termodinamica 2010

TERMODINAMICA

Docente: Ing. RODRIGO R. CUELLO M.

INTRODUCCIÓN: Conceptos básicos, volumen, temperatura y presión. Tablas termodinámicas

PRIMERA LEY: Calor y Trabajo, La 1ra ley sistemas cerrados, ecuación de rapidez, (RPFE Y EUFU)

SEGUNDA LEY: Postulados, entropía.

CICLOS DE POTENCIA: Análisis de ciclos de potencia.

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TERMODINAMICACONTENIDO DE LA ASIGNATURA

TERMODINAMICA ING. RODRIGO

R. CUELLO M.

Capítulo I. FUNDAMENTOS

Termodinámica: ciencia de la energía.

En griego:Therme: calor

Dynamis: potencia Describe primeros esfuerzos por

convertir calor en potencia. Estudio de sistemas productores

de potencia.

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Es una ciencia que estudia:

los diversos aspectos de la energía, las relaciones entre las propiedades de

la materia, las transformaciones de la energía,

incluyendo la producción de potencia, la refrigeración, etc.

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Por que estudiar termodinámica?

En que se fundamenta?

Como y donde se aplican las leyes de la termodinámica?

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AREAS:

Dispositivos generadores de energía fijos y móviles. Refrigeración y acondicionamiento de

aire. Procesamiento químico. Cohetes y motores a propulsión a

chorro. Unidades de energía solar. Cuerpo humano, etc.

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LEYES DE LA TERMODINAMICA

1. Primera Ley: La energía es una propiedad

termodinámica. Trata acerca del intercambio de energía, o cuánto de un tipo de energía es equivalente a otro (Esto en la práctica no siempre es posible).

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2. Segunda Ley:

La energía tiene calidad y cantidad.

Señala cuáles cambios son posibles y cuáles no.

Procesos reales tienden a la disminución de la calidad de la energía.

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COMBINACION DE PRIMERA Y SEGUNDA LEY

Relaciones cuánto trabajo se encuentra en una situación dada, lo que lleva a un concepto llamado disponibilidad o exergía.

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tiene que ver con la energía extraíble de un sistema en un ambiente particular, es decir, qué porción de la energía puede extraerse para realizar trabajo útil.

Disponibilidad

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ENFOQUES DE LA TERMODINÁMICA

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• Termodinámica Clásica: corresponde a la aplicación del enfoque macroscópico, que no requiere de conocer el comportamiento individual de las partículas.

• Termodinámica Estadística: corresponde al enfoque microscópico, con base en el comportamiento promedio de grandes grupos de moléculas individuales.

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ENFOQUES DE LA TERMODINÁMICA

• La termodinámica clásica es la única teoría física de contenido universal que, dentro del marco de aplicación de sus conceptos básicos, nunca será derrotada. TERMODINAMICA

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Las magnitudes físicas se clasifican en:

A). Primarias:

Longitud. Masa. Tiempo. Temperatura. Fuerza.

B). Secundarias o derivadas:

Velocidad. Aceleración. Energía. Calor específico, etc.

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Son conceptos básicos de medición que caracterizan a una magnitud física mediante una letra.

L : longitudM : masat : tiempoF : fuerzaT : temperatura.

Dimensiones.

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Es la forma de expresar las dimensiones.

· L = m, pie, cm· t = seg , min, hr· M = Kg, Lbm

Existen reglas para manejar las unidades.

Unidades:

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Sistema CGS: Magnitudes primarias: L , M , t

Unidades básicas: M = gramo = gL = centímetro = cmt = segundo = segT = grado Kelvin = Kn = gramo mol = gmol

Unidades derivadas:Energía = erg = g cm2 seg-2

Fuerza = dina = g cm seg-2

Densidad = g/cm3TERMODINAMICA

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Sistema Internacional: Magnitudes primarias: L , M , t

Unidades básicas: M = kilógramo = kg L = metro = m t = segundo = seg T = grado Kelvin = K n = kilo mol = kgmol

Unidades derivadas:Energía = joule (J) = kg m2 seg-2

Fuerza = newton (N) = kg m seg-

2TERMODINAMICA

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Sistema Americano de Ingeniería:Magnitudes primarias: L , M , t , F

Unidades básicas: M = libra masa = lbm L = pie o ft = pie o ft F = libra fuerza = lbf t = segundo = seg T = grado Rankine= R n = libra mol = lbmol

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Unidades derivadas:

Energía = unidad térmica de energía = Btu

= pie lbfDensidad = lbm /pie3

Velocidad = pie/segAceleración = pie/seg2

Presión = lbf/pulg2 (psi)Potencia = caballo de fuerza (hp)

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Conversión de unidades:

Para realizar conversión de unidades entre un sistema y otro se utilizan los factores de conversión.

Los factores de conversión son expresiones de valores equivalentes de diferentes unidades del mismo sistema o de sistemas distintos.

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Ejemplos:1 min / 60 seg 1 m / 100 cm1 kg / 1000 gr 1 pulg / 2,54 cm

Problema:Transformar 400 pulg3/dia a cm3/min

Factores a usar: 1 pulg/2,54 cm ; 1 dia/24 hr ; 1 hr/60 min

Rta: 4,55 cm3/min

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Consistencia dimensional:

Todas las ecuaciones deben ser dimensionalmente consistentes como principio básico, lo que significa que todos los términos de la ecuación deben tener las mismas dimensiones y unidades.

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¿Cuantas formas de energía existen?

¿Que es el calor y que el trabajo?Solo existen cuando ocurre transferencia de

energía

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Energía de transferencia

CALOR Cuando colocamos

un clavo metálico en una llama

TRABAJO Cuando colocamos

una rueda cualquiera en un chorro de agua

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Sistema: cantidad de materia o una región en el espacio elegida para ser estudiada.

Estado: Conjunto de propiedades que definen la condición precisa en la que existe un sistema termodinámico.

SISTEMA TERMODINAMICO

alrededores frontera sistema

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PROCESO: es una sucesión de transformaciones, interacciones y actuaciones de un sistema determinado.

TRAYECTORIA: serie de estados por los cuales pasa un sistema durante un proceso. TERMODINAMICA

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ISOTERMICOS: T = CTE

PROCESOS ISOBARICOS: P = CTE

ISOCORICOS o ISOMETRICOS:

V = CTE

TIPOS DE PRECESOS

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• Ciclo: cuando un proceso se repite en forma indefinida, pasando por cierto estado y repitiendo el camino recorrido.

Es un proceso al término del cual el sistema regresa a su estado inicial.

trayectoria

Estado Inicial = Estado Final

V

P1 2

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Es cualquier característica de un sistema.

No todas son independientes.

Ejemplos: m = 12 kg

V = 3 m3

T = 298 K

P = 3 atm

= 1 kg / m3

PROPIEDADES DE UN SISTEMA

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• Intensivas: son independientes del tamaño del sistema. No dependen de la masa.

• Extensivas: dependen del tamaño del sistema. Dependen de la masa.

1/2 m

1/2 V

P

T

1/2 m

1/2 V

P

T

intensivas

extensivas

Las propiedades pueden ser:

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Sist. Abierto

Sist. CerradoE E

m, no E E

m

TIPO DE SISTEMAS

SISTEMA AISLADO

mTERMODINAMICA ING.

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Las relaciones termodinámicas aplicables a sistemas cerrados y abiertos son diferentes.

Por lo tanto es importante reconocer el tipo de sistema antes de comenzar el análisis del problema.

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Al considerar la variación de las propiedades del sistema estos pueden clasificarse como:

S. en estado estacionario

S. en estado transiente

E

Enfriamiento de un termo

Agua fría

Agua caliente

Calentamiento de agua en un sistema de calefacción

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TRES PROPIEDADES PRELIMINARES

Volumen:– Volumen especifico

Presión:

P. absoluta: Presión real de un sistema P. barométrica: Presión de la atmósfera P. relativa:

m

Vv 1v

A

FP

baroabsrel PPP TERMODINAMICA ING.

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Se pude considerar como una manifestación del estado energético de las moléculas de una sustancia. se percibe como sensación de frió o calor

Ley cero de la termodinámica

TEMPERATURA

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Cualquier ecuación que relacione la P, T y v de una sustancia al estado gaseoso se conoce como ecuación de estado.

PV = mRT o Pv = RT

La más conocida es la del gas ideal, que predice el comportamiento P, V, T dentro de una región bien específica.

GASES IDEALES

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PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA

TIPOS DE FLUIDOS UTILIZADOS– VAPOR DE AGUA– LOS REFRIGERANTES– LOS COMBUSTIBLES– EL AIRE ENTRE OTROS

Para que es necesario conocer la naturaleza y propiedades de los fluidos? TERMODINAMICA

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SUSTANCIA PURA: es la que tiene una composición química homogénea

¨ Estado crítico para una sustancia pura:

Es un estado a T y P, en el cual las fases líquidas y gaseosas son tan parecidas que no pueden seguir existiendo como fases separadas.

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CAMBIO DE FASES DE UNA SUSTANCIA

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1. Líquido comprimido o subenfriado: sustancia que existe en fase líquida y no está a punto de evaporarse.

2. Líquido saturado: es un líquido a punto de evaporarse.

3. Vapor saturado: es un vapor a punto de condensarse.

4. Vapor sobrecalentado o recalentado:es un vapor que no está a punto de condensarse.

CONCEPTOS:

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DIAGRAMA P-v

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Temp.°C Pre. Sat. Kpa Liq sat. vf Vap. Sat.vg uf ufg ug0,01 0,6113 0,001000 206,14 0 2375,3 2375,3

5 0,8721 0,001000 147,12 20,97 2361,3 2382,310 1,2276 0,001000 106,38 42 2347,2 2389,215 1,7051 0,001001 77,93 62,99 2333,1 2396,120 2,339 0,001002 57,79 83,95 2319 2402,925 3,169 0,001003 43,36 104,88 2304,9 83,96

Agua saturada - Tabla de Presiones

Pre. Kpa Temp. Sat.°C Liq sat. vf Vap. Sat.vg uf ufg ug0,6113 0,01 0,001000 206,14 0 2375,3 2375,3

1,0 6,98 0,001000 129,21 29,3 2355,7 23851,5 13,03 0,001001 87,98 54,71 2338,5 2393,32,0 17,5 0,001001 67,00 73,48 2326 2399,52,5 21,08 0,001002 54,25 88,48 2315,9 2404,43,0 24,08 0,001003 45,67 101,04 2307,5 2408,5

m3/Kg KJ/Kg

Agua saturada - Tabla de temperaturas

KJ/Kgm3/Kg

Volumen especifico Energia interna

Volumen especifico

USO DE LAS TABLAS TERMODINAMICAS

Energia interna

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T v u h s v u h s°C m3/Kg KJ/Kg KJ/Kg KJ/Kg-K m3/Kg KJ/Kg KJ/Kg KJ/Kg-K

Sat 14,674 2437,9 2584,7 8,1509 3,240 2483,9 2645,9 7,593950 14,869 2443,9 2592,6 8,1749

100 17,196 2515,5 2687,5 8,4479 3,418 2511,6 2682,5 7,6947150 19,512 2587,9 2783,0 8,6882 3,889 2585,6 2780,1 7,9401200 21,825 2661,3 2879,5 8,9038 4,356 2659,9 2877,7 8,1580250 24,136 2736,0 2977,3 9,1002 4,820 2735,0 2976,0 8,3556300 26,445 2812,1 3076,1 9,2813 5,284 2811,3 3075,5 8,5373350400

P = 0.001 Mpa (45.81°C)

Agua sobrecalentada

P = 0,005 Mpa (81.33°C)

TABLA DE AGUA O VAPOR SOBRECALENTADO

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