Datos Descriptivos. Guía de Aprendizaje Información al estudiante. Sólo castellano Sólo inglés Ambos IDIOMA IMPARTICIÓN ASIGNATURA: TERMODINÁMICA

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1 Guía de Aprendizaje Información al estudiante Datos Descriptivos ASIGNATURA: TERMODINÁMICA MATERIA: CRÉDITOS EUROPEOS: 6 CARÁCTER: Obligatoria TITULACIÓN: Graduado en ingeniería aeroespacial CURSO/SEMESTRE Segundo/primero ESPECIALIDAD: Común CURSO ACADÉMICO 2014/2015 PERIODO IMPARTICION IDIOMA IMPARTICIÓN Septiembre- Enero Febrero - Junio x Sólo castellano Sólo inglés Ambos x 1

2 DEPARTAMENTO: Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial PROFESORADO NOMBRE Y APELLIDO (C = Coordinador) DESPACHO Correo electrónico Barrero Gil, Antonio Cabrera Revuelta, Ignacio Jiménez de Cisneros Bailly-Bailliere, Borja Moreno Martín, Rafael Pérez Grande, Isabel (C) antonio.barrero@upm.es ignacio.cabrera@upm.es borja.jimenezdecisneros@upm.es rafael.moreno@upm.es isabel.perez.grande@upm.es; CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS PARA PODER SEGUIR CON NORMALIDAD LA ASIGNATURA ASIGNATURAS Las legalmente establecidas para el acceso a segundo curso. SUPERADAS COMPETENCIAS Y NIVEL ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Código COMPETENCIA NIVEL CG 1 CG 3 CG 9 CE2-BA02 CE8-CA02 Capacidad de organización y de planificación Capacidad para identificar y resolver problemas aplicando, con creatividad, los conocimientos adquiridos Razonamiento crítico y capacidad de asociación que posibiliten el aprendizaje de forma racional. Conocimiento adecuado de los principios y métodos de la Termodinámica Aptitud para aplicar los conocimientos adquiridos sobre los principios de la Termodinámica a la Ingeniería 2

3 Código. - RA RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Entender y aplicar los conceptos incluidos en el temario de la asignatura. Familiarizar a los alumnos con los conceptos de energía y entropía, así como las aplicaciones del primer y segundo principios tanto a sistemas cerrados como, principalmente, a sistemas abiertos. Adquirir el hábito de razonar de forma rigurosa y expresar las ideas y conceptos con precisión. Incrementar la capacidad de abstracción para poder formular y calcular, de forma precisa, las soluciones de los problemas de la ingeniería.. Contenidos y Actividades de Aprendizaje CONTENIDOS ESPECÍFICOS (TEMARIO) TEMA / CAPITULO Tema 1: Algunos conceptos y definiciones Tema 2: Primer principio de la termo-dinámica. Energía APARTADO Alcance y método de la termodinámica. Sistema termodinámico. Propiedad, estado, proceso. Equilibrio: proceso cuasiestático. Frontera adiabática y frontera diatérmana; equilibrio térmico. Principio cero de la Termodinámica. Definición empírica de temperatura. Densidad y presión. Concepto de trabajo. Proceso adiabático. Evaluación del trabajo en una superficie. Primer principio de la termodinámica. Energía. Principio de conservación de la energía para una masa de control; calor. Ecuación de la energía interna. Indica dores Relaci onado s 3

