UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA TEXTO: TERMODINÁMICA PRÁCTICA Informe final del proyecto de investigación elaborado por el Ing. Teodoro Rodolfo Rosel Gallegos, Docente Investigador de la FIEE-UNAC. Periodo de ejecución del 01/04/2011 al 31/03/2012 Aprobación del proyecto: RR R aprobado el 13/04/2011. CALLAO LIMA PERÚ 2012

2 INDICE a. INDICE... II b. RESUMEN... III c. INTRODUCCIÓN... IV d. MARCO TEÓRICO... VII e. MATERIALES Y MÉTODO... VIII f. RESULTADOS... IX g. DISCUSIÓN... X h. APÉNDICE... X i. ANEXO... XI II

3 b. RESUMEN Complementando con el primer Proyecto de Investigación Texto: Termodinámica Aplicada se presenta este segundo proyecto intitulado Texto: Termodinámica Práctica con el objetivo de facilitar al estudiante de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UNAC y de otras Facultades en donde se imparte el estudio de la ciencia Termodinámica en el entendimiento de la teoría básica que se proporciona en los diferentes libros sobre la materia. El estudiante podrá contar con una herramienta más, en la comprensión de la solución de los variados problemas que se presentan, de manera de poder disponer de medios de análisis adecuados, estableciendo una similitud idealizada con lo que realmente sucede en el plano real. El alumno deberá siempre tener presente, que solucionar un problema no es solamente llegar a un resultado, que puede ser importante, pero también lo es, el procedimiento que se emplee. Es recomendable que en la solución de un problema, es importante el planteamiento del mismo, comenzando con la lectura del problema de manera de obtener toda la información posible. A continuación realizar un análisis del problema, es decir, establecer la relación que exista con las leyes o principios físicos, propiedades de la materia y la hipótesis del planteamiento que permita describir el comportamiento del sistema. Es conveniente solucionar las ecuaciones planteadas en forma algebraica hasta donde sea posible antes del reemplazo de valores numéricos que de hacerlo, tempranamente, pueden conducir a errores. No olvide que es frustrante abandonar un planteamiento correcto por un paso incorrecto. Finalmente la revisión del problema que muchas veces se omite, por ejemplo, el resultado obtenido es razonable? se encuentra dentro del rango III

4 de soluciones para el problema propuesto? tiene sentido físico? Preguntas de este tipo nos darán mayor seguridad y solidez en la solución del problema. La solución de variados problemas, proporcionará al alumno la experiencia necesaria y poder emplear el juicio necesario para seleccionar las mejores herramientas que aumentará la capacidad de solución del estudiante. Otra de las características del texto es el desarrollo de los problemas, en su integridad, utilizando el Sistema Internacional de Unidades conocido como el Sistema ISO. c. INTRODUCCIÓN Se debe tener presente que todo Proyecto de Investigación tiene como objetivo ampliar conceptos teóricos o de aplicación, así como, temas de discusión. Para el caso mediático, en cuestión, la elaboración de un texto de estudio que tenga como objetivo el apoyo y estímulo que se brinde a los alumnos a desarrollar un enfoque sistemático en la resolución de problemas planteados, todo ello como consecuencia de la dispersión de información existente, ya sea en libros, textos, separatas y otros que confunden a los estudiantes, es por todo esto, que era necesario establecer la convergencia y sistematización de los capítulos acorde con el sílabo de la asignatura. c.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DEL TEMA DESCRIPCIÓN DEL TEMA La elaboración de un texto que complemente la teoría del curso de Termodinámica deberá ser utilizado por los alumnos que estudian la asignatura, en especial a los alumnos de la Facultad de Ingeniería Eléctrica. Es claro que uno de los aspectos más importantes en el estudio de una asignatura de Ciencias, es la de reforzar sus conocimientos teóricos, es por ello IV

