guia de estudio- trmodinamica 2012

330
Página1 Guía de Estudios Autor: Ing. Carlos Roberto Rosalén -2012- UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA Departamento Ingeniería Mecánica

Upload: canlej

Post on 16-Feb-2015

51 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

Guía de Estudios

Autor: Ing. Carlos Roberto Rosalén

-2012-

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL –

FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA

Departamento Ingeniería Mecánica

Page 2: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

NOTA AL LECTOR

Esta guía de estudio tiene por fin servir de introducción y orientación para

el estudio de la termodinámica a los estudiantes de ingeniería. No pretende

ni puede sustituir a la copiosa bibliografía que existe en la materia. Si se

extendiera hasta cubrir exhaustivamente todos los temas que incluye la

termodinámica resultaría excesivamente largo. Mi objetivo es pues ofrecer

una visión inicial equilibrada de los aspectos más importantes de interés

para la ingeniería de ésta ciencia apasionante.

Esta guía de estudio, queda bien entendido, no basta por sí solo para

adquirir los conocimientos y dominio necesarios en la materia, sino que

sirve de base para un estudio posterior, más extenso, profundo y

especializado. No puede sustituir al estudio y a la búsqueda bibliográfica,

que recomiendo enérgicamente como única vía para obtener un

conocimiento solido de cualquier materia.

En la selección del material y elaboración de ésta guía he tratado de

mantener el mayor nivel de sencillez compatible con la profundidad que

cada tema se merece. Siempre me pareció que algunos autores

complicaban sus enfoques y desarrollos sin necesidad, y he tratado de

evitar caer en ese error.

Se reconoce que la termodinámica no es una ciencia “fácil”. Precisamente

por eso no se deben agregar dificultades a algo que ya de por si es

complicado.

En ésta guía, se ha omitido explicaciones teóricas del contenido de los

temas, haciendo más hincapié en los desarrollos matemáticos

simplificados.

Por lo expuesto precedentemente, recomiendo al alumno reforzar la teoría

de lo aquí contenido en la bibliografía que les sugiero.

Apreciaré mucho recibir sus comentarios, observaciones y sugerencias

orientadas a mejorar el nivel de ésta guía, las que analizaré con el fin de

incorporarlas en la próxima revisión y edición.

……………………………………………………….

Page 3: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

N° TEMAS

1 Termodinámica-conceptos y definiciones generales

2 Los Principios de la Termodinámica

3 Gases Ideales – Leyes que la rigen

4 Determinación de la Ecuación de Estado de los Gases Ideales

5 Determinación experimental del Cero Absoluto de temperatura

6 Transformaciones en el diagrama P;V

7 Trazado gráfico de una transformación isotérmica

8 Trazado Gráfico de una transformación adiabática / politropica

9 Trabajos en la Termodinámica

10 1ER

. Principio de la Termod. Sistemas Cerrados- Ec Gral. De la Termod.