4 Trabajo en procesos reversibles. Postulado de estado; sistema simple. Tema 3: Segundo principio de la termo-dinámica. Entropía Tema 4: Primer y segundo principios aplicados a volúmenes de control Tema 5: Potenciales termodinámicos. Relaciones termodinámicas generalizadas Tema 6: Equilibrio de los sistemas termodinámicos. Transición de fase. Enunciados de Kelvin-Plank y de Clausius del segundo principio: equivalencia de estos postulados. Procesos reversibles e irreversibles. Teoremas de Carnot Escala termodinámica de temperatura. Teorema (desigualdad) de Clausius. Entropía. Procesos reales; producción de entropía. Ecuación de Gibbs. Entropía y energía no utilizable. Variación de una propiedad extensiva: teorema del transporte de Reynolds Primer principio aplicado a volúmenes de control. Ecuación del segundo principio para volúmenes de control. Procesos en régimen estacionario. Ecuación de Bernouilli generalizada. Magnitudes de remanso. Análisis de turbinas, compresores, difusores y toberas; rendimiento adiabático de estos dispositivos. Dispositivos de estrangulamiento. Potenciales termodinámicos, potencial termodinámico U (energía interna). Transformación de Legendre. Otros potenciales termodinámicos. Relaciones de Maxwell. Relaciones generalizadas para cambios de energía interna, entalpía y entropía. Relaciones generalizadas para c p y c v. Diferencia c p - c v. Coeficiente de Joule-Thomson. Datos que necesita la Termodinámica. Potencial químico. Criterios de equilibrio y estabilidad: Principio de máxima entropía; principio de mínima energía. Criterios de estabilidad para los otros potenciales termodinámicos. Propiedades termodinámicas en el equilibrio de los sistemas. Condiciones de estabilidad de los sistemas simples compresibles. 4

5 Cambio de fase: regla de Gibbs de las fases para un sistema no reactivo. Ecuación de Clapeyron. Propiedades termodinámicas del agua. Cronograma de trabajo de la asignatura Semana Actividades Aula Laboratorio Actividades Evaluación 1 X 2 X 3 X 4 X X 5 X X 6 X X 7 X X Primera prueba de control: al alumno se le examina de la teoría de los temas 1, 2 y 3 8 X X 9 X X 10 X X 5

6 11 X X Segunda prueba de control: al alumno se le examina de la teoría de los temas 1, 2, 3 y 4 así como de los problemas relacionados con esos temas. 12 X X 13 X X 14 X X 15 X X 16 X Sistema de evaluación de la asignatura EVALUACION Ref T1_1 T1_2 T1_3 T1_4 T2_1 T2_2 INDICADOR DE LOGRO Conocimiento de la definición y clasificación de los sistemas termodinámicos. Conocimiento del concepto de proceso cuasiestático y su interés y necesidad. Conocimiento del principio cero de la Termodinámica como fundamento para la definición empírica de la temperatura. Conocimiento de la definición y unidades de la densidad y presión y la relación entre las distintas unidades en que esta última puede ser expresada. Conocimiento de la definición de trabajo y su aplicación a la frontera de separación entre dos sistemas. Conocimiento del primer principio de la Termodinámica y como consecuencia de este la definición de energía. Principio de conservación de la energía y como consecuencia la definición de calor. Aplicación de este principio de conservación de la energía a la Relacionado con RA:, 6

7 frontera entre dos sistemas. T2_3 Conocimiento de la definición y ecuación de la energía interna. T3_1 Conocimiento de los enunciados del segundo principio dados por Kelvin-Planck y Clausius y la equivalencia de los mismos. T3_2 Conocimiento de los teoremas de Carnot. T3_3 Conocimiento del teorema (desigualdad) de Clausius y, como, consecuencia, la definición de entropía y su aplicación a procesos reales. T3_4 Conocimiento de la ecuación de Gibbs. T3_5 Conocimiento de la relación entre la entropía y la energía no utilizable. T4_1 Conocimiento del primer y segundo principio aplicados a volúmenes de control. T4_2 Conocimiento de los procesos en régimen estacionario y su, aplicación a compresores, turbinas, difusores, toberas y dispositivos de estrangulación. Conocimiento de la necesidad y definición de los potenciales T5_1 termodinámicos y su obtención, partiendo de la ecuación de Gibbs y, mediante la transformación de Legendre, así como las relaciones de Maxwell obtenidas a partir de estos potenciales. Conocimiento de las relaciones termodinámicas generalizadas para T5_2 los cambios de energía interna, entalpía y entropía; de las, capacidades térmicas específicas a presión y volumen constantes y del coeficiente de Joule-Thomson. T6_1 Conocimiento de los criterios de equilibrio y estabilidad de los sistemas termodinámicos T6_2 Aplicar estos criterios de equilibrio y estabilidad obteniendo las propiedades termodinámicas en el equilibrio de los sistemas simples compresibles así como las condiciones de estabilidad de estos sistemas T6_2 Conocimiento de la regla de las fases de Gibbs y partiendo del equilibrio de los sistemas bifásicos obtener la ecuación de Clapeyron. T6_3 Determinar las propiedades termodinámicas del agua en la línes de, transición de fase líquido-vapor 7

