INTRODUCCIÓN TERMODINÁMICA MICA DORY CANO DÍAZD MSc.. Ingeniero Civil Mecánico Junio de 2007 UNIDAD 1: Conceptos básicos y Primera Ley de la Termodinámica 2.1.- Conceptos de Energía, Calor, Trabajo, Temperatura, Presión, Energía Interna, Entalpía 2.2.- Definición de la Primera Ley: Aplicación en Vapores y Gases en sistemas abiertos o cerrados 2.3.- Gases Ideales: Ecuación de estado de GI. Primera Ley: Aplicación de GI en sistemas abiertos o cerrados UNIDAD 2: Ciclos ideales y reales con optimizaciones 2.1.- Ciclos de Potencia de Vapor 2.2.- Ciclos de Potencia de Gas UNIDAD 3: Mezclas de Gases y Psicometría 3.1.- Mezclas de gases y composiciones 3.2.- Mezclas de gas-vapor y acondicionamiento de aire UNIDAD 4: Combustión 4.1.- Definiciones, reacciones químicas, Procesos de combustión teóricos y reales, entalpías de formación, etc. 1
BIBLIOGRAFÍA: TERMODINÁMICA, Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A. Editorial McGraw-Hill FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA, Moran, M. J. Shapiro, H. N Editorial: Editorial Reverté, S.A. ( Barcelona) Segunda Ley de la Termodinámica Que principios deben cumplirse para que ocurra un proceso? Satisfacer la 1 LT Ppo de conservación de energía (Sist. Cerrados y Sist. Abiertos) Satisfacer la 2 LT Determinar nivel de degradación de la Energía de un proceso Dirección de los procesos Afirma la existencia de calidad de la energía Útil en la determinación de los límites teóricos de funcionamiento de sistemas W W Q Q 2
Segunda Ley de la Termodinámica Las MT están compuestos de los sgtes subsistemas: 1) Máquina Sistema cerrado a través del cual un fluido describe un proceso Cíclico 2) Focos Fuente-Sumidero Todas se caracterizan por: 1.- Recibir calor de fuente a alta T T H 2.- Convertir parte de este Q en W 3.- Liberan Calor a fuente de baja T T L 4.- Operan en Ciclo Fluido al y desde el cual se realiza el proceso Fluido de trabajo Segunda Ley de la Termodinámica Central Térmica T a Vapor ó Gas Refrigeradores y BBS de Calor 3
Segunda Ley de la Termodinámica Kelvin-Planck Clausius Segunda Ley de la Termodinámica Conceptos a dominar e incluir en nuestro lenguaje técnico-termodinámico: Procesos Reversibles e Irreversibles Depósitos de Energía Térmica Maquinas Térmicas: Ciclos de Potencia Rendimiento o Eficiencia Eficacia La importancia de conocer la evolución n de los procesos irreversibles en el contexto de los sistemas de producción n y/o transferencia de energía a radica en la posibilidad de optimizar los procesos involucrados reduciendo a un mínimo m la energía a disipada de acuerdo con las restricciones físicasf sicas. 4
Segunda Ley de la Termodinámica Obs : P. R. regreso a estado inicial sin variación P.I. Regreso implica pérdidas, por lo tanto, no regresa a estado original Modelos IDEALES sirven para comparar procesos REALES Producción de Trabajo Entregan + Trabajo Consumen Trabajo Requieren - Trabajo Mientras más cerca de un proceso reversible mayor será el trabajo entregado por un dispositivo productor de W o tanto menor el trabajo requerido por un dispositivo consumidor de W Segunda Ley de la Termodinámica Central Térmica T a Vapor Variables : Q en : Cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera de fuente de alta T (T H ó T c ) Q sal : Cantidad de calor liberado desde el vapor en el condensador en sumidero de baja T (T L ó T f ) W sal : Cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina W en : Cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera 5
Segunda Ley de la Termodinámica W salida Volumen de control Masa de control W salida Turbina G Generador Q entrada Caldera Qentrada entrada Condensador Bomba W entrada Segunda Ley de la Termodinámica Variables : Refrigeradores y BBS de Calor Q L : Magnitud del Calor extraído del espacio refrigerado a T L Q H : Magnitud del Calor liberado al ambiente a temperatura T H W neto, en : Entrada de trabajo neto al refrigerador 6