11 Determinación de “J” (método de Mayer)

12 Determinación de “” (método de Clement y Desormes)

13 Trabajo Externo Termodinámico de Compresión Isotérmica

14 Trabajo Externo Termodinámico de Compresión Adiabáticas

15 Trabajo de Circulación de Compresión Isotérmica

16 Trabajo de Circulación de Compresión Adiabáticas

17 Entalpia-

18 Primer Ppio.de la Termodinámica para Sistemas Abiertos-ejemplos

19 Ciclo de Carnot - rendimiento térmico-

20 Segunda Ley de la Termodinámica

21 Calor transferido en una evolución Politrópica

22 Trazado de las transformaciones en el diagrama T; S

23 Variación de Entropía en los gases ideales

24 Ecuaciones de las Adiabaticas

25 Variación de la Entropia en los Procesos Reversibles

26 Variación de la Entropia en los Procesos Irreversibles

Page 4: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

27 Vapores- Calor de formación de Vapores

28 Variación del Título en las Expansiones Adiabáticas

29 Escurrimiento de Gases y vapores (salida adiabática)

CICLOS DE CENTRALES TERMICAS DE VAPOR

30 Ciclo de Rankine Simple

31 Ciclo de Rankine Con Sobrecalentador

32 Ciclo de Rankine Con Sobrecalentador y expansión múltiples

33 Ciclo Rankine Regenerativo con una extracción

34 Ciclo Rankine Regenerativo con doble extracción

35 Ciclos Binarios

CICLOS DE LAS MAQUINAS FRIGORIFICAS

36 Ciclo Frigorífico por Compresión mecánica -Régimen Húmedo-

37 Ciclo Frigorífico por Compresión - Régimen Seco-

38 Mejoras en el Ciclo Frigorífico

CICLOS DE CENTRALES TERMICAS DE GAS

39 Ciclo Brayton ideal (sin fricción)--

40 Relación Optima de presiones

41 Mejoras en el ciclo Brayton

42 Ciclo Brayton real (con fricción)

43 Ciclo Turbina de gas ideal con Regenerador ideal

44 Ciclo Turbina de gas ideal con 2 compresiones y 2 expansiones

45 Centrales Térmicas de Ciclo Combinado (gas- vapor)

CICLOS DE LAS MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA

46 Ciclo Otto-rendimiento térmico-

47 Ciclo Diesel – rendimiento térmico-

48 Ciclo Semi Diesel – Sabathé-

COMPRESORES ALTERNATIVOS- (generalidades)

Page 5: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

49 Trabajo de compresión Isotérmico sin “espacio nocivo”

50 Trabajo de compresión Adiabático sin “espacio nocivo”

51 Trabajo de compresión Isotérmico con “espacio nocivo”

52 Trabajo de compresión Adiabático con “espacio nocivo”

53 Compresión en 2 etapas ( 1 escalonamiento intermedio)

54 Compresión en 3 etapas (2 escalonamientos intermedios)

TRANSMISION DEL CALOR – Generalidades-

55 Transmisión del Calor por Conducción en Pared Plana homogénea

56 Transmisión del Calor por Conducción en Cilindros Huecos

57 Transmisión del Calor Por Convección

58 Coeficiente Total (K) de Transmisión del Calor

59 Transmisión del calor por Radiación

60 Intercambiador de Calor ( DMLT )

Page 6: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

TEMA1: TERMODINAMICA

La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las

transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo

(movimiento).

Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el

rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la

Revolución Industrial.

La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló

antes de que la estructura atómica fuera descubierta , por lo que los resultados que

arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y

molecular de la materia.

El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las

llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes

definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado

a ser de las leyes más importantes de la ciencia.

Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario

introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico,

cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos

conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:

Page 7: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

Restringiremos (temporalmente) nuestra atención a sistemas simples, definidos como

sistemas que son macroscópicamente homogéneos, isotrópicos, y desprovistos de

carga eléctrica, que son lo suficientemente grandes para que los efectos de frontera

puedan ser ignorados, y que no se encuentran bajo la acción de campos eléctricos,

magnéticos o gravitacionales.

El sistema termodinámico más simple se compone de una masa fija de un fluido

isotrópico puro no influenciado por reacciones químicas o campos externos. Tales

sistemas se caracterizan por las tres coordenadas mensurables: presión P, volumen V y

temperatura T y se llaman sistemas PVT.

SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Definición de sistema, entorno y universo

Un sistema termodinámico (también denominado sustancia de trabajo) se define

como la parte del universo objeto de estudio. Un sistema termodinámico puede ser una

célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la mezcla de gasolina y aire en

un motor térmico, la atmósfera terrestre, etc.

Page 8: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

El sistema termodinámico puede estar separado del resto del universo (denominado

alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. En este último caso, el

sistema objeto de estudio sería, por ejemplo, una parte de un sistema más grande. Las

paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas

paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Los sistemas termodinámicos pueden ser aislados, cerrados o abiertos.

Sistema aislado: es aquél que no intercambia ni materia ni energía con los

alrededores.

Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no

materia con los alrededores (su masa permanece constante).

Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores.

En la siguiente figura se han representado los distintos tipos de sistemas

termodinámicos.

Un sistema también puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier

región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo

demás, lo cual se convierte entonces en el entorno del sistema. El sistema y su entorno

forman el universo.