8 BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES ORGANIZATIVAS UTILIZADAS Y METODOS DE ENSEÑANZA EMPLEADOS CLASES DE TEORIA CLASES PROBLEMAS PRACTICAS TUTORÍAS Clase magistral. Interactiva con el alumno en la resolución de los problemas planteados. Después de una introducción teórica de las prácticas, los alumnos deben realizar los experimentos bajo la supervisión del profesor. Las legalmente establecidas. RECURSOS DIDÁCTICOS Apuntes de Termodinámica. Publicaciones de la EIAE Biel, J., Curso sobre el formalismo y los métodos de la Termodinámica; Ed. BIBLIOGRAFÍA Reverté S.A. Barcelona, 1998 Moran, M.J. y Shapiro, H.N., Fundamentos de Termodinámica técnica. Ed. Reverté 2ª ed (traducción de la 4ª ed. Inglesa) Barcelona Wark, K,.y Richards, D. E., Termodinámica 6ª ed. (traducción de la 6ª ed. Inglesa) McGraw-Hill, Madrid, RECURSOS WEB EQUIPAMIENTO Plataforma moodle. Los dispositivos existentes en el laboratorio para la realización de las prácticas 8

9 Ficha Técnica de Asignatura ASIGNATURA: TERMODINÁMICA Nombre en Inglés: THERMODYNAMICS MATERIA: Créditos Europeos: 6 Código UPM: CARÁCTER: Obligatorio TITULACIÓN: Graduado en Ingeniería Aeroespacial. CURSO: Segundo ESPECIALIDAD: Común DEPARTAMENTO: Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial PERIODO IMPARTICION IDIOMA IMPARTICIÓN Septiembre- Enero Febrero - Junio X Sólo castellano Sólo inglés Ambos X CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS PARA PODER SEGUIR CON NORMALIDAD LA ASIGNATURA ASIGNATURAS Las legalmente establecidas para el acceso a segundo curso. SUPERADAS COMPETENCIAS Y NIVEL ASIGNADAS A LA ASIGNATURA Código COMPETENCIA NIVEL CG 1 CG 3 Capacidad de organización y de planificación Capacidad para identificar y resolver problemas aplicando, con creatividad, los conocimientos adquiridos 9

10 CG 9 CE2-BA02 CE8-CA02 Razonamiento crítico y capacidad de asociación que posibiliten el aprendizaje de forma racional. Conocimiento adecuado de los principios y métodos de la Termodinámica Aptitud para aplicar los conocimientos adquiridos sobre los principios de la Termodinámica a la Ingeniería Código. - RA RESULTADOS DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA Entender y aplicar los conceptos incluidos en el temario de la asignatura. Familiarizar a los alumnos con los conceptos de energía y entropía, así como las aplicaciones del primer y segundo principios tanto a sistemas cerrados como, principalmente, a sistemas abiertos. Adquirir el hábito de razonar de forma rigurosa y expresar las ideas y conceptos con precisión. Incrementar la capacidad de abstracción para poder formular y calcular, de forma precisa, las soluciones de los problemas de la ingeniería.. CONTENIDOS ESPECÍFICOS (TEMARIO) TEMAS Tema 1: Algunos conceptos y definiciones Tema 2: Primer principio de la termo-dinámica. Energía APARTADOS Alcance y método de la termodinámica. Sistema termodinámico. Propiedad, estado, proceso. Equilibrio: proceso cuasiestático. Frontera adiabática y frontera diatérmana; equilibrio térmico. Principio cero de la Termodinámica. Definición empírica de temperatura. Densidad y presión. Concepto de trabajo. Proceso adiabático. Evaluación del trabajo en una superficie. Primer principio de la termodinámica. Energía. Principio de conservación de la energía para una masa de control; calor. Ecuación de la energía interna. 10