5 que se trata de poner al alcance de los estudiantes un texto, que recopile el material apropiado y sea el soporte que complemente sus estudios de teoría, desarrollando en forma clara y metódica problemas propuestos en libros, exámenes propuestos, separatas, etc. de manera que sirva de guía y apoyo a los futuros profesionales. ANÁLISIS DEL TEMA Si se tiene en cuenta que el tema central en el estudio de esta disciplina es el desarrollo de la teoría del curso, en base al sílabo propuesto, es también relevante la estimulación que se dé a los alumnos en lo que respecta al enfoque claro, ágil y práctico en la resolución de problemas planteados, lo que redundará en la seguridad y confianza del educando al complementar sus estudios. C.2. OBJETIVOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN OBJETIVO GENERAL Complementar los conocimientos teóricos básicos en el estudio de la ciencia termodinámica de los alumnos de pre grado, motivándolos y mejorando su rendimiento académico, en especial a los alumnos de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, pudiendo ser extensiva a estudiantes de otras Facultades. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Brindar seguridad y confianza a los estudiantes, en sus estudios de teoría del curso Termodinámica. Lograr en el estudiante la satisfacción en el entendimiento de sus estudios, con la ayuda en el desarrollo práctico de los diversos problemas de aplicación, de manera que se encuentre en condiciones de realizar análisis cualitativos y cuantitativos de los diversos sistemas energéticos de uso, en la generación de energía. V

6 ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN Los alumnos de las Universidades que estudian el curso de Termodinámica, en especial los alumnos de la UNAC, carecen básicamente de un texto de desarrollo práctico, de manera que puedan asimilar los conocimientos de teoría realizando análisis cualitativos y cuantitativos de los diferentes sistemas termodinámicos de uso. Se observa con frecuencia que el curso de Termodinámica es uno de los primeros cursos en que los conceptos matemáticos estudiados son aplicados a problemas de ingeniería, tal es así, que el alumno deberá tener la habilidad de poder combinar la teoría con la práctica y poder desarrollar la formación de un don personal, el criterio a toda solución de un evento, en su formación profesional. C.3. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN IMPORTANCIA Porque constituye un trabajo de divulgación científica, en donde se plantea desarrollos de temas que están vinculados a la generación de energía eléctrica y la consecuencia que ella deriva, es decir, con el impacto del medio ambiente motivo de preocupación en forma general y en particular con la formación del estudiante. JUSTIFICACIÓN El desarrollo del proyecto se justifica por ser un aporte académico que será de gran utilidad y beneficio de los alumnos de pre grado de la UNAC en particular de los estudiantes de la especialidad de Ingeniería Eléctrica. VI

7 d. MARCO TEÓRICO Siendo el objetivo del presente trabajo, la de servir como texto de consulta a los estudiantes del curso de Termodinámica se presenta, para cada capítulo, una teoría simplificada de fácil lectura, incidiéndose en el uso de fórmulas, relaciones de propiedades de la Sustancia de Trabajo, esquemas de los diversos dispositivos así como diagramas referentes al comportamiento de las diferentes sustancias. Finalizando cada capítulo con el desarrollo de problemas propuestos. A continuación se presentará un esbozo de los capítulos en el orden que se presentan: En el primer capítulo se presenta las llamadas Dimensiones y Unidades Fundamentales del Sistema Internacional de Unidades (Sistema ISO) así como una tabla de prefijos, los que se utilizarán en el desarrollo del texto. Se cierra el capítulo con la resolución de diversos problemas. En los capítulos II y III se desarrolla, en síntesis, las llamadas sustancias de trabajo, mostrándose las ecuaciones de uso que cada sustancia deberá de satisfacer así como de algunos conceptos. Finaliza el capítulo con una serie de problemas resueltos mostrándose los diagramas de comportamiento para cada caso. Los conceptos de trabajo y calor son materia del capítulo IV, formas de energías que se manifiestan en los límites de un dispositivo afectando las propiedades de la sustancia de trabajo. Estos conceptos tienen relevancia en el estudio de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica. Las aplicaciones del Capítulo V referentes a la Primera Ley nos afirma que el concepto Termodinámico de Energía se deriva únicamente de la Primera Ley de la Termodinámica, estableciendo un análisis del balance de energías VII

