TERMODINÁMICA MICA DORY CANO DÍAZD OBJETIVOS INTRODUCCIÓN. Realizar balances simples. Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales que

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1 INTRODUCCIÓN TERMODINÁMICA MICA DORY CANO DÍAZD MSc.. Ingeniero Civil Mecánico Junio de 2007 OBJETIVOS Comprender y aplicar los principios y conceptos básicos de la Termodinámica Realizar balances simples máquinas térmicas. de masa y energía en Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento térmico de la materia, en la resolución de los problemas de Ingeniería 1

2 CONCEPTOS: 1. ENERGÍA 2. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS : P Y T 3. SISTEMAS TERMODINÁMICOS: ABIERTOS, CERRADOS Y AISLADOS 4. DEFINICIÓN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y EXPRESIÓN DE LA PRIMERA LEY 5. ANALISIS DE PROCESOS CON VAPOR DE AGUA. 6. DEFINICIÓN DE PROCESOS POLITRÓPICOS 7. DEFINICIÓN DE CICLOS TERMODINÁMICOS 8. EJERCICIOS DE APLICACIÓN Termodinámica mica Y Energía De donde proviene? Griego: Thermè Calor Dynamis Fuerza o potencia Describe los esfuerzos por convertir el Calor en potencia 2

3 Qué es? Es la ciencia del calor o de la energía (capacidad de producir cambios). Involucra conceptos de: Calor Trabajo Temperatura El Calor comienza a ser objeto de estudio (S XVIII-XIX) a raíz del invento de la MAQUINA DE VAPOR Nacimiento de la Termodinámica mica posibilidad de obtener Trabajo a partir del Calor 3

4 Unidad 1: Introducción a la Termodinámica vapore/new.gif 4

5 Unidad 1: Introducción a la Termodinámica Primer ppo de la Termodinámica Equivalencia entre Calor y trabajo Segundo ppo de la Termodinámica Concepto de Entropía Para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a T más alta siempre es necesario realizar trabajo Principio de la Conservación de la energía Ley Fundamental de la Naturaleza: Durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante La 1 LT: Expresión sencilla del ppo conservación de la energía Energía es una Propiedad Termodinámica La 2 LT: Establece que la energía tiene tanto Cantidad como Calidad. Procesos reales Degradación de energía 5

6 Sistemas Termodinámicos Frontera: Superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores. Sin espesor, masa o Volumen. Esta puede ser: Fija o móvil Tipos de límites ó fronteras de los sistemas Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor. Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor. Rígidos, si no permiten el cambio de volumen. Sistemas Termodinámicos Sistema Adiabático Q = 0 Aislación perfecta 6

7 Sistemas Termodinámicos 1.- Sistemas Cerrado ó Masa de Control Materia fija (constante) No hay intercambio de masa a través del límite. Sí hay intercambio de energía Límite puede variar Ejemplo Ampolleta Mechero El agua en planta de fuerza Sistemas Termodinámicos 2.- Volumen de control o Sistema abierto Flujo A Intercambio de masas y energías a través del límite. Ejemplo Flujo B límite Turbinas (vapor o gas) Motor de combustión. Bomba 7

8 Motores y bombas térmicas Se definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos fuentes de energía, no obstante el cual permanece sin cambios. Los Ciclos Termodinámicos micos Ciclos de Potencia C. Potencia C. Refrigeración (BBs Acond. Aire) C. Gas C. Vapor C. Gas C. Vapor MCI: Ciclo OTTO y DIESEL MCE: Ciclo de BRAYTON: Simple, C/ regeneración C/ interenfriamiento, recalentamiento y regeneración MCE: Ciclo de RANKINE: Simple, C/ recalentamiento, C/ regeneración. Ciclos de vapor BINARIOS Ciclos combinados GAS-Vapor Ciclo de BRAYTON INVERTIDO Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor Ciclo en cascada Ciclo por compresión múltiples etapas Ciclo por absorción 8

9 APLICACIONES Planta de vapor o de fuerza Energía eléctrica Turbina G Generador Caldera Bomba Condensador Algunos dispositivos de Ingeniería de Flujo Permanente INTERCAMBIADORES DE CALOR 9

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11 APLICACIONES Refrigeración QH Condensador W Válvula de Expansión Compresor Evaporador QL 11

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13 El secado de la madera depende de varios factores: La velocidad del aire, la humedad dentro de las cámaras secadoras y hornos secadores de madera, la temperatura de la misma, el espesor de la madera, el tipo de madera, etc. Controlando éstos parámetros, controlamos la velocidad del secado, la calidad del misma y la humedad final de la madera. 13