11 Trabajo en procesos reversibles. Postulado de estado; sistema simple. Tema 3: Segundo principio de la termo-dinámica. Entropía Tema 4: Primer y segundo principios aplicados a volúmenes de control Tema 5: Potenciales termodinámicos. Relaciones termodinámicas generalizadas Tema 6: Equilibrio de los sistemas termodinámicos. Transición de fase. Enunciados de Kelvin-Plank y de Clausius del segundo principio: equivalencia de estos postulados. Procesos reversibles e irreversibles. Teoremas de Carnot Escala termodinámica de temperatura. Teorema (desigualdad) de Clausius. Entropía. Procesos reales; producción de entropía. Ecuación de Gibbs. Entropía y energía no utilizable. Variación de una propiedad extensiva: teorema del transporte de Reynolds Primer principio aplicado a volúmenes de control. Ecuación del segundo principio para volúmenes de control. Procesos en régimen estacionario. Ecuación de Bernouilli generalizada. Magnitudes de remanso. Análisis de turbinas, compresores, difusores y toberas; rendimiento adiabático de estos dispositivos. Dispositivos de estrangulamiento. Potenciales termodinámicos, potencial termodinámico U (energía interna). Transformación de Legendre. Otros potenciales termodinámicos. Relaciones de Maxwell. Relaciones generalizadas para cambios de energía interna, entalpía y entropía. Relaciones generalizadas para c p y c v. Diferencia c p - c v. Coeficiente de Joule-Thomson. Datos que necesita la Termodinámica. Potencial químico. Criterios de equilibrio y estabilidad: Principio de máxima entropía; principio de mínima energía. Criterios de estabilidad para los otros potenciales termodinámicos. Propiedades termodinámicas en el equilibrio de los sistemas. Condiciones de estabilidad de los sistemas simples compresibles. 11

12 Cambio de fase: regla de Gibbs de las fases para un sistema no reactivo. Ecuación de Clapeyron. Propiedades termodinámicas del agua. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES ORGANIZATIVAS UTILIZADAS Y METODOS DE ENSEÑANZA EMPLEADOS CLASES DE TEORIA CLASES PROBLEMAS PRACTICAS TUTORÍAS Clase magistral. Interactiva con el alumno en la resolución de los problemas planteados. Después de una introducción teórica de las prácticas, los alumnos deben realizar los experimentos bajo la supervisión del profesor. Las legalmente establecidas. RECURSOS DIDÁCTICOS Apuntes de Termodinámica. Publicaciones de la EIAE. BIBLIOGRAFÍA Biel, J., Curso sobre el formalismo y los métodos de la Termodinámica; Ed. Reverté S.A. Barcelona, Moran, M.J. y Shapiro, H.N., Fundamentos de Termodinámica técnica. Ed. Reverté 2ª ed (traducción de la 4ª ed. Inglesa) Barcelona Wark, K,.y Richards, D. E., Termodinámica 6ª ed. (traducción de la 6ª ed. Inglesa) McGraw-Hill, Madrid,

