UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA PLAN GLOBAL TERMODINAMICA APLICADA INGENIERIA INDUSTRIAL

Transcripción

1 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA PLAN GLOBAL TERMODINAMICA APLICADA INGENIERIA INDUSTRIAL I. DATOS DE IDENTIFICACIÓN Nombre de la materia: Termodinámica Aplicada Código: Grupo: 1 Carga horaria: 4 teóricas y 2 practicas Materias con las que se relaciona: Física básica 2 - Fisicoquímica Docente: Julio Marcelo Torrejón Rocabado Teléfono: Correo Electrónico: mtorre@fcyt.umss.edu.bo II. JUSTIFICACIÓN Hace varios años que en las carreras de Ingeniería y ciencias aplicadas, existe una marcada tendencia a impartir la termodinámica como una ciencia básica en la formación de los futuros profesionales, esta materia se dicta desde dos puntos de vista: el clásico y el estadístico. En algunas universidades se logró esto presentando la materia en cursos distintos e independientes. Ante todo, ahora se pretende proporcionar una rigurosa y clara introducción tanto a la termodinámica clásica como a la estadística. Considerando básicamente las necesidades del estudiante, por ello en el transcurso del semestre se resolverán numerosos ejemplos, aprovechando que la termodinámica es una materia que se caracteriza por una lógica y una estructura maravillosas, se recalca esto porque el estudio de la termodinámica puede ser muy provechoso para formar al alumno en el razonamiento lógico y en el rigor intelectual. También podemos añadir que la termodinámica es una ciencia fundamental que estudia básicamente la energía, y desde hace mucho es parte esencial de los planes de estudio de ingeniería en todo el mundo. Se enfocará básicamente desde el punto de vista clásico o macroscópico ya que este enfoque concuerda mas con la intuición de los estudiantes y permite que el aprendizaje del tema sea mucho mas sencillo. Ciertos estudiantes perciben la termodinámica como un tema difícil, en lo que respecta a adecuar la teoría con la práctica, por lo cual muchos estudiantes temen experimentar. Por el contrario, la termodinámica es un tema sencillo y una mente observadora no debe tener dificultad para entenderla. Después de todo, los principios de la termodinámica se basan en nuestras experiencias diarias y en observaciones experimentales. La termodinámica es una ciencia madura y los temas cubiertos en casi todos los textos son muy claros 1

2 III. OBJETIVOS Al finalizar la materia, el estudiante de Termodinámica I, será 1. Diferenciar entre calor y temperatura. 2. Expresar los conceptos y principios fundamentales de la termodinámica. 3. Formular correctamente la ecuación de la primera ley de la termodinámica para el régimen uniforme. 4. Evaluar la variación de Entropía de un sistema cerrado en una transformación, según su compatibilidad con la segunda ley de la termodinámica. 5. Clasificar sin error si un proceso es reversible o irreversible. IV. SELECCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE CONTENIDOS UNIDAD 1: CONCEPTOS Y DEFINICIONES BÁSICAS Objetivo de la Unidad Al final de la unidad, el estudiante de Termodinámica Aplicada será CACAPI Identificar los conceptos y principios fundamentales de la termodinámica. Determinar el sistema de unidades adecuado en la solución de problemas. Describir sin error alguno los procesos termodinámicos. Establecer el concepto de Temperatura de un sistema desde el punto de vista termodinámico. Diferenciar entre sistema termodinámico y volumen de control. 1.1 Introducción. Formas de energía. Transformaciones energéticas. Puntos de vista macroscópico y microscópico. Sistemas y volumen de control. Máquinas térmicas. Propiedades. Estado termodinámico. Proceso. Temperatura y la ley cero. Presión y volumen específico. Sistemas de unidades UNIDAD 2: PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA Objetivos de la Unidad Al terminar la unidad, el estudiante de Termodinámica Aplicada será Establecer el concepto de Sustancia Pura. Establecer sin error las diferentes fases de una sustancia pura. Emplear correctamente el diagrama de propiedades para procesos de cambio de fase. Utilizar sin error alguno las tablas de propiedades termodinámicas. Aplicar las ecuaciones de estado para un gas ideal en diferentes procesos termodinámicos. 2

3 La sustancia pura. Fases de una sustancia pura. Proceso de cambio de fase de una sustancia pura. Diagrama de propiedades para procesos de cambios de fase. El diagrama temperatura volumen específico. El diagrama presión volumen específico. La superficie P υ T Tablas de propiedades termodinámicas. La ecuación de estado Factor de compresibilidad. 2.9 Ecuaciones de estado para un gas ideal. UNIDAD 3: TRABAJO Y CALOR Objetivos de la Unidad: Al terminar la unidad, el estudiante de Termodinámica Aplicada será 1. Expresar sin error el concepto termodinámico de trabajo. 2. Diferenciar correctamente entre la diferentes formas de trabajo que se presentan en la naturaleza. 3. Aplicar sin error alguno la convención de signos existente para calor y trabajo. 4. Establecer correctamente el concepto de calor. 5. Describir correctamente las diferentes formas de transmisión de calor. 3.1 Trabajo en sistemas mecánicos. 3.2 Trabajo en sistemas termodinámicos Concepto de trabajo termodinámico Medida del trabajo. Convención de signos y notación Trabajo en una frontera móvil Trabajo en sistema compresible Trabajo en procesos cuasiestáticos Otras formas de trabajo Trabajo elástico o de resorte Trabajo efectuado sobre barras sólidas elásticas Trabajo asociado con el estiramiento de una película líquida Trabajo del eje Trabajo eléctrico. 3.3 Calor. 3.4 Diferencia entre calor y trabajo. 3.5 Comparación entre calor y trabajo. 3.6 Metodología para resolver problemas. 3

4 UNIDAD 4: PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS Objetivo de la Unidad Al terminar la unidad, el estudiante de Termodinámica Aplicada será 1. Establecer correctamente la ecuación de la primera ley de la termodinámica. 2. Reproducir la conservación de la energía mecánica a sistemas no mecánicos. 3. Evaluar el trabajo, con los cambios de la energía interna de sistema y el calor. 4. Establecer correctamente la primera ley de la termodinámica como ecuación de rapidez. 5. Emplear correctamente los conceptos de calores específicos y coeficiente de Joule Thomson en la solución de problemas prácticos de la unidad. 4.1 De la serie de Fourier a la integral de Fourier 4.2 Transformadas de Fourier 4.3 Transformadas seno y coseno de Fourier 4.4 Interpretación de las transformadas de Fourier 4.5 Propiedades de las transformadas de Fourier 4.6 Convolución 4.7 La transformada de Fourier de una función impulso 4.8 La transformada de Fourier de una constante 4.9 La transformada de Fourier del escalón unitario 4.10 La transformada de Fourier de una función periódica UNIDAD 5: PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA VOLÚMENES DE CONTROL Objetivo de la Unidad Al terminar la unidad, el estudiante de Termodinámica Aplicada será 1. Analizar correctamente los sistemas que incluyen flujo de masa a través de sus fronteras, es decir volúmenes de control. 2. Establecer sin error los procesos de flujo permanente, ( proceso modelo para muchos dispositivos de ingeniería como las turbinas, compresores y los intercambiadores de calor). 3. Establecer sin error los procesos generales de flujo no permanente. (el cual es el modelo para los procesos de carga y descarga comúnmente encontrados). 4. Definir correctamente la propiedad termodinámica Entalpía. 5. Aplicar correctamente la ecuación de la primera ley de la termodinámica para volúmenes de control, en la solución de problemas prácticos. Análisis termodinámico de volúmenes de control. Teorema del transporte de Reynolds. Ecuación de continuidad (conservación de la masa) La primera ley para un volumen de control. Entalpía. El proceso de flujo permanente o estable. El proceso de flujo no permanente o inestable. Consideraciones básicas. Ecuación de continuidad. Ecuación de la primera ley para un flujo uniforme. 4

5 UNIDAD 6: TRANSFORMACIONES DE SISTEMAS GASEOSOS OBJETIVOS DE LA UNIDAD: Al terminar la unidad, el estudiante de Termodinámica I será 1. Establecer sin error el concepto de gas ideal. 2. Utilizar correctamente la experiencia de Joule en problemas prácticos. 3. Analizar sin error los procesos cuasiestáticos en gases ideales. 4. Evaluar el proceso politrópico en aplicaciones de los gases ideales. CONTENIDO: 6.1 Definición de gas ideal Ecuaciones de estado térmico Ecuación de estado energético Experiencia de Joule Energía interna y entalpía de un gas ideal. 6.2 El gas perfecto. 6.3 Procesos cuasiestáticos en gases ideales Proceso isócoro Proceso isóbaro Proceso isotermo Proceso adiabático El proceso politrópico UNIDAD 7: LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA OBJETIVOS DE LA UNIDAD: Al terminar la unidad, el estudiante de Termodinámica I será 1. Establecer correctamente la segunda ley de la termodinámica. 2. Evaluar la eficiencia de las máquinas térmicas sin error. 3. Establecer sin error el concepto de ciclo. 4. Establecer la relación entre la entropía y el desorden de un sistema. 5. Describir las transformaciones de energía en una máquina térmica. 6. Establecer correctamente los principios de Carnot. 7. Evaluar sin error la máquina térmica de Carnot. 8. Emplear correctamente los principios relacionados con los refrigeradores y la bomba de calor de Carnot. CONTENIDO: 7.1 Introducción a la segunda ley de la termodinámica. 7.2 Depósitos de energía térmica. 7.3 Máquinas térmicas. 7.4 Entropía. 7.5 Eficiencia térmica. 7.6 Refrigeradores y bombas de calor. 7.7 Enunciados de la segunda ley. 7.8 Procesos reversibles e irreversibles. 7.9 El ciclo de Carnot 7.10 Los principios de Carnot La escala termodinámica de temperatura La máquina térmica de Carnot El refrigerador y la bomba de calor de Carnot. 5

6 V. METODOLOGIAS Exposición dialogada; El profesor expone el tema, hace preguntas motivando a los alumnos a participar de la clase respondiendo las consultas y en la discusión se dialoga. Estudio de casos/ problemas; Se realiza en grupos, donde se analiza un problema real o simulado, se discute la solución y se sacan conclusiones. VI. CRONOGRAMA O DURACIÓN EN PERIODOS ACADÉMICOS POR UNIDAD UNIDAD DURACIÓN (HORAS ACADEMICAS) DURACIÓN EN SEMANA CONCEPTOS Y DEFINICIONES BÁSICAS 12 2 PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA 18 3 TRABAJO Y CALOR 18 3 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA VOLÚMENES DE CONTROL TRANSFORMACIONES DE SISTEMAS GASEOSOS LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

7 VII. CRITERIOS DE EVALUACIÓN 1. Formativa durante el desarrollo del tema, en la evidencia de la asimilación de los objetivos. 2. Sumaria, revisión de trabajos prácticos. VIII. BIBLIOGRAFÍA 1. Introducción a la termodinámica clásica y estadística, Richard E. Sonntag y Gordon J. Van Wylen; Editorial NORIEGA LIMUSA; México; Quinta edición ; Páginas: 637 a la Fundamentos de Termodinámica, Van Wylen Sonntag Borgnakke; Editora Edgar Blücher; Brazil; Quinta edición 2002; Páginas 319 a la TERMODINÁMICA; Faires; Editorial UTEHA - México; Quinta edición 1995; Páginas 194 a la TERMODINÁMICA; Yunus A. Cengel Michael A. Boles; Editorial Mc Graw Hill; Colombia; Segunda edición 1998; se encuentra en la biblioteca de Ciencias y Tecnología oo0oo