Ingeniería en Energía

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1 Ingeniería en Energía Ingeniería en Energía Energía y Medio Ambiente Clase ermodinámia ECy - UNSAM Doentes: Diana Mielniki y Salvador Gil ECy -UNSAM 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Bibliografía Físia - rinipios on apliaiones - D. C. Gianoli - rentie Hall Méxio 997 (rad. de hysis, riniples and Apppliations 4/E rentie Hall. New York 995). Sustainable Energy without the hot air David J.C. MaKay- Disponible en Internet hysis and ehnology for Future residents: Rihard A. Muller (April, ) Esquema de la presentaión Repaso de transmisión de alor Gases y vapores Leyes de la termodinámia Combustibles, oder alorífio y emisión de CO Conlusiones 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 emperatura y la Ley ero Dos objetos que están en equilibrio térmio, están a la misma temperatura. La temperatura es una propiedad que determina si dos uerpos están en equilibrio térmio o no. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 5 Moles y Número de Avogadro Un Mol es una antidad de materia igual al su peso moleular expresado en gramos. mol de una sustania tiene el mismo numero de moléulas que el mol de ualquier otra sustania El numero de partíulas en un mol es igual al Número de Avogadro N A 6. 3 partíulas/mol odemos alular la masa de ualquier átomo o moléula: masa molar m atomo N 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 6 A

2 apores Un vapor es una sustania volátil, similar a un gas que se enuentra en ontato on su líquido apores y Gases apor r Agua Manómetro s s Compresión Expansión ttiempo ttiempo t El valor de la presión de equilibrio es una funión sólo de la temperatura y no depende del volumen que oupa el vapor- resión independiente del volumen 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 7 Sólido Líquido Gas apor unto Gas Crítio > Líquido vapor apor Un vapor se liua al omprimirlo Un gas (> emperatura Crítia) no resión Crítia ( )y olumen Crítio( ). 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 8 Gases y vapores _vap [ C] _rit Metano -6 Etano ropano n-butano 5 Isobutano - n-entano lanta de eak Shaving - Gas BAN oder Calorífioe unto de resión COMONENE romedio ts Ebulliión apor ( C) Kal/m3 Cm [ºC] [Bar] MEANO ,5 345,5 Gas EANO ,6 59, Gas ROANO.55-4, 7,5 apor ISO BUANO ,8,5 apor BUANO NORMAL ,5, apor ISO ENANO ,8,5 apor ENANO NORMAL , Líquido N - HEXANO ,7 Líquido 995 primera planta de almaenamiento riogénio de gas - eak Shaving- de Améria Latina. 5 millones de dólares responder a los pios de demanda invernal. General Rodríguez, a 6 kilómetros al noroeste de la Capital Federal. Almaenar 4. m3 de gas natural liuado (equivalentes a 5.. m3 de gas natural Capaidad de emisión de m3 de gas natural. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil lanta de GNL Bahía Blana GNL - Argentina lanta de GNL Esobar GNL - Argentina LNG (Liquified Natural Gas). Un metanero es un buque dediado al transporte de Gas Natural Liuado. Son baros son muy sofistiadas, el gas está a una temperatura de -6 C. Capaidad de arga de entre 3. y 5. m3. Buque metanero (transportador de GNL) y Buque regasifiador 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil

3 Gas natural- Composiión Gas natural y CO orent. Cs _eb Dens.Abs. Composiión oder Calorífio emperatura unto de resión COMONENE % romedio Crítia DENSIDAD Ebulliión apor Kal/m3 [ºC] [kg-m^3] [ºC] [Bar] MEANO 89,4% ,6,68-6,5 345,5 EANO 3,4% 5. 3,3,77-88,6 59, ROANO,%.55 96,7,873-4, 3,5 ISO BUANO,7% ,,468 -,8 5, BUANO NORMAL,6% ,,468 -,5 3,7 ISO ENANO,% , 3,64 7,8,5 ENANO NORMAL,% ,5 3,64 36,, N - HEXANO,3% ,3 3,658 68,7 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 3 Hidroarbono Mol(CO) [Kal/Mol] MJoule el Gas produe 5% menos CO que arbón y 5% menos que el petróleo Inrem% Metano CH 4 + O --> CO + H O,8, % Etano C H O --> 4 CO + 6 H O 745,6,8 4% ropano C 3 H O --> 3 CO + 4 H O 53,6,35 % n-butano C 4 H + 3 O --> 8 CO + H O 375,8,39 4% n-entano C 5 H + 8 O --> 5 CO + 6 H O 845,,4 6% Aetileno C H O --> 4 CO + H O 6,,54 38% El gas es el menos ontaminante de todos los hidroarburos y el que menos CO produe por unidad de energía produida 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 Condiiones Normales de resión y emperatura CN S atm ºC73.5 K Cuidado NO es Universal CE S atm 5ºC88.5 K 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 5 Hay varias onvensiones Internaionales. Standard emperature and ressure emperatura resion Abs. resion Abs. Relative humidity ublishing or establishing entity C ka At % RH.987 IUAC (present definit ISA, ISO 3443, EEA, EGIA.35. EA, NIS SA.987 CAGI SE F psia % RH C 4.73 psi.56 bar. EGIA, OEC, EIA 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 6 Mezlas de Gases y resión arial total total total + + n total n + n +... ntotalr nr n R resión arial Ejemplo: un reipiente de L on. moles metano,.3 moles H y.4 moles N a 98K. Cual es la resión total? total parailes atm 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 8 3

4 ERROR: undefined OFFENDING COMMAND: FS4 SACK:

5 Sep. 8, 4 resiones absolutas y manométrias Los manómetros en general no miden la presión absoluta de un gas, sino la diferenia de presión entre el gas y el medio externo, que por lo general está a presión atmosféria manom +,on (at,3 a) presión atmosféria o barométria La ley de estado implia presiones y emperaturas absolutas. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 3 Gas Ideal n R R es la onstante Universal de los Gases R 8.3 J / mole. K R.8 L. atm / mole. K está en Kelvin y es presión absoluta Como aordarse: (mol C.N.).4 l R n n n Cond. Norm. mol CN at CN 73.5 k CN.4 l 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 Ley de los Gases Ideales, ersiones Alternativas N kb n R k B es la Constante de Boltzmann k B R / N A.38 x -3 J/ K N número total de moléulas n N / N A n número de moles N número de moléulas 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 5 Ley de los Gases Reales. z R. N z kb n z R z Coefiiente de ompresibilidad - Depende del gas, su presión y emperatura. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil z Ley de los Gases Reales Ley de estado orrespondientes 3. 4 R. red rit red rit n z R red red red z Coefiiente de ompresibilidad - igual para todos los gases. Depende de su resión (red) y emperatura (red) 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 7 red rit

6 Euaión de an der aals La Euaión de an der aals Introdue orreiones en la euaión de los gases ideales para tener en uenta el volumen de las moléulas y las fuerzas inter-moleulares. orreión por fuerza atrativa n a + ( - nb) nr orreión por volumen. ambién puede esribirse omo: 9 z nr J. van der aals, , rofesor de físia, Amsterdam. remio Nobel 9. + z Cl.3-4 UNSAM 8 - S.Gil 8 eoría inétia de los Gases N N Objetivo de la teoría. A R N k Comprender mirosópiamente el por qué de la euaión de estado de los gases ideales Suposiiones de la eoría: B Las moléulas del gas están en onstante movimiento, hoando entre ellas y on las paredes del reipiente Las moléulas hoan elástiamente y obedeen las leyes de Newton. El tamaño de las moléulas es muho menor que las distanias de separaión entre ellas. ara un sustania simple todas sus moléulas son idéntias. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 9 Interpretaión Moleular de la emperatura La temperatura es proporional a la energía inétia media de las moléulas 3 mv kb La energía inétia es proporional a la temperatura absoluta 3 ECinetia _ total nr 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 3 Energía Interna En un gas monoatómio, la E Cinetia es el únio tipo de energía que pueden tener las moléulas 3 U nr U es la energía interna del gas En un gas poliatómio, existe la posibilidad de ontribuiones a las energía interna de las energía inétia de rotaión y vibraión de las moléulas 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 3 Difusión Difusión: omo de distribuyen las moléulas en un volumen. Difusión es muho más lenta que la veloidad media de las moléulas en el gas. El mean free path es la distania media entre olisiones. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 3 Efusión Efusión es el esape de gas a través de una pequeña apertura en vaío. La veloidad de efusión (en mol/s) es proporional a la veloidad media de las mol. <>. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 33