13 RECURSOS WEB EQUIPAMIENTO La plataforma moodle. Los dispositivos existentes en el laboratorio para la realización de las prácticas. Sistema de evaluación de la asignatura EVALUACION Ref INDICADOR DE LOGRO Relacionado con RA: T1_1 Conocimiento de la definición y clasificación de los sistemas termodinámicos. T1_2 Conocimiento del concepto de proceso cuasiestático y su interés y necesidad. T1_3 Conocimiento del principio cero de la Termodinámica como fundamento para la definición empírica de la temperatura. T1_4 Conocimiento de la definición y unidades de la densidad y presión y la relación entre las distintas unidades en que esta última puede ser expresada. T2_1 Conocimiento de la definición de trabajo y su aplicación a la frontera de separación entre dos sistemas. Conocimiento del primer principio de la Termodinámica y como T2_2 consecuencia de este la definición de energía. Principio de, conservación de la energía y como consecuencia la definición de calor. Aplicación de este principio de conservación de la energía a la frontera entre dos sistemas. T2_3 Conocimiento de la definición y ecuación de la energía interna. T3_1 Conocimiento de los enunciados del segundo principio dados por Kelvin-Planck y Clausius y la equivalencia de los mismos. T3_2 Conocimiento de los teoremas de Carnot. T3_3 Conocimiento del teorema (desigualdad) de Clausius y, como, consecuencia, la definición de entropía y su aplicación a procesos reales. T3_4 Conocimiento de la ecuación de Gibbs. T3_5 Conocimiento de la relación entre la entropía y la energía no utilizable. T4_1 Conocimiento del primer y segundo principio aplicados a volúmenes de control. 13

14 T4_2 T5_1 T5_2 T6_1 T6_2 T6_2 T6_3 Conocimiento de los procesos en régimen estacionario y su aplicación a compresores, turbinas, difusores, toberas y dispositivos de estrangulación. Conocimiento de la necesidad y definición de los potenciales termodinámicos y su obtención, partiendo de la ecuación de Gibbs y mediante la transformación de Legendre, así como las relaciones de Maxwell obtenidas a partir de estos potenciales. Conocimiento de las relaciones termodinámicas generalizadas para los cambios de energía interna, entalpía y entropía; de las capacidades térmicas específicas a presión y volumen constantes y del coeficiente de Joule-Thomson. Conocimiento de los criterios de equilibrio y estabilidad de los sistemas termodinámicos Aplicar estos criterios de equilibrio y estabilidad obteniendo las propiedades termodinámicas en el equilibrio de los sistemas simples compresibles así como las condiciones de estabilidad de estos sistemas Conocimiento de la regla de las fases de Gibbs y partiendo del equilibrio de los sistemas bifásicos obtener la ecuación de Clapeyron. Determinar las propiedades termodinámicas del agua en la línes de transición de fase líquido-vapor,,,, DESCRIPCION GENERAL DE LAS ACTIVIDADES EVALUABLES y DE LOS CRITERIOS DE CALIFICACIÓN El proceso de evaluación que se plantea en esta asignatura es el siguiente: Evaluación de control: para poder disponer de información sobre el desarrollo del curso, se propone un sistema de dos controles que consistirán: el primero en la respuesta a un test de evaluación con preguntas de los temas desarrollados hasta la fecha de realización del control. Este control se valorará como un 7,5% de la nota final. El segundo control constará de dos problemas relacionados con la materia de los temas 2, 3 y 4 así como de un test con preguntas de esos mismos temas. Este segundo control se valorará con un 52,5% Evaluación de las prácticas de laboratorio: se tendrá que entregar un informe de cada una de las prácticas realizadas. Estos informes contendrán como mínimo el método utilizado, resultados y conclusiones. Se valorará con un 15% la presentación de los informes de prácticas 14

15 siempre que la nota del examen final sea mayor que 4,5 sobre 10. Evaluación final: Se realizará un examen de toda la asignatura al finalizar el curso. Se valorará con un 40% sobre la nota final para los alumnos que hayan aprobado el segundo control. Para el resto de alumnos será el 100% Para aprobar la asignatura, deberá obtenerse una calificación total superior o igual al 50%. 15