14 LAS RELACIONES TERMODINÁMICAS MICAS APLICABLES A SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SON DIFERENTES!!!!!!! RECONOCER TIPO ANALIZAR 14

15 FORMAS DE ENERGÍA La energía puede existir de distintas formas y su suma constituye la energía total de un sistema. La Termodinámica trata con variaciones de energía En Termodinámica es útil considerar la energía en 2 grupos que forman la E total : MACROSCOPICA: Son las que posee un sist. como un todo (dep. de puntos de referencia: veloc, altura) MICROSCOPICA: Relacionados con estructura molecular del sistema, independiente se marcos de Ref. externos Σ E_Micro = E_interna (U) Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación permanecen constantes durante un proceso se conocen como Sistemas permanentes (SP) La mayoría de los sistemas cerrados son permanentes no presentan variación de E_cinetica ó E_potencial El cambio en la E total de un SP es identico al cambio en la E_interna 15

16 Asociada : ENERGÍA INTERNA (1) Grado de Actividad Molecular: Suma de la Ec Ec_rot + Ec_trasl +Ec_vibración = Ec_molecula Porción de Einterna asociada a la Energía cinetica de las moléculas se llama ENERGÍA SENSIBLE (2) Fuerzas Moleculares: Fzas que unen a las moléculas entre sí. Mayores en sólidos liquido gas (cambios de Fase cuando las moléculas se van separando) La Einterna asociada a la fase de un sistema se llama ENERGÍA LATENTE Otras: La Einterna asociada a la fuerza que unen los átomos-moleculas se llama ENERGÍA QUÍMICA (o de enlace) (Generalmente los procesos termodinámicos ocurren sin modificar la composición química de un sistema excepción procesos de Combustión) La Einterna asociada a los enlaces dentro del núcleo se llama ENERGÍA NUCLEAR 16

17 ENERGÍA MACRO= E Cinética +E Potencial ENERGÍA MICRO= E SENSIBLE +E LATENTE +E QUÍMICA +E NUCLEAR Propiedades (o magnitudes de estado) y Estado de una Sustancia Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de éste (de su estado) 17

18 PROPIEDADES DE UN SISTEMA Propiedades Extensivas: propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema Propiedades Intensivas: Independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema Las propiedades intensivas se representan con letras minúsculas, (excepción de la temperatura y presión) Las propiedades extensivas se convierten en intensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad). EXTENSIVAS INTENSIVAS V, U, H, T, P, ρ ESPECÍFICAS MOLARES v, u, h, s v, u, h (kg) (Mol) 18

19 Densidad de algunas sustancias En la tabla se muestra la densidad de algunas sustancias, expresada en kg/m 3. SUSTANCIA DENSIDAD (kg/m 3 ) Aire 1,28 Petróleo 800 Benceno 880 Agua Aluminio Hierro Cobre Plomo Mercurio Oro Osmio ESTADO Y EQUILIBRIO Estado es un punto donde el sistema no tiene ningún cambio De esta forma se pueden calcular sus propiedades. Obs: Un conjunto de propiedades describen el estado En un estado todas las propiedades tienen valores fijos. Si el valor de una propiedad cambia EXISTE OTRO ESTADO 19

20 Estado de Equilibrio: un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades. Equilibrio Termodinámico: Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. (Ej: Equilibrio Térmico, mecánico, químico, etc) Procesos Cíclico: C Un sistema se somete a un CICLO si al terminar el proceso regresa a su estado inicial (e ini =e fin ) Proceso Reversible: S/efectos disipativos (S/roce, S/TdeC, S/degrad. Energía) Es un proceso idealizado. Proceso Irreversible: Proceso Real 20

21 Trayectoria : es la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso Descripción Completa de un proceso especificar: Estado inicial Estado Final Trayectoria Interacción con su alrededor Politrópicas: Constituyen una gran familia de evoluciones ó procesos que permiten estudiar gran cantidad de fenómenos reales (motores, compresores, ciclos de vapor, ciclos gas-vapor, etc) Isóbaras (presión constante). Del tipo P= Cte. Isócoras (volumen constante). Del tipo V = Cte. Isotermas (temperatura constante). Del tipo P V = Cte. Adiabáticas sin roce (DQ = 0, que después llamaremos isentrópicas) Del tipo p V g = Cte. Prefijo ISO: Denota cuando una propiedad permanece fija o constante durante un proceso 21