7 Difusión y Efusión Gas Las moléulas se esapan a través de orifiios del látex del globo (efusión) a una veloidad (moles/time) que es proporional a inversamente proporional a M. or lo tanto, el He se esapa más rápidamente que N o O a una misma He Little Boy & Fat Man 35 U se usó en las primeras bombas atómias >Sólo menos del % del uranio natural es 35 U Se usó UF 6 gaseoso para enriqueer el uranio 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 35 Evaporaión -3 ( v )( s/m) La evaporaión Speed aumenta Distribution on for la Otemperatura K m.l v N.ε es 3 ε es / µv es µ.l v K 9K Cl.3-4 UNSAM - S.Gil v 36 es (v) Distribuión de veloidades de Maxwell -Boltzmann Maxwell -Boltzmann (ºC) y ratios(v/_rms) Hidrogeno Areas Ratio %.69 Ratio++%.56 _MB (v) v> v_min v> v_min v(+) Si v >3 es Con el tiempo todas esapan Si v> rms A ºC hay.69 % on esas veloidades. v es v (m/s) Si v>3 4 - Cl.3-4 rms A ºC hay UNSAM.6 - S.Gil % on esas veloidades 37 FRONERA SISEMA Definiión de sistema,frontera y medio irundante M. C. Sistema arte de materia o región aislada imaginariamente, sobre la ual fijamos nuestra atenión. Frontera Límites de un sistema. Medio irundante o Entorno Región que rodea al sistema. Universo: Sistema+Frontera+Medio irundante ipo de Ssitemas y Fronteras Clasifiaión de roesos Sistemas abiertos, errados, roesos: Isoorio, isotermi., adiabátios,et. Universo 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 38 materia Sistema abierto Sistemas energía materia materia Sistema aislado ipos de sistemas materia materia energía Entorno energía materia energía alor materia Sistema errado Sistema adiabátio energía trabajo 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 39 3

8 Equilibrio, proesos Cuasi-estátios Equilibrio: Es la ondiión en la ual las variables de estado (,, N, et.) están bien definidas en todo el sistema y no ambian on el tiempo. roeso: uando las variables de estado ambian on el tiempo. roesos Cuasi-estátios: Es un proeso termodinámio en el ual las variables de estado (p.e.,,, et.) ambian lentamente, de modo que en ada instante de tiempo están bien definida en todo el sistema. Solo los proesos uasi-estátio se pueden representar en un grafio - o - Leyes de la ermodinámia rimera Ley: la energía se onserva. δ δ + du. d + du Convenión de signos δ > du du δ > δ < δ< 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 rabajo y Calor rabajo y Calor (ii) Dependen del amino A B A B I II ab dx δf.dx.a.dx ab (I) ab (II) dx δf.dx.a.dx ab ( ) d B A a b δ. d 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 4 a ab ( ) d B A d ab b ( I) ( II) δ. d 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 43 ab δ δ ni son funiones de estado roeso Isoório ) Isoório (volumen onstante) a) reversible reversible roeso Isobário ) Isobário (presión onstante) a) reversible A reversible B δ p δdu n Cv d Cp Cv+R U(f/)R CvdU/d (f/) R ( B - A ) δ.d nr d δdu+dn Cp d δn Cv d+ n R d n (Cv+R) d A ( B - A ) B 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 44 Cp Cv+R Cv (f/) R γ Cp/Cv +/f U(f/)R CvdU/d Cp (f/+)r 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 45 4