8 que tiene lugar en un sistema termodinámico cuando interactúa con sus alrededores. En el Capítulo VI se realiza una introducción al estudio de la Segunda Ley de la Termodinámica y de su aplicación en los llamados ciclos termodinámicos; estas aplicaciones se relacionan con los principios establecidos de Carnot, en el uso de la Escala de Temperaturas Absolutas, finalizando el capítulo con el tratamiento de las máquinas térmicas o de generación de energía. Además se establecen los conceptos de Eficiencia y de Coeficiente de Performance. El Capítulo VII trata sobre el concepto de entropía, que es una propiedad abstracta, difícil de realizar una descripción física y que sirve para cuantificar los efectos de la Segunda Ley. Sin embargo, su importancia es relevante en las múltiples aplicaciones que tiene así como de las numerosas consecuencias que ella implica. Finalmente en los capítulos VIII, IX y X, se desarrollan problemas sobre las diferentes máquinas de generación de energía que operan, utilizando ciclos termodinámicos de potencia con diferentes sustancias de trabajo (Ciclos Rankine, Joule Brayton, Otto y Diesel). e. MATERIALES Y MÉTODOS MATERIALES En la confección del texto, se ha logrado reunir la siguiente información: Material bibliográfico. Material de oficina. Materiales de cómputo e impresión. VIII

9 MÉTODOS La estructura medular en el que se sustenta la elaboración del texto tiene varias aristas, siendo la principal el haber realizado docencia como profesor titular en Universidades de prestigio de la capital, en donde se imparte el dictado del curso. El método más aceptable para la elaboración de un texto, radica en primer término en contar con un sílabo apropiado, de manera que este sea conformado por capítulos necesarios en la formación profesional de un alumno de pre grado, puesto que de ello dependerá la aplicación de los principios estudiados, manteniéndose el interés con la solución de las diversidades aplicaciones de manera gráfica y ordenada. f. RESULTADOS Al desarrollar el Texto: Termodinámica Práctica se ha logrado cumplir las propuestas establecidas al iniciar su desarrollo: Elaborar un texto práctico que sirva de guía a los alumnos de la especialidad de Ingeniería Eléctrica y de otras Facultades de la UNAC, así como de otras universidades. El texto se ha desarrollado en base a un contenido simple y ágil, de manera de mantener, en todo momento, el interés del alumno en el desarrollo de las diversas aplicaciones. El texto utiliza en todas sus aplicaciones, el nuevo Sistema Internacional de Unidades; sistema de unidades que deberá ser utilizado en todas las latitudes de nuestro planeta. Finalmente, al término del ciclo académico, el estudiante deberá de tener los conocimientos teórico y práctico del curso de Termodinámica para poder entender los diversos procesos que se dan lugar en la práctica, IX

10 así como, de los conceptos que rigen en la generación de energía por las diversas máquinas que se utilizan. g. DISCUSIÓN Si se tiene en cuenta que los alumnos de pre grado, que llevan el curso de Termodinámica, necesitan de contar con un sílabo apropiado, de manera que contenga los capítulos necesarios y apropiados para su formación profesional; que cuenten con un texto que les sirva de guía en la resolución de problemas y que les permita ver, exactamente, con qué información cuentan, para así, poder relacionarlos con los principios y re3laciones termodinámicas a fín de establecer un enfoque del núcleo del problema y que les permita desarrollar en forma ordenada los procedimientos de solución. De lo anterior, se establece que el Texto: Termodinámica Práctica contribuye a la formación del estudiante ya que se complementa con el primer trabajo de investigación Texto: Termodinámica Aplicada los que serán de gran ayuda, puesto que contarán con una herramienta de consulta en el entendimiento y comprensión de los problemas. h. APÉNDICE El Texto: Termodinámica Práctica ha sido elaborado como aporte a la formación profesional del estudiante de pre grado de la especialidad de Ingeniería Eléctrica de la UNAC. El texto no hace alarde de originalidad, simplemente el autor ha intentado recopilar material apropiado de varias fuentes de información o de su experiencia como docente en otras Universidades, presentándolo en una forma fácil, clara y accesible para la enseñanza. X

11 Se presentan diagramas, compendios de tablas ampliadas con el objetivo de darle una mayor accesibilidad en su uso, así como una bibliografía para ayudar al lector a seguir con algún interés, temas particulares. i. ANEXO TABLA Nº 1: GASES A BAJAS PRESIONES. TABLA Nº 2: VAPOR DE AGUA SATURADA (TEMPERATURA). TABLA Nº 3: VAPOR DE AGUA SATURADA (PRESIÓN). TABLA Nº 4; VAPOR DE AGUA SOBRECALENTADO. DIAGRAMA TEMPERATURA ENTROPIA (T -S) DEL VAPOR DE AGUA. DIAGRAMA ENTALPÍA ENTROPÍA (h-s) DEL VAPOR DE AGUA. XI