Segunda Ley de la Termodinámica Refrigeración Q salida Condensador Válvula de Expansión Compresor W entrada Evaporador Q entrada Eficiencia Térmica: T Fracción de la entrada de Calor (Q entrada = Q c =Q H ) que se convierte en Salida de Trabajo ó Potencia (W neto ) Rendimiento: Salida deseada / Entrada requerida Q salida = Q f =Q L : Siempre 0 rendimiento NUNCA es del 100% 7
Segunda Ley de la Termodinámica Conceptos básicos b de refrigeradores y Bombas de Calor 8
Unidad 4: Segunda Ley de la Termodinámica 4.1.4.- Conceptos básicos b de refrigeradores y Bombas de Calor 9
4.1.6.- El Ciclo de Carnot MT que opera en un Ciclo de Carnot se llama: Máquina térmica de Carnot --> 4 procesos reversibles (2 isotérmicos y 2 adiabáticos) Proceso 1-2: 1 Expansión isotérmica reversible (QH y TH=cte) Proceso 2-3: 2 Expansión adiabática reversible ( Q=0 y TH-->TL) Proceso 3-4: 3 Compresión isotérmica reversible (QL y TL=cte) Proceso 4-1: 4 Compresión adiabática reversible ( Q=0 y TL-->TH) El Ciclo de Carnot 10
Los Principios de Carnot Los Principios de Carnot A considerar: El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, irrealizable en la práctica, pero usado como comparación de otros ciclos. Por ser totalmente reversible es el de máximo rendimiento entre dos focos dados (1 Corolario) Por ser totalmente reversible tiene siempre el mismo rendimiento entre dos focos (independiente del tamaño, tipo de fluido, etc.) (2 Corolario) 11
Diferencias conceptuales entre la eficiencia térmica t y la eficiencia de la segunda ley Eficiencia de la Primera Ley: (ó eficiencia térmica) NO hace referencia al mejor rendimiento posible no entrega una visión correcta de eficiencia. (Fracción de calor que se convierte en trabajo) Eficiencia de la Segunda Ley: (ó eficacia) Entrega una medida del desempeño de una máquina térmica, de cuanto se puede aprovechar la energía disponible = Razón entre la eficiencia térmica real y la eficiencia térmica máxima obtenible en las mismas condiciones (eficiencia de Carnot) Diferencias conceptuales entre la eficiencia térmica t y la eficiencia de la segunda ley 600K 1000K A W B W 300K 300K η t,a = 30% η t,b = 30% Qué máquina tiene mayor potencial de trabajo? Cual tiene un mejor desempeño? 12
Qué es la entropía? Del Primer Principio de la Termodinámica, 1 PT Energía Del Segundo Principio de la Termodinámica, 2 PT Entropía ENTROPÍA : Propiedad Termodinámica que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. En un sentido más amplio se interpreta como la medida del desorden de un sistema La CANTIDAD de energía a siempre se preserva durante un proceso real (1 LT LT) pero la CALIDAD está condenada a disminuir (2 LT LT). La reducción n de la CALIDAD está acompañada ada de un aumento de ENTROPÍA Qué es la entropía? 1) La entropía a puede ser vista como una medida del desorden molecular o aleatoriedad molecular. Conforme un sistema se vuelve más s desordenado,, las posiciones de las moléculas son menos predecibles AUMENTA LA ENTROPÍA Entropía a fase sólida s < entropía a fase gaseosa 2) La entropía a puede ser vista como una medida de las Irreversibilidades RELACIÓN ENTRE AUMENTO DE ENTROPÍA Y PROCESOS IRREVERSIBLES NO ES CASUAL, SINO QUE SURGE DE UN TEOREMA GENERAL QUE ESTABLECE QUE LA VARIACIÓN TOTAL DE ENTROPÍA (incluye sistema y entorno) ES POSITIVA EN TODOS LOS PROCESOS IRREVERSIBLES 13
Diagramas de propiedades que incluyen a la entropía Diagramas de propiedades que incluyen a la entropía El diagrama de Mollier es una representación de las propiedades del agua y vapor de agua. Se usa un sistema principal de coordenadas H-S (Entalpía-Entropía). 14
Calor en procesos internamente reversibles: Por definición la entropía se transfiere solo con procesos de transferencia de calor Las relaciones Tds Definición de Segunda Ley 15
Las relaciones Tds El cambio de entropía a de gases ideales 16
El cambio de entropía en sustancias incompresibles Procesos isentrópicos de gases ideales 1.- Suponiendo GI, Cp y Cv promedio: UN PROCESO ES ISENTRÓPICO (S 2 =S 1 ) SI Y SÓLO SI ES ADIABÁTICO E IRREVERSIBLE 17
Segunda Ley de la Termodinámica Segunda Ley de la Termodinámica 18
