedades y usos. Tablas de vapor. Usos. 3

4 Unidad Temática 5: Ciclos de Máquinas y Motores Térmicos. Ciclos de máquinas térmicas de vapor. Rendimiento térmico y relación de trabajo. Ciclo de Carnot: Ciclos de Rankine: Ciclos combinados. Mejoras de ciclos. Sobrecalentamiento y Recalentamiento intermedio de vapor. Su estudio en diagramas T-S y H-S. Rendimiento isoentrópico. Ciclos de motores térmicos de gas. Ciclos OTTO; Diesel; Semi-Diesel (Sabathé); Brayton-Joule. Rendimiento térmico; de calidad; mecánico; indicado y total. Aplicación de máquinas y motores térmicos en centrales termoeléctricas y grupos electrógenos. Unidad Temática 6: Concepto de Máquinas Frigoríficas. Coeficiente de efecto frigorífico y de efecto calorífico a 2 y 3 fuentes de calor. Ciclos frigoríficos en régimen húmedo y en régimen seco con compresión de vapor. Mejoras que pueden introducirse en ciclos frigoríficos. Bomba de calor. Ciclos frigoríficos con gases permanentes. Ciclo de absorción. Licuación de gases. Unidad Temática 7: Aire Húmedo. Concepto de aire seco y de aire húmedo. Humedad absoluta y humedad relativa. Grado de saturación. Volumen específico. Temperatura de rocío. Entalpía de aire húmedo saturado en zona de niebla. Temperatura de saturación adiabática. Diagrama entálpico (Mollier) del aire húmedo. Tablas de aire húmedo. Psicrómetro. Temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo. Diagrama Psicrométrico. Mezclas de aire húmedo. Procesos de enfriamiento, calentamiento, humidificación y secado. Unidad Temática 8: Compresores de gases. Tipos. Diagramas de estado p.v. y T-S. Trabajo de compresores. Espacio nocivo en compresores alternativos. Rendimiento volumétrico. Presion máxima. Compresión en etapas. Rendimiento mecánico. Rendimiento total. Rendimiento isoentrópico. Toberas y difusores. 4

5 Velocidad del sonido en un gas. Número de Mach. Ecuación de continuidad. Estudio de formas. Relación crítica de presiones. Estado de estancamiento. Rendimiento isoentrópico en toberas y difusores. Derrame de gases por orificio. Unidad Temática 9: Combustión. Poder calorífico de combustibles. Aire necesario para la combustión. Exceso de Aire. Diagrama entálpico de humos. Temperatura de llama. Rendimiento del hogar. Unidad Temática 10: Transmisión del calor. Formas: Conductibilidad. Hipótesis de Fourier. Ecuación General. Casos de régimen permanente y de régimen transitorio. Convección Natural y Forzada. Coeficiente de transmisión por convección. Números adimensionales Euler; Reynolds; Grashoff, Nusselt; Prandtl. Métodos para determinación del coeficiente de transmisión de calor por convección. Fluidos en ebullición y en condensación. Radiación. Coeficientes de transparencia; de absorción y reflexión. Cuerpo negro. Leyes de Kirchoff y de Stephan-Boltzman y Wien. Intercambio de calor por radiación entre cuerpos. Transmisión de calor entre fluidos en movimiento. Coeficiente de transmisión total. Cálculo de superficies de intercambio de calor. Intercambiadores de calor. Nota: Cada Unidad temática se complementará con trabajos prácticos de aula. DISTRIBUCIÓN DE CARGA HORARIA ENTRE ACTIVIDADES TEÓRICAS Y PRÁCTICAS Tipo de actividad Carga horaria total Carga horaria total en en hs. reloj hs. cátedra Teórica Formación Práctica Formación experimental 0 0 Resolución de problemas Proyectos y diseño 0 0 Práctica supervisada 0 0 5

6 ESTRATEGIAS METODOLÓGICAS a) Modalidades de enseñanza empleadas según tipo de actividad (teórica-práctica) Se emplea el régimen coloquial entre docentes y alumnos poniendo énfasis en una formación metodológica, con el fin de brindar el conocimiento tecnológico formativo básico para que el alumno pueda asimilar con rapidez los conceptos de conversión de energía y equipos asociados a esos procesos que nos presenta la ingeniería actual y aquella en vías de desarrollo. El conocimiento informativo y especializado es transmitido a nivel complementario con el objetivo de ejemplificar la aplicación deseada. Las exposiciones se realizan según el tema: con láminas, proyección de transparencias, proyección de soportes magnéticos (presentación en diapositivas) y/ó con fibra sobre el pizarrón. El desarrollo de los trabajos prácticos en clase se hace formando grupos no mayores de ocho alumnos con responsabilidad de realizar cada trabajo práctico por dos estudiantes integrantes del grupo. Independientemente del tema a tratar en cada caso, se destinará aproximadamente un 20% del tiempo de cada clase para el seguimiento, apoyo y control de los Trabajos Prácticos de aplicación. Como estrategia global para el desarrollo de los temas que componen el programa analítico, se propone un esquema global que contenga básicamente una intensa interacción docente alumno. Esta premisa debe contemplar espacio para la exposición docente, espacio para la búsqueda de información y elaboración por parte de los alumnos (a través de los trabajos de aplicación) y, finalmente, espacio para la discusión y obtención de conclusiones que constituirán los ejes troncales del resultado de aprendizaje sobre cada tema. Se propone la ejecución de Trabajos Prácticos de aplicación sobre cada unidad temática central componente del programa que se elaborarán grupalmente y cuya finalidad principal será inducir al alumnado a integrar conocimientos adquiridos con la búsqueda de información e investigación, de modo tal que el resultado final de la actividad sea similar a lo que necesariamente tenemos que ejecutar en la vida profesional. 6

