principios de termodinamica.pdf
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Ing.OrlandoMican
PRINCIPIOSDETERMODINAMICA
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2
PRINCIPIOS DE LA REFRIGERACION
1626 Francis Bacn trat de conservar un pollo rellenndolo de nieve
1683 Antn Von Leevwenhoek inventa el microscopio a 10C los
microorganismos se reproducen con gran dificultad
1775 Dr. William Cullen primera mquina fbrica de hielo en forma prctica
1820 Miguel Faraday principio de las mquinas de refrigeracin por
absorcin
1834 Jacob Perkins Ingeniero americano, residido en Londres -
Refrigeracin por comprensin
1858 Ferdinand Carre primera mquina completa de refrigeracin por
absorcin basada en estudios de Miguel Faraday
1885 Alemania - Primera mquina de produccin - HIELO
1904 Willis Carrier- Inventa el acondicionador de aire
-
3
INTRODUCCION - DEFINICION
Al igual que en cualquier otra ciencia, la refrigeracin tiene su propia terminologa.
He aqu los principales trminos que utiliza:
REFRIGERACION
CALOR
FRIO
TEMPERATURA
ESCALA FAHRENHEIT
ESCALA CENTRIGRADA
ESCALA ABSOLUTA
TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCION
CONVECCION
RADIACION
UNIDAD BTU
CALOR ESPECFICO
CALOR SENSIBLE
CALOR LATENTE
ESTADOS DE LA MATERIA
TONELADA DE REFRIGERACION
PRESION
UNIDADES DE PRESION
-
4
QU ES LA REFRIGERACION?
Refrigeracin es el proceso mediante el cual se transfiere calor, de un lugar
donde no se desea, a otro donde no importe cederlo y/o puede ser aprovechado.
Siempre que se resta calor va acompaado de una cada o disminucin de
temperatura del espacio refrigerado.
Para nuestro propsito, solamente se estudiar la refrigeracin por compresin de
vapor.
La definicin indicada arriba va a ser ahora estudiada en cada una de sus partes y
analizada.
QU ES CALOR? - El calor es una forma de la energa. Dicho calor puede ser
aprovechado para producir trabajo. El calor, no es un slido, ni un lquido, ni gas,
por tanto no se puede medir por peso ni volumen.
Si se aade calor, a una substancia, aumenta su temperatura, se funde o se
Evapora. Existen otras formas de la energa, tales como la elctrica y la qumica,
las cuales pueden ser transformadas en "calor".
A continuacin se indican las principales de esas formas de energa que generan
calor:
LUZ... Radiacin solar
ELECTRICIDAD.......... Calentadores
MAGNETISMO... Histresis del hierro
MEDIOS QUIMICO........... Combustin
MEDIOS MECANICOS............. Comprensin, friccin, percusin
-
5
La columna de la izquierda es la clasificacin general de las formas de energa, y
en la columna de la derecha vienen los ejemplos tpicos.
En la tercera lnea se puede observar la palabra HISTERESIS. En pocas
palabras, HISTERESIS, significa un retardo en los valores del magnetismo
resultante, en un material magntico causado por un cambio de la fuerza
magntica.
ESTADO SOLIDO
Movimiento molecular mnimo
Esta pirmide invertida muestra una teora de la naturaleza del calor y sus efectos
sobre la temperatura. En este ejemplo se ha escogido el agua como substancia.
La teora dice que las pequeas partculas o molculas de agua se mueven tanto
ms rpidamente, cuanto ms calor se les aplica. Tambin dice la teora, que
segn la proporcin del movimiento, el agua es hielo (slido), lquido o vapor.
En la parte baja de la pirmide, existe una temperatura llamada CERO ABSOLUTO
FRIO ABSOLUTO, en cuyo punto no hay tericamente ningn calor en el hielo, ni
movimiento de las molculas. En cualquier punto, por encima de 273,16C (
459,69F), est el agua en forma de hielo (slido), lquido o vapor y contiene calor.