Eficiencias isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente Eficiencias isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente Turbinas Compresores Toberas - Difusores 19
Eficiencias isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente Eficiencias isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente 20
Trabajo de flujo permanente reversible Minimización n del trabajo del compresor w = q + (h 1 -h 2 ) + (v 1^2-v 2^2)/2 + g(z 1 -Z2) [kj/kg] 2 2 ( v1 v2 ) w = Tds+ ( h1 h2 ) + + g( Z1 Z2) 2 Tds = dh vdp Tds = h1 h2 vdp,de las relaciones Tds de Gibbs,integrando,aplicando segunda ley Trabajo de flujo permanente reversible Minimización n del trabajo del compresor ec ~ ep ~ 0 A mayor volumen específico (v (m3/kg) ) mayor Trabajo Reversible (Wrev producido o consumido) 21
Por tanto se busca: Entrada de W (compresión) v lo más pequeño posible Salida de W (expansión) v lo más grande posible El W de entrada de un compresor se minimiza cuando el proceso se realiza reversiblemente Posibilidades: 1) Aprox a proceso rev minimizar I, cuasiestático, etc. 2) Forma más práctica mantener v al mínimo posible durante compresión => disminuir T (v gas α v(t)) Procesos Politrópicos de Compresión n : Pv n = Cte (2) Reemplazando (2) en (1) se tiene expresión (a) (1) Para cualquier gas : n w = ( Pv 2 n + 1 Si consideramos ahora GI, se tiene, Pv nr w = ( T n + 1 Considerando que para T T 2 1 P 2 = P 1 2 2 n 1 n Pv ) n 1 ( a) = RT : T ) n 1 ( b) 1 1 1 un proceso politrópico : nrt 1 P 2 w = n 1 P 1 n 1 n 1 22
Procesos isotérmico de Compresión n : (1) Pv n = Cte (2) Ahora consideran do n = 1 donde w = Pv ln( P 1 1 2 pv = cte para cualquier / P ) para n = 1 ( c) 1 1 gas : Si consideram os ahora GI, se tiene, Pv = RT : w = RT ln( P 1 2 / P ) para n = 1 ( d ) 1-23
El trabajo es el área limitada entre el eje P y la curva respectiva. El área más pequeña en el diagrama P-v, corresponde al consumo mínimo de trabajo, es el proceso de compresión isoterma (1 2b), mientras que la compresión adiabática (1 2a) es la que consume más trabajo. Por tanto, es deseable refrigerar el gas durante la compresión, de modo que su temperatura de salida sea lo más baja posible, para reducir el consumo de trabajo. 24
Compresión en etapas: Es habitual dividir la compresión en varias etapas; cuanto mayor es la relación de presiones, son necesarias más etapas. Entre etapa y etapa, el gas se somete a un enfriamiento con un fluido refrigerante, normalmente agua o aire, hasta que recupera la temperatura ambiente. En teoría el enfriamiento sucede a P=cte y el gas se enfría hasta la temperatura inicial T1 en cada enfriador. Este método es muy conveniente cuando el gas se comprime a altas P W ahorrado depende de Pi (presiones intermedias). Ciclos de Potencia de Vapor Centrales termoeléctricas clásicas : Se denominan centrales clásicas a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (fuel oil) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas, las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que actualmente estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental. Componentes principales Caldera de combustión Turbina (vapor o gas) Generador Sistema de refrigeración (puede ser de caudal abierto o mediante torres de refrigeración) Instalaciones de control Que ventajas y desventajas tiene usar vapor en los ciclos? 25
Teoría de combustión P1 y P2 Procesos de Psicrometría 26
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Rendimientos isentrópicos en turbina y bomba: 28
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Tarea: 1. Objetivo siempre es mejorar el rendimiento, porque? 2.Rendimiento de Centrales Térmicas T Vapor, Gas y Gas-Vapor? 3. Investigar diferencias y/o ventajas comparativas entre Ciclos Turbina de Vapor y de Gas. (Temperatura de entrada de fluido, presiones de trabajo, temperatura de salida de fluido, potencias, costos de instalación, n, rendimientos, etc) 4. Tipo, ubicación n y potencia de centrales térmicas t en Chile. 37