7 b) Recursos didácticos para el desarrollo de las distintas actividades (guías, esquemas, lecturas previas, computadoras, software, otros) Para la exposición con fibra en pizarrón la infraestructura se considera suficiente. En el Anexo Campus (lugar donde se dicta la materia) se cuenta con un aula muy bien equipada con proyectores de filminas y cañón para exposición con software. El material didáctico con el que se cuenta es abundante, tanto en láminas como en programas de software que abarcan los distintos rubros de la materia. EVALUACIÓN a) Modalidad (tipo, cantidad, instrumentos) A los efectos de la evaluación del proceso de enseñanza aprendizaje experimentado por el alumno, se tiene como juicio los siguientes elementos: 1. Los trabajos prácticos a desarrollar en el curso teórico con las evaluaciones correspondientes. 2. Los dos parciales uno en cada cuatrimestre, de los cuales se deberá responder el 80% de las preguntas. Para poder presentarse a esta evaluación el alumno deberá haber aprobado el 80% de los Trabajos Prácticos. b) Requisitos de regularidad Con la aprobación del proceso se dará por alcanzado el cursado de la asignatura al alumno. (Firma de T.P.) c) Requisitos de aprobación La aprobación de la asignatura por el alumno se substancia mediante el examen final, consistente primero, en una evaluación escrita de un problema y por lo menos tres puntos de distintos tópicos vistos en el año, para luego en caso de realizar satisfactoriamente esta evaluación (definitoria en caso de no alcanzar la aprobación), se realiza un interrogatorio oral de por lo menos otros tres temas de distintos tópicos vistos en el año. 7

8 ARTICULACIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL CON OTRAS MATERIAS La asignatura Termodinámica es de formación básica, el dictado de la misma corresponde al 3 nivel de la carrera de Ingeniería Eléctrica y está inserta en el área Complementarias. El nexo o articulación entre la asignatura con el área, debe fijarse en conceptualizar los procesos térmicos de transformación energética en los distintos equipamientos utilizados en el ámbito de la actividad de la generación de energía eléctrica, además de los restantes procesos termomecánicos, poniendo especial énfasis en el uso racional de la energía en todos los procesos de transformación. Una idea básica que debe desarrollarse durante las clases, es el desafío que imponen los tiempos actuales en lo referente a la preservación del medio ambiente y su relación con las actividades industriales. Por orientación a fin y articulación de contenidos la asignatura requiere de una directa interrelación de continuidad con las asignaturas de las ciencias básicas Física general, Química y Análisis matemático, correspondiente a los dos primeros niveles, y de soporte a la asignatura del 4 nivel Máquinas Térmicas, Hidráulica y Fluidos y a su vez de orientación con Fuentes No Convencionales de Energía del 5ª nivel. En el campo de las ciencias básicas el soporte lo brindan (como ya se dijo) Física I y II, Química general y Análisis matemático, no sólo por los conocimientos específicos en sí sino por las características de formación que hacen al razonamiento, deducción e introducción a los procesos de complejidad creciente. Se observa la necesidad de administrar una mayor interrelación con ejercitaciones prácticas utilizando ejemplos de aplicación extraídos del campo de la ingeniería y posibilitar la asistencia de medios computacionales a determinaciones y cálculos de mayor complejidad. 8

9 CRONOGRAMA ESTIMADO DE CLASES Tema Introducción al curso + Reglamento Unidad Temática 1 Tipo de Actividad Teórica Formación Práctica Unidad Temática 1 Unidad Temática 1 Unidad Temática 1 Unidad Temática 1 Unidad Temática 1 Unidad Temática 1 Unidad Temática 2 Unidad Temática 2 Unidad Temática 2 Unidad Temática 2 Unidad Temática 3 Unidad Temática 3 Unidad Temática 4 Unidad Temática 4 Examen Parcial N Unidad Temática 5 Unidad Temática 5 Unidad Temática 5 Unidad Temática 5 Unidad Temática 6 Unidad Temática 6 Unidad Temática 7 Unidad Temática 7 Unidad Temática 8 Unidad Temática 8 Unidad Temática 8 Unidad Temática 9 Unidad Temática 9 Unidad Temática 10 Unidad Temática 10 Examen Parcial N

10 BIBLIOGRAFÍA OBLIGATORIA La bibliografía disponible para abarcar este contenido es muy amplia, por lo que se destacará solo una parte considerada relevante. M.J.Moran - H.N.Shapiro : Fundamentos de Termodinámica Técnica. Ed. Reverte S.A. España Gordon J. Van Wylen y Richard E. Sontag: Fundamentos de termodinámica. Ed. Limusa, México Carlos A. García: Termodinámica Técnica. Edit. Alsina. Bs As Carlos A. García : Problemas de Termodinámica. Edit. Alsina Bs As Vigil M Faires : Termodinámica. Edit UTEHA, México L.A.Facorro Ruiz: Curso de Termodinámica. Edic. Mellior. Buenos Aires.1969 Yunus A. Cengel Michael A. Boles: Termodinámica. Ed. Mc Graw Hill. México.1999 V Isachenco, V Osipova y A Sukomel: Transmisión del Calor. Ed Marcombo. Barcelona G. Salvi : La Combustión, Teoría y aplicación.ed Dossat. Madrid R. Orel: El cálculo de la combustión. Ed Alsina. Bs As Torreguitar y Weiss: Combustión y Generación de vapor -.Bs As BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA Combustion Fossil Power systems- Combustion Engineering Inc, Ed 1994 USA Steam, its generation and use - Babcock & Wilcox, Ed Babcock & Wilcox USA 1995 Tratado Moderno de Termodinámica: Hans Baher Transmisión del Calor - Bados y Rossignoli. Ed. Troquel