ESTADO GASEOSO Las molculas de vapor se desplazan libres en
cualquier direccin
ESTADO LQUIDO Movimiento molecular
limitado
ESTADO SOLIDO
212 F
32 F
-459,69CERO ABSOLUTO
-
6
QU ES FRO?
Frio es trmino relativo que denota ausencia de calor.
Jams se consigui enfriar un cuerpo hasta el fro absoluto, aunque los cientficos
han determinado el fro absoluto tericamente, de - 273.16 C (-459.688F).
La temperatura mnima conseguida hasta ahora es de -272.6C haciendo pasar
helio por un ducto de hielo.
Se puede deducir de la forma de la pirmide, que la palabra fro es un trmino
relativo, ya que en todos los niveles por encima del cero absoluto, est presente
alguna cantidad de calor, aunque el hielo o el agua den la sensacin de fro.
La anchura de la pirmide a cualquier nivel, representa la cantidad de calor en el
agua o vapor de agua. La altura sobre el cero absoluto indica la temperatura
correspondiente a dicha cantidad de calor.
Los caractersticos quiebros o escalones que vemos en la pirmide, representan
las cantidades extras de calor que se necesita aadir, para fundir el hielo o
evaporar el agua. Estas cantidades extras de calor, tienen nombres especiales
que se definirn mas tarde.
Las frases que vemos en la parte derecha y superior de la diapositiva, son
maneras cientficas de decir que la actividad de las molculas determina que el
agua se encuentra en forma slida, lquido o vapor.
La mayora de las substancias pueden existir en un momento determinado, en
forma de slido, lquido o vapor como ocurre con el agua, aunque las
temperaturas a las cuales ellas se funden y se evaporan son distintas.
-
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8
Fahrenheit. En la figura se puede comparar la escala Fahrenheit usada en la
industria de la refrigeracin, con la escala Celsius usada en trabajos cientficos.
La escala Fahrenheit de la izquierda, fue ideada por un cientfico alemn en el ao
1724 y por eso lleva su nombre. El determin el punto cero con una mezcla
frigorfica de hielo y sal-amoniaco, y dispuso que 100F debiera ser la temperatura
correspondiente al cuerpo humano. En esta escala el agua empieza a congelarse
a 32F e hierve a 212F. La inexactitud de sus medidas se desprende del hecho
que la temperatura del cuerpo humano es normalmente de 98.6F en lugar de
100F que l haba considerado.
FSICO ALEMN
Gabriel Fahrenheit (1680 - 1736)
1709 Inventa el termmetro con escala de su nombre
1715 Invent el termmetro de Hg
ANDRS CELSIUS
Astrnomo y fsico sueco
(1701 - 1744)
Inventa la escala termomtrica centesimal
REN ANTOINE FERCHAULT
ESCALA REAMUR
Naturalista francs
(1683 - 1757)
1730 Invent el termmetro de alcohol 0.080
La escala Fahrenheit y la escala Celsius sern usadas en todos nuestros clculos
de refrigeracin.
-
9
La escala Celsius fue introducida en el ao 1740. En ella el punto de congelacin
es 0C y el de ebullicin 100C
Obsrvese que la temperatura de -40 es la misma en la escala Fahrenheit y en la
Celsius. El cero absoluto es igual a -459.7F o -273.2C.
La escala absoluta se ha representado en la figura, existen dos de ellas: la
Rankine y la Kelvin. Ambas comienzan en el cero absoluto. Los grados de la
escala Rankine son de la misma longitud que la escala Fahrenheit y la de escala
Kelvin a los grados centgrados.
C = K - 273
K = C + 273
F = R - 460
R = F + 460
2 LEY DE LA TERMODINMICA
El calor pasa siempre del cuerpo ms caliente al ms fro, se dice por lo tanto que
fluye "cuesta abajo" y es comparado frecuentemente al agua en este aspecto.
C y F escalas relativas se restan
Escalas absolutas se suman
RECIPIENTE A
RECIPIENTE B
-
10
Cuando el agua de dos recipientes est al mismo nivel, no hay paso de agua de
uno a otro, pero si el recipiente (A) se baja, el agua ir hacia l y si se sube el
recipiente, saldr de l.
De la misma forma, si dos cuerpos estn a la misma temperatura, no habr
intercambio de calor entre ellos, pero si existe diferencia de calor entre ellos, el
calor pasar del cuerpo ms caliente al menos caliente; como lo muestra la figura
anterior.
El calor siempre viaja de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor
temperatura.
TRANSFERENCIA DE CALOR.
No es suficiente saber que el calor pasa de un cuerpo ms caliente a otro ms fro.
Es tambin necesario saber cmo este circula, cuando va a ser utilizado en
beneficio de la refrigeracin.
Hay tres formas de transferencia de calor. Estas son:
- CONDUCCION
- CONVECCION
- RADIACION
CONDUCCION: Es la transferencia de calor de partcula a partcula (molcula a
molcula) de una substancia, sin movimiento de estas partculas entre s. El
fenmeno de conduccin tiene lugar principalmente en los slidos, pero tambin
puede existir en lquidos y gases.
CONVECCION: Es la transferencia de calor a travs de medios fluidos. Ello
solamente tiene lugar en lquidos y gases, puesto que los slidos no son fluidos.
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13
Aunque hemos visto que es necesario aadir un BTU a cada libra de agua para
aumentar 1F, esto no es verdad para todas las substancias. En la tabla se
muestran los valores de capacidad de calor especifico es decir, muestran cuantos
BTU ser necesario aadir a una libra de cada substancia para aumentar su
temperatura 1F.
Estos son los calores especficos de las diferentes substancias. Entonces se
define: "Calor especfico es la cantidad de BTU requerida para aumentar la
temperatura de una libra de cualquier substancia 1F".
En la tabla vemos, como ya se ha explicado, que se necesita 1 BTU para
aumentar la temperatura del agua 1F. Comprese - con los 0.129 BTU que se
necesitan para conseguir lo mismo en el hierro, los 0.215 BTU para el aluminio,
0.327 para la madera y los 0.095 B.T.U. para el cobre.
Los valores del inverso en cada caso del calor especfico, representa los grados
que aumentar 1 lb. de cada substancia si se le aade 1 BTU.
Aunque el agua en estado lquido tiene como calor especfico la unidad (es decir,
que 1 BTU aumentar en 1F la temperatura de 1 libra de agua), esto no es
verdad, si el agua se encuentra en forma de hielo vapor.
CALOR ESPECFICO DEL AGUA
H2O lquido = 1
H2O slido F = 0.504 BTU INV = 1 BTU = 1.98F
H2O vapor F = 0.487 BTU INV = 1 BTU = 2.08F
Hielo - 4 0.465 BTU
Hielo -40 0.434 BTU
Hielo -112 0.350 BTU
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15
ver que las dos lneas inclinadas han variado su temperatura para cada
correspondiente variacin en BTU.
El calor que vara la temperatura del agua y el hielo sin cambiar de estado fsico
se llama "calor sensible" porque es el calor que puede ser sentido al tacto. Las
variaciones de calor sensible pueden ser detectadas con un termmetro por
medio del sentido del tacto.
El calor sensible se ha representado en el grfico por los 16 BTU necesarios para
variar la temperatura del hielo desde 0F a 32F y por los 180 BTU necesarios
para variar la temperatura del agua desde 32F a 212F. QUE ES CALOR LATENTE?
La importancia del calor latente no puede ser menospreciada ya que es la base de
la refrigeracin mecnica.
El calor latente cambia una substancia de slido a lquido o de lquido a vapor sin
cambiar su temperatura. Quitando calor latente a un cuerpo este cambia de vapor
a lquido de lquido a slido. Un conocido ejemplo de calor latente de
evaporacin es el calor absorbido cuando el agua est hirviendo en un recipiente.
Cuando el agua alcanza la temperatura de ebullicin de 212F al nivel del mar
(14.696 psi), la temperatura deja de aumentar aunque se le sigue suministrando
calor. El agua comienza a hervir por tanto a 212F, utilizando grandes cantidades
de calor (970 BTU's / Lb = Calor Latente de evaporacin. o Calor Latente de
condensacion.) hasta que se termina por completo la ebullicin.
Un conocido ejemplo de calor latente de fusin es el calor aadido para fundir
hielo y hacerlo agua. (144 BTUS/LB = Calor Latente de Fusin o Calor Latente
de Solidificacion.)
-
16
Otros conceptos conocidos bajo esta denominacin son:
El calor latente de condensacin, es el calor desprendido por el vapor y hacerlo
liquido.
El calor latente de solidificacin, es el valor desprendido por el liquido y hacerlo
slido.
ESTADOS DE LA MATERIA
El cambio de slido a lquido y de lquido a gas o viceversa se llama cambio de
estado
Por definicin, calor latente de evaporacin es el calor necesario para pasar 1 Lb.
de lquido a vapor sin variar su temperatura a la presin atmosfrica normal. Una
cantidad idntica de calor debe ser restada al vapor para pasarlo a lquido.
Calor latente de fusin es el calor necesario para pasar 1 lb. de slido a lquido
sin variar su temperatura a la presin atmosfrica normal. Una cantidad igual de
calor debe ser restada para pasar de lquido a slido.
S L G
Evaporacin Fusin
Sublimacin progresiva
Condensacion Solidificacion Sublimacin regresiva
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18
por medio de la lnea inclinada de la izquierda. Los 16 BTU son de calor sensible,
ya que ellos producen un aumento de temperatura.
A 32 F el hielo comienza a fundirse. Durante el proceso de fusin la temperatura
no cambia pero el contenido de calor aumenta, como se indica en la lnea
horizontal. Su longitud total est al nivel de los 32F pero el calor contenido vara
desde 16 BTU a 160 BTU. Los 144 BTU de diferencia es el calor latente de
fusin.
Despus que el hielo a 32F se ha convertido en agua a la misma temperatura,
cualquier otra adicin de calor comienza a cambiar la temperatura del agua como
indica la lnea inclinada de la derecha.
Los 180 BTU que cambian la temperatura del agua de 32F son de calor sensible.
A 212F el agua empieza a hervir. La temperatura de ebullicin se llama tambin
temperatura de saturacin. La temperatura del agua permanece a 212F hasta
que 970 BTU han sido aadidos y la libra de agua est hirviendo como se indica
por la lnea horizontal superior. Los 970 BTU necesarios para convertir el agua en
vapor son calor latente de evaporacin.
Finalmente, si se aade an ms calor al vapor despus que el agua ha hervido,
la temperatura del vapor empieza a aumentar. El calor adicional se llama
"sobrecalentamiento (S.H)". Tambin el sobrecalentamiento se mide en grados.
De ese modo, 10F de sobrecalentamiento quiere decir que el vapor ha sido
calentado 10F por encima del punto de ebullicin o punto de saturacin.
Ahora hagamos un rpido resumen sobre el grfico:
-
19
a. La temperatura de una libra de hielo es elevada desde 0 a 32 por adicin de
16 BTU, de calor sensible.
b. El hielo a 32F se convierte en agua a 32F, por adicin de 144 BTU de calor
latente de fusin
c. La temperatura del agua es elevada desde 32F a 212F por adicin de 180
BTU de calor sensible
d. El agua se convierte en vapor por adicin de 970 BTU de calor latente de
evaporacin
e. El vapor es sobrecalentado por adicin de calor sensible
El cambio de hielo a agua y de agua a vapor o viceversa se llama cambio de
estado. Los cambios de estado son siempre acompaados por una ganancia o
prdida de calor latente.
TONELADA DE REFRIGERACION (T. R.)
Una tonelada de refrigeracin es el efecto de refrigeracin producido al fundirse
una tonelada de hielo a la temperatura de 32F en 24 horas. Es por tanto, una
variacin de calor por unidad de tiempo, ms bien que una cantidad de calor.
Puede ser convertida en BTU por da, por hora, o por minuto si se desea.
Para obtener BTU por da, se multiplica 2000 (el nmero de libras que tiene una
tonelada de hielo) por 144 (el calor latente en BTU que se necesitan para derretir
cada libra de hielo). El resultado es 288.000 BTU por da.
Para obtener BTU/hora, dividir los 288.000 BTU/da entre 24. El resultado es
12.000 BTU/hora.
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21
En el interior de la caja que vemos en la grfica, hay un barmetro del tipo usado
para predecir las condiciones climatolgicas. El extremo superior del tubo de
cristal est cerrado y existe un vaco casi total en la parte superior de la columna
de mercurio.
Cuando la vlvula de la derecha de la caja est abierta, la presin del aire del
interior y exterior de la campana son iguales.
Si se bombea aire dentro de la caja la presin aumenta. El aumento de presin
sobre la superficie del mercurio contenido en el vaso, eleva la columna de
mercurio en el tubo de vidrio. Si se extrae el aire de la caja, la presin sobre la
superficie del mercurio decrece y la columna de mercurio baja de nivel en el tubo.
Si fuera posible extraer la totalidad del aire de la caja, la parte superior de la
columna de mercurio, descendera hasta el mismo nivel que la superficie del
mercurio del vaso.
La altura de la columna de mercurio bajo condiciones normales al nivel del mar, es
poco ms o menos de 30" de Hg.
Vlvula
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Caja cubierta
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30" de Hg de vaco equivale a cero libras por pulgada cuadrada absolutas (PSIA).
A 14.7 PSI absolutas, la presin leda en manmetro es de cero PSI.
Equivalentes de presin
1.033 Kg/cm2
10.33 mts H2O
760 mm Hg / cm2
760 Torricelli
29.92 pulg. Hg
ATMOSFERA 14.696 psi
ESTANDAR 407" H2O
101.325 Kpa
1013.25 Milibar
1.01325 bar
760000 micrones
33.88 pies H2O
Hagamos un breve repaso a este captulo:
a. Refrigeracin es la transferencia de calor desde un lugar donde no se desea a
otro lugar donde no importa cederlo y/o puede ser aprovechado.
b. El calor es una forma de energa. Puede ser convertida en trabajo.
c. Fro es un trmino que denota relativa ausencia de calor.
d. Temperatura es una medida de la intensidad del calor. Existen tres escalas de
temperatura: Fahrenheit, Centgrada y Absoluta.
-
24
e. El calor puede ser transferido de cualquiera de los tres siguientes modos:
CONDUCCION, CONVECCION, RADIACION
f. Un BTU es el calor requerido para aumentar la temperatura de una libra de
agua, un grado Fahrenheit.
g. Calor especfico es el nmero de BTU necesarios para aumentar la
temperatura de una libra de una misma sustancia, un grado Fahrenheit.
h. Calor sensible es el calor que cambia la temperatura de una sustancia.
i. Calor latente es el calor que convierte un slido en lquido en vapor sin cambiar
su temperatura. Sustrayendo calor latente, un vapor se transforma en lquido o
un lquido en slido.
Calor latente de fusin es el calor necesario para pasar una libra de slido a
lquido sin cambiar su temperatura a una presin atmosfrica normal.
Calor latente de evaporacin es el calor necesario para pasar una libra de
lquido a vapor sin cambiar su temperatura a una presin atmosfrica normal.
j. Cambio de estado es el paso de slido a lquido y de lquido a gas o viceversa.
k. Temperatura de saturacin es otra manera de denominar al punto de ebullicin
o condensacin.
l. Sobrecalentamiento es el calor aadido a un gas despus que todo el lquido
se ha evaporado. Se mide normalmente en grados.
-
25
m. Una tonelada de refrigeracin es el efecto producido al fundirse una tonelada
de hielo en 24 horas.
n. Presin es la fuerza por unidad de superficie. Se mide en dos escalas:
PSIA es la presin medida sobre la escala absoluta. El punto cero equivale a
la presin atmosfrica cero. PSIG es la presin medida sobre un manmetro.
El punto cero es de 14.7 PSI, o sea la presin atmosfrica normal.
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