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones

(entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades

especiales que sirven para:

a) Aislar el sistema de su entorno

b) Permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Llamamos sistema, o medio interior, la porción del espacio limitado por una

superficie real o ficticia, donde se sitúa la materia estudiada. El resto del universo es

el medio exterior.

Page 9: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

La distinción entre sistema y entorno es arbitraria: el sistema es lo que el observador

ha escogido para estudiar.

Sistemas aislados, cerrados y abiertos

Sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su

entorno.

Sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno,

pero no materia.

Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su

entorno.

Page 10: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

0

Ejemplo, las paredes del recipiente que lo contenga, o imaginario, como es en el caso de

una porción de masa de un fluido aislada del resto del mismo. Figura adjunta muestra un

sistema Cilindro-Embolo con límite o frontera real; y un tramo de tubería por donde

circula un fluido de límite imaginario

Es importante tener en cuenta que el sistema termodinámico y sus fronteras están

determinados exclusivamente por el observador, que es en definitiva quien determina la

región del universo que desea estudiar.

Lógicamente que cuando un observador acota física o mentalmente un sistema,

éste se verá afectado por aquella parte del universo más próxima a él como consecuencia

de su interacción mutua. Esta interacción dependerá de la permisividad de la frontera o

pared, por lo que es necesario clasificar las paredes de un sistema en función de la

permisividad ante la interacción del sistema con el exterior. Así, se define:

a. Paredes aislantes: son las que no toleran interacción de ningún tipo entreel

sistema y el medio exterior; es decir, las paredes de esta clase no permiten

intercambios de energía calorífica, química, eléctrica, magnética, etc.

b. Paredes adiabáticas: son aquellas que toleran intercambios energéticos de origen

esencialmente mecánico e impiden la transmisión de calórica.

c. Paredes diatérmicas: son las que, a diferencia de las anteriores, toleran la

transferencia energética de naturaleza térmica, es decir, permiten el paso del calor

Page 11: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

1

a su través y pueden o no tolerar los intercambios de cualquier otro tipo, según los

casos.

En la figura de abajo se muestran ejemplos de los distintos tipos de paredes.

a) Paredes Aislantes b) Paredes Adiabáticas c) Paredes Diatérmicas

Cuando un sistema se encuentra encerrado en un recipiente de paredes aislantes, suele

decirse que está aislado (Fig.a); si el sistema se encuentra limitado por paredes

adiabáticas se dice que está térmicamente aislado (Fig.b) y, si está limitado por paredes

diatérmicas, se dice que está en contacto térmico con los alrededores (Fig. c).

Por otra parte, desde el punto de vista de la naturaleza de la interacción de los

sistemas con el medio exterior, aquéllos suelen clasificarse en cerrados o abiertos.

Cuando un sistema está aislado y se le deja evolucionar un tiempo suficiente, se

observa que las variables termodinámicas que describen su estado no varían. La

temperatura en todos los puntos del sistema es la misma, así como la presión. En esta

situación se dice que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Sistema cerrado es el que contiene una cantidad invariable de materia, pudiendo

únicamente la energía atravesar sus límites. Dicho de otra forma, un sistema cerrado

intercambia energía con el exterior, pero no intercambia materia. Ejemplos de este tipo

Page 12: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

2

de sistemas son: un gas encerrado en un cilindro provisto de un émbolo móvil, aire

contenido en un globo, etc. .

Sistemas abiertos son aquéllos en los que puede variar la masa, pues ésta puede

pasar a través de los límites del mismo; esto es, un sistema abierto intercambia

materia y energía con el medio exterior a través de la superficie de separación.

Ejemplos de este tipo son: un calentador de agua, un motor de propulsión a chorro,

un aire acondicionado de ventana, etc.

Page 13: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

3

Es muy común llamar al sistema cerrado simplemente sistema y al sistema abierto

llamarlo volumen de control. En un volumen de control la frontera se denomina

superficie de control.