9 roeso isotérmio Isotérmio (temperatura onstante) nr Constante p d.dnr d/ nr ln ( / ) U nr ln ( / ) nr ln ( / ) reversible - para un proeso Adiabátio adiabatio : onstante p γ / γ > isotermas : p onstante En un proeso adiabátio p,, y ambian monoatómio gas γ (5/)/(3/) 5/3.67 diatómio gas γ (7/)/(5/) 7/5.4 Adiabátias ( p-s) son más empinadas que las isotermas γ 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 47 Máquina térmia Motores y Refrigeradores Es una máquina que transforma alor en trabajo meánio Las máquinas térmia funionan en proesos ílios Reservorio, objeto que tiene una temperatura onstante. Caliente M f rabajo f Caliente R Frío f ε f Frío f Cop / ε 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 49 Máquinas érmias Como el proeso es ílio, U or lo tanto, net eng El trabajo realizado por ilo área en diagrama El trabajo es realizado por la máquina uando reorre el ilo en sentido horario. Efiienia Efiienia (resultado deseado)/(osto) La efiienia se define omo el oiente entre el trabajo y el alor entregado por la fuente aliente. ε ilo f f ε (% efiienia) si f (no devuelve energía) 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 5 5

10 No se puede mostrar la imagen en este momento. El ilo de Carnot () Cilo reversible adiabats nr ln( / ) h B A A h 4 nr4 ln( C / D ) AA B B CC DD B γ γ γ γ A A D D C C B B 3 h D isotermas B A C D 4 C C 3 C b a d 4 4 ln( C / D ) η 4 / 4 4 ln( B / A) 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 5 p 4 4 Entropía S 3 adiabatias h d d ds ds Rev Sadi Carnot - 85 ds Es una variable de estado 3 h isotherms 4 C C b a d 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 53 d ds d ds Rev En general en un Cilo 3 Cualquier ilo se puede suponer ompuesto de pequeños ilos reversibles de Carnot. La urva zigzageante puede haerse tan pareida al ilo ontinuo omo se desee. 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 54 d 4 a b Leyes de la ermodinámia ) Si dos uerpos están en equilibrio térmio on un terer uerpo, ellos están en equilibrio térmio entre si. ) La energía se onserva. No se rea ni se destruye, solo se transforma. EConstante ) hay una antidad llamada entropía, S, que para un sistema errado es onstante (reversible) o se inrementa (irreversible). ds(d/) rev 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 55 Segunda ley de la termodinámia (Kelvin lank) Es imposible onstruir una máq. térmia que opere on una sola fuente de alor. O sea f no puede ser ambién signifia que ε % (Clausius) Es imposible onstruir una máquina térmia que saque alor de una fuente fría y la entrega a una aliente sin haer trabajo. El alor fluye espontáneamente de una fuente aliente a otra fría 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 56 Segunda ley: or qué el alor fluye siempre de un uerpo aliente haia el frío? A) C d ontato érmio d d ds( A) + d f f f 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 57 B) C d ontato érmio d d ds( A) + d f f ds > ds < Real (ourre espontaneamente) f NO ourre espontaneamente Enuniado de Clausius 6