22 Diagramas de procesos más comunes: P-V, T-V Las politrópicas tienen la forma genérica del tipo: PV n = Cte. En que n es el coeficiente politrópico. El valor de n puede variar de 0 a infinito. 22

23 Presión La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área Presión GASES y LIQUIDOS (P. Hidrostática y P. Dinámica) Recordar... SÓLIDOS (Esfuerzo) Presión en un fluido aumenta con la profundidad (mayor peso) Si existe gravedad la presión varía en sentido vertical Unidades: (SI) 1Pa=1N/m 2 (Sist. Inglés) lb/pulg 2 1bar=10 5 Pa= 0.1MPa=100kPa 1atm=101325Pa=101,325kPa=1,01325bar =psi 1atm=14,696 psi En ECUACIONES y TABLAS TERMODINÁMICAS MICAS la mayoría de las veces se emplea la presión absoluta: En general P=Pabs Ejemplo: Si se le agrega a absoluta Psia g manométrica Psig 23

24 Presión absoluta: Presión real de un sistema Presión manométrica: Presión medida abierta a la atmósfera Presión de vacío: Presiones bajo la Presión atmosférica P abs =P manométrica + P atm P vacío =P atm - P abs Temperatura y Ley Cero de la Termodinámica mica Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico y determina la capacidad de un sistema para intercambiar calor. Su unidad es el Kelvin (K) Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la Temperatura es una propiedad de un cuerpo y el Calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. 24

25 Ley cero de la Termodinámica mica Dos cuerpos están n en equilibrio térmico t si indican la misma Temperatura, incluso si no se encuentran en contacto t [ ºC ] = t [ K ] t [ ºF ] = t [ R] 1K 1 C 1.8R 1.8 F Las escalas de temperatura se basan en los puntos de congelamiento y ebullición del agua. SI: Escala Celcius ( C) Sistema Inglés: Escala Fahrenheit ( F) Existe también la escala de T termodinámica. Esta escala en : (indep. De prop de 1 o varias sustancias) Sistema Internacional: Escala Kelvin (K) Sistema Inglés: Escala Rankine (R) 25

26 Comparación de escalas de temperatura ºK. ºC ºR ºF Punto de ebullición 373,15 100,00 671,67 212,00 del agua. Punto triple 273,16 0,01 491,69 32,02 del agua, 273,15 0,00 491,67 32,00 punto de congelación Cero absoluto 0,00-273,15 0,00-459,67 ºK ºC ºR ºF Punto de ebullición a presión atmosférica Wark Punto de congelamiento Cero absoluto Las sustancias existen en fases distintas dependiendo de la Temperatura y la Presión Fases principales GASEOSOS - SÓLIDOS LÍQUIDOS Enfriar o comprimir Enfriar Calentar o reducir presión Calentar GASES -Desorden total -Partículas tienen completa libertad de movimiento. -Partículas tienden a estar alejadas entre si - Forma y volumen indeterminado. LÍQUIDOS -Menor desorden -Partículas tienen movimiento relativo entre si -Partículas tienen mayor cohesión (juntas) - Forma determinada al recipiente que los contiene SÓLIDOS -Orden -Partículas fijas en una posición determinada. -Partículas unidas entre si - Forma y volumen determinado Comparación molecular entre sólidos y líquidos 26

27 Gas Vaporización Condensación E N E R G I A Sublimación Fusión líquido Solidificación Deposición Sólido Fases de una Sustancias puras 1. LIQUIDO COMPRIMIDO: QUE NO ESTÁ A PUNTO DE EVAPORARSE 2. LIQUIDO SATURADO: LIQUIDO A PUNTO DE EVAPORARSE 3. VAPOR SATURADO: VAPOR A PUNTO DE CONDENSARSE 4. MEZCLA SATURADA DE LIQUIDO-VAPOR 5. VAPOR SOBRECALENTADO: VAPOR QUE NO ESTÁ A PUNTO DE CONDENSARCE ESTADO 1 ESTADO 5 Mezcla saturada liq-vapor 27

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29 a) Estados de líquido saturado y de vapor saturado Subíndice f : Se emplea para denotar prop. De LIQUIDO SATURADO Subíndice g : Se emplea para las propiedades de VAPOR SATURADO Subíndice fg : Denota la diferencia entre los valores de vapor saturado y liquido saturado de la misma propiedad 29

30 2.1.- Propiedades de las sustancias puras Procesos de cambio de fase de Sustancias puras CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL AGUA P R E S I Ó N S Ó L I D O LÍQUIDO Punto Triple Punto Crítico VAPOR TEMPERATURA 30

31 Diagramas de fases Un diagrama de fases es un gráfico que muestra las presiones y temperaturas a las que están en equilibrio diferentes fases. (Se representa la T vs P) Presión Punto Crítico Punto de : -Ebullición/condensación -Sublimación -Fusión/Congelación Punto Triple Temperatura Diagramas de fases Punto Triple: Punto (Tª y presión) donde las tres fases están en equilibrio. Punto crítico: Punto (Tª y presión crítica) sobre el cual la fase líquida y gaseosa una sustancia son indistinguibles. Presión Fluido Supercrítico Ej.: Para el CO 2 Tc= 31ºC y Pc= 72.9atm A B A- Hay condensación B- No hay condensación Temperatura 31

32 Diagrama P-v P Punto crítico Líquido comprimido Líquido saturado Vapor saturado Saturada líquido-vapor T 2 > T 1 Vapor sobrecalentado T 1 v = v + x f ( v v ) g f v T Líquido comprimido Diagrama T-v Punto crítico Líquido saturado Saturada líquido-vapor P 2 > P 1 Vapor saturado P 1 Vapor sobrecalentado m x = m vapor total v 32

33 Entropía Medida del desorden molecular Calidad de la energía disminuye Entropía del Universo aumenta T Punto crítico P 2 > P 1 s 2 P 1 Líquido comprimido s 1s s 1 Vapor sobrecalentado s 1 = s 1s < s 2 s Aire y/o gases Prop. Termod.. Fluidos interés s técnicot Agua Refrigerantes Tablas Gráficos Algebraica Diagramas Ecuaciones de estado 33

34 TIPOS DE TABLAS DE PROPIEDADES Tablas de Saturación Propiedades de bifásica liquido-vapor Tablas de líquidos l y vapores Propiedades de las regiones monofásicas Liquido y vapor Liquido saturado Vapores saturados Mezclas liq-vap Liquidos subenfriados Vapores sobrecalentados b) Mezcla saturada de líquido y vapor Durante proceso de EVAPORACIÓN una sustancia existe como: Parte líquida Parte vapor Para analizar se necesita conocer las proporciones de líquido y vapor Nueva propiedad: Calidad (X) : Razón n entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla 34

35 a) Estados de líquido saturado y de vapor saturado Diagr. : t -v T[ºC] Pto.Crítico (22,09 Mpa / 374,14ºC / 0,003155[m 3 /kg]) Zona de saturación (2 fases) Zona de vapor sobrecalentado 70 Línea vapor saturado 50[bar] Líquido saturado Pto. Crítico 0,01 0,02 0,03 0,04 t [ºC] p [MPa] v [m 3 /kg] v [m 3 /kg] Tablas de Propiedades H 2 O 374,14 22,09 0, CO 2 34,05 7,39 0, O 2-118,05 5,08 0, H 2-239,85 1,30 0,

36 c) Vapor Sobrecalentado Ubicada en la región derecha de la línea de vapor saturado. Región de una sola fase P y T ya no son prop dependientes Ver tablas Libro Tablas de Propiedades d) Líquido Comprimido No existen muchas tablas para el líquido comprimido ya que sufren pequeñas variaciones con la presión: Esto es... Si aumento 100 veces la presión ocasiona que las propiedades varíen menos del 1% S/E propiedad más afectada es la entalpía. Ante falta de datos se aproxima al liquido comprimido como un liquido saturado a la temperatura dada 36

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39 Cambios de fase Durante un cambio de fase, la presión y la temperatura son propiedades dependientes P sat A una Presión n dada, la T a la cual una sustancia empieza a hervir se llama Temperatura de Saturación, Tsat T sat A una Temperatura dada, la presión a la cual una sust pura empieza a hervir se llama Presión n de saturación, Psat 39

40 Vapor sobrecalentado NÍVEL DE ENERGÍA Vapor saturado Líquido saturado Mezcla saturada de líquido-vapor Líquido comprimido o subenfriado Entalpía Generación de potencia Refrigeración H = U + PV h = u + Pv u 2 p 2 v 2 u 1 p 1 v 1 Turbinas, compresores y toberas Flujo permanente Q& W& = m& ( h + ec + ep) q w = h 40

41 1.- DIBUJAR DIAGRAMA T v DEL VAPOR DE AGUA 2.- BUSCAR Psat Ó Tsat SEGÚN INFORMACIÓN DADA 3.- ENCONTRAR ZONA: SUBENFRIADA MEZCLA SOBRECALENTADA 4.- BUSCAR EN TABLA Ó CALCULAR SEGÚN CORRESPONDA 41

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