Los sistemas según su naturaleza pueden ser homogéneos y heterogéneos

dependiendo del número de fases. Se entiende por fase a una cantidad de materia de

composición química y estructura física totalmente homogéneas. La homogeneidad

química no implica una especie química única, ya que una mezcla de gases o una

solución es un sistema de una sola fase. La homogeneidad física significa que todas

las sustancias están o como sólido, como líquido o como gas. Por ejemplo, el sistema

formado por el agua y su vapor contiene dos fases, una líquida y otra gaseosa. El

sistema que conste de una sola fase se llamará homogéneo, y heterogéneo el formado

por más de una fase. Un sistema termodinámico puede estar constituido por más de

un componente; así, mientras que la mezcla de agua y vapor de agua tiene un solo

componente, la mezcla aire-agua-hielo constituye un sistema trifásico integrado por

dos componentes: el aire y el agua.

EQUILIBRIO TERMODINAMICO

En termodinámica se dice que un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando las

variables intensivas que describen su estado no varían a lo largo del tiempo.

VARIABLES TERMODINAMICAS

Las variables termodinámicas o variables de estado son las magnitudes que se

emplean para describir el estado de un sistema termodinámico. Dependiendo de la

naturaleza del sistema termodinámico objeto de estudio, pueden elegirse distintos

conjuntos de variables termodinámicas para describirlo. En el caso de un gas, estas

variables son:

Masa (m ó n): es la cantidad de sustancia que tiene el sistema. En el Sistema

Internacional se expresa respectivamente en kilogramos (kg) o en número de moles

(mol).

Page 14: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

4

Volumen (V): es el espacio tridimensional que ocupa el sistema. En el Sistema

Internacional se expresa en metros cúbicos (m3). Si bien el litro (l) no es una unidad

del Sistema Internacional, es ampliamente utilizada. Su conversión a metros cúbicos

es: 1 l = 10-3

m3.

Presión (p): Es la fuerza por unidad de área aplicada sobre un cuerpo en la

dirección perpendicular a su superficie. En el Sistema Internacional se expresa en

pascales (Pa). La atmósfera es una unidad de presión comúnmente utilizada. Su

conversión a pascales es: 1 atm ≅ 105 Pa.

Temperatura (T ó t): A nivel microscópico la temperatura de un sistema está

relacionada con la energía cinética que tienen las moléculas que lo constituyen.

Macroscópicamente, la temperatura es una magnitud que determina el sentido en

que se produce el flujo de calor cuando dos cuerpos se ponen en contacto. En el

Sistema Internacional se mide en kelvin (K), aunque la escala Celsius se

emplea con frecuencia. La conversión entre las dos escalas es:

T (K) = t (ºC) + 273.

En la siguiente figura se ha representado un gas encerrado en un recipiente y las

variables termodinámicas que describen su estado.

Page 15: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

5

PROPIEDADES Y ESTADOS DE UN SISTEMA

Propiedad es cualquier característica observable de un sistema. Algunos

ejemplos de propiedades son presión, temperatura, módulo de elasticidad, volumen y

viscosidad dinámica. Existen otras propiedades que no pueden observarse

directamente, pero que pueden definirse mediante las leyes de la termodinámica. Dos

de estas propiedades son la energía interna y la entropía.

El Estado o condición de un sistema se especifica por los valores de sus

propiedades. Si un sistema tiene los mismos valores para todas sus propiedades en dos

instantes distintos, el sistema está en estados idénticos en esos dos instantes. Se

necesitan conocer unas pocas propiedades para especificar completamente un estado.

La cantidad precisa de las propiedades que se necesitan para especificar el estado de

un sistema depende de la complejidad del mismo. Cuando el valor de alguna

propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Algunos ejemplos son la presión P, la temperatura T, el volumen V y la masa m. Existen

otras propiedades menos familiares como la viscosidad, la conductividad térmica, el

módulo de elasticidad, el coeficiente de expansión térmica, la resistividad eléctrica e

incluso la velocidad y la altura.

Las propiedades que caracterizan el estado de un sistema pueden dividirse en dos

categorías: intensivas y extensivas.

Las propiedades intensivas, tales como temperatura, presión y densidad, no dependen

de la masa del sistema. Una variable intensiva puede definirse en un punto, ya que tiene

un valor finito cuando el tamaño del sistema que rodea el punto se aproxima a cero.

Las variables que dependen del tamaño del sistema, tales como longitud, volumen, masa

y energía interna, son propiedades o variables extensivas. Si un sistema homogéneo se

Page 16: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

6

divide en dos partes, la masa de la totalidad del sistema es igual a la suma de las masas

de las dos partes. El volumen del todo es también igual a la suma de los volúmenes de

las partes. Por otra parte, la temperatura del todo no es igual a la suma de las

temperaturas de las partes. De hecho, la temperatura, presión y densidad del todo son

iguales que las de las partes. Cualquier propiedad extensiva de todo el sistema es igual a

la suma de las propiedades parciales respectivas de los componentes del sistema. Puede

definirse el estado extensivo del sistema si se conoce, además de las propiedades

intensivas, una propiedad que indique la extensión del sistema y que puede ser la masa o

el volumen. El cociente entre dos propiedades extensivas de un sistema homogéneo es

una propiedad intensiva. Muchas de las propiedades intensivas se obtienen dividiendo la

correspondiente extensiva por la masa del sistema. La nomenclatura que se utiliza para

designar las propiedades intensivas que se obtienen de propiedades extensivas es

representar con letra mayúscula las extensivas y con minúscula las intensivas. Las

propiedades intensivas reciben la misma denominación que las extensivas de que

proceden, seguida de la palabra específico. Así, tomando como variable extensiva de

referencia la masa, se tiene:

Presión

En física se define como presión (P) al cociente entre

la fuerza (F) y la superficie o área (A) donde esta

aplicada en forma perpendicular. Pero si consideramos

a la masa de un gas dentro de un recipiente, la presión

que el mismo ejerce, se puede clasificar en relativa y

absoluta:

1. Presión relativa: es la presión que un gas ejerce dentro del recipiente que lo

contiene y puede leerse directamente del manómetro.

Page 17: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

7

2. Presión absoluta: es la suma de la presión relativa más la presión del medio que

rodea al recipiente que contiene el gas. Si el medio es la atmósfera, habrá que

sumarle una atmósfera o un bar.

En el Sistema Internacional de Medidas (SI) la presión se mide en Pascales, recordando

que un Pascal (Pa) es equivalente a una fuerza de un Newton aplicada en una superficie

de 1 m².

Existen diferentes escalas de presión derivadas de los diferentes sistemas de unidades. Si

tenemos en cuenta las diferentes relaciones entre las escalas de presión podemos

encontrar las siguientes equivalencias:

1 atm=1bar=1,033 Kg/cm²=1013 hPa= 760 mm Hg = 14,7 lb / pulg²

Para simplificar el pasaje de unidades de la presión adoptaremos una relación directa

(ver Tabla de Unidades de Conversión):

1 atm = 1 bar = 1 Kg / cm² = 10.000 Kg / m²

1 atm = 1000 hPa = 100 Kpa = 0,1 MPa

1 atm = 760 mm Hg = 14,7 lb / pulg²

…………………………………………….

Densidad: Se define como la masa por unidad de volumen

Algunas veces la densidad de una sustancia se determina en relación con la densidad de

una sustancia mejor conocida. En ese caso se llama densidad relativa o gravedad

específica y es definida como la relación entre la densidad de una sustancia y la de una

sustancia estándar a una temperatura específica. Agua a 4° C para la cual:

Page 18: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

8

Esto es

La densidad relativa es una cantidad adimensional.

Volumen Específico: Es el recíproco de la densidad y se define como el volumen

por unidad de masa

Peso Específico: Es el peso de una sustancia por unidad de volumen

Temperatura: Es la propiedad termodinámica que nos indica cuando un cuerpo

está <caliente> o <frío>.La temperatura es una propiedad con la cual estamos

todos familiarizados pero que resulta difícil dar una definición exacta.

Su definición clara se consigue al estudiar la Ley Cero de la Termodinámica.

………………………………………….

Page 19: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

9

TEMA 2- LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA

a) Principio Cero

Se refiere a la existencia del factor temperatura.

La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y

B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, luego de un

tiempo determinado t, éstos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán

ambos la misma temperatura.

Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también

alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma

temperatura mientras estén en contacto.

Sistemas A y B en contacto.

Representemos ahora dos sistemas A y B separados por una pared adiabática y cada uno

de ellos en contacto con un tercer sistema C cerrándose todo el conjunto por una pared

adiabática

Sistemas A y B en equilibrio térmico con C.

La experiencia demuestra que los sistemas llegan a alcanzar el equilibrio térmico con

C, y que, si la pared adiabática que separa a A de B se reemplaza por una pared

diatérmica no tiene lugar ningún otro cambio.

Page 20: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

0

Este hecho experimental confirma la conocida ley cero de la Termodinámica que

se puede enunciar así:

“Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico

entre sí”.

CONCEPTO DE TEMPERATURA

La temperatura es la propiedad de los sistemas que determina si se encuentran o no en

equilibrio. La temperatura de un sistema es la propiedad de la cual depende que un

sistema se encuentre en equilibrio térmico con otros. Por tanto, cuando dos o más

sistemas están en equilibrio térmico tienen la misma temperatura.

Primer Principio de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de cualquier sistema

aislado se conserva.

Energía

En la práctica, en las situaciones no-relativistas, se tiende, en primera aproximación

(normalmente muy buena, a descomponer la energía total en una suma de términos que

se llaman las diferentes formas de la energía.

La energía potencial y la energía cinética son dos elementos a considerar, tanto en la

mecánica como en la termodinámica. Estas formas de energía se originan por la posición

y el movimiento de un sistema en conjunto, y se conocen como la energía externa del

sistema. Un tema especial a analizar en la termodinámica es la energía interior de la

materia, energía asociada con el estado interno de un sistema que se llama energía

interna. Cuando se especifica un número suficiente de coordenadas termodinámicas,

como por ejemplo, temperatura y presión, se determina el estado interno de un sistema y

se fija su energía interna.

Page 21: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

1

En general (para un sistema no-relativista, la energía total, ET , de un sistema puede

descomponerse en energía de masa, Em, energía cinética, Ek, energía potencial, Ep, y

energía interna, U, es decir,

ET = Em + Ek + Ep + U

donde

Em = mc2

Ek = ½mv2

El cambio de energía total del sistema puede descomponerse en:

E = Ek + Ep + U

donde Ek y Ep representan el cambio de su energía externa, cinética y potencial

respectivamente, y U representa el cambio de su energía interna, dada por la energía

cinética y potencial de las moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen

el sistema.

Energía interna

La energía interna de un sistema, U, tiene la forma de energía cinética y potencial de las

moléculas, átomos y partículas subatómicas que constituyen el sistema, es decir,

U = Ek int + Ep int

Medida de la energía

Sólo las diferencias de energía, en vez de los valores absolutos de energía, tienen

significación física, tanto a nivel atómico como en sistemas macroscópicos.

Convencionalmente se adopta algún estado particular de un sistema como estado de

referencia, la energía del cual se asigna arbitrariamente a cero. La energía de un sistema

en cualquier otro estado, relativa a la energía del sistema en el estado de referencia, se

llama la energía termodinámica del sistema en ese estado y se denota por el símbolo U.

Page 22: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

2

Primera ley de la termodinámica

La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y

calor.

Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un

trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la

energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor.

El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que

nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del

agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el

primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le

transmitimos calor.

Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que

diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se

destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas

manifestaciones.

Para un sistema cerrado (de masa constante) la primera ley de la termodinámica se

expresa matemáticamente por medio de:

ET = Q – W

donde ET es el cambio total de energía del sistema, Q es el calor agregado al sistema y

W el trabajo realizado por el sistema. La primera ley de la termodinámica sólo

proporciona la expresión cuantitativa del principio de conservación de la energía. En

palabras, expresa que el cambio total de energía de un sistema cerrado es igual al calor

transferido al sistema, menos el trabajo efectuado por el sistema.

Si se expande ET en la expresión de la primera ley, se obtiene la ecuación

Ek + Ep + U = Q – W

Page 23: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

3

En el caso frecuente donde las energías potencial y cinética (energía externa) del sistema

no cambian, esta ecuación se convierte en:

U = Q – W

o, en forma diferencial,

dU = Q - W

y todo el intercambio de energía con el entorno sirve para cambiar sólo la energía

interna.

Nota: dU representa un cambio infinitesimal en el valor de U y la integración da una

diferencia entre dos valores

mientras que denota una cantidad infinitesimal y la integración da una cantidad finita

Q = Q y W = W

Movimientos perpetuos de primera especie

La primera ley