11 Segunda ley: or qué no se puede onstruir una máquina térmia on una sola fuente térmia? d ds < Como: ds Kelvin-lank h < rabajo M Hot H H NO ourre espontaneamente No se puede haer una maq. érmia on una sola fuente. 58 Efiienia máxima Máquina de Carnot E f Caliente E Fría f f C Supongamos que existe una máquina más efiiente (η E ) que la de Carnot (η ). (η E> η C ) f + E, f+ Si es el mismo para las dos máquinas: f < f y E > Como la Máquina de Carnot es reversible 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 59 E Efiienia máxima Máquina de Carnot Caliente C E > f - E Fría f C f - C Con la Maq. de Carnot atuando omo refrigerador El alor que fluye del reservorio aliente es - f ero omo: f < f! y w>, la Maq. resultante (reta. Amarillo) hae trabajo on una sola fuente térmia (Fría). iola el postulado de Clausius. La hipótesis de parida es falsa (η E > η C ) por lo tanto (η< η C ) 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 6 eoremas de Carnot eorema : odas las máquinas térmias reversibles que operen entre las mismas temperaturas y f tienen la misma efiienia, igual a su vez a la efiienia de una máquina ideal de Carnot. f ηcarnot eorema : De todas las máquinas térmias que operen entre las mismas temperaturas y f las máquinas reversibles son la que tienen mayor efiienia. η Carnot η Irrever 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 6 rev η Refrigerador Maq. érmias Bombas de Calor h h Cop Cop h h.5 5 roesos adiabátios h h h leak h Frio Frio h h h álvula de Expansión álvula de Expansión C out C in C in Condensador (exterior a la heladera) Baja resión Cal Alta resión C leak C C C Máquina ( h dado) Refrigerador ( C dado) Bomba Calor ( h or C dado) Cal Compresor w Compresor 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 6 out h - C in h - C in h - C out h (- C / h ) in C ( h / C - ) in h (- C / h ) η η / / η h / h h 4 - h Cl.3-4 UNSAM - S.Gil h 63 7

12 Aondiionador Split Frío/Calor Aire Aond. (, ref ) Bomba Calor ( h - h ref ) Cop ref h h ref Cop.5 5 h ref h ref h leak h h in C Cop h h in C Fin de la presentaión Muhas Graias C ref C leak C Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 65 Atmosfera errestre 78% de Nitrógeno % de Oxigeno, CO, HO, O3, Ar, agua, et. (trazas), Atmosfera errestre d( ρ( g ρ R dz M [kpa].33 Gama , y e -.46x R d( M g dz R bien d( M g dz R [Ka] 5 [K] 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 66 z M g dz' ( exp R ( z') (5,) - 5,, 5,, 5, 3, z [m] Atmosfera Isotérmia d( M g R prom dz dz h ( Exp( z / h) hr. prom /M.g 8.5 km [kpa] _Adiab [Ka] _Isoterm [Ka] [k] _adiab [k] 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 67, Atmosfera Adiabátia d( ρ( g ρ R dz M d( M g dz R ( z M g exp R dz' ( z') γ γ ( ) k d( k M g k ( γ ) γ R [Ka], dz / γ Mg d( M g k ( k z R dz R g.36, k(g-)/g.9 y b/k5.37, h R /k.m.g 43.7 Km. [kpa].33 Gama y e -.46x R.9984 (5,) - 5,, 5,, 5, 3, ( Exp( z / h) 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 68 z [m] [kpa] _Adiab [Ka] _Isoterm [Ka] [k] _adiab [k] / k β / z z ( h h k ( z ( h d ( 6.5º C / Km dz h [K] k Atmósfera Como a nivel del mar at kg/m, esto signifia que una olumna de aire de m de área pesa kg. Como el área total de la ierra es 4pR 3.6x 4 m. (R5.37x 6 m), el peso de toda la atmósfera terrestre es de m at 3.6x 8 kg. Como el peso moleular de aire es 8.9g, en un kg de aire hay 34.6 moles, o sea la atmósfera tiene.4 x moles o sea 7.6 x 43 moléulas. R 8 aspiraión/min on un volumen de unos por aspiraión de litro Al respirar, una persona aspira normalmente entre a m 3 de aire por hora. El ritmo respiratorio de un adulto es de a 4 respiraiones por minutos 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 69 8

13 Atmósfera A lo largo de toda una vida, digamos 5 años, habremos aspirado unos 5 x365 x 4x.5 m3 7 x 5 m 3 de aire o bien uno 3 x 7 moles de aires, es deir unas.7 x 3 moléulas. Fraión de las atmosfera respirada es f.7x 3 /7.6 x 43.3x -3 En Cada litro de Aire hay N(6. 3 /.4)..3x -3 6.x 9 moléulas que pasaron por el pulmón e Julio Cesar R Al respirar, una persona aspira normalmente entre a m 3 de aire por hora. El ritmo respiratorio de un adulto es de a 4 respiraiones por minutos 4 - Cl.3-4 UNSAM - S.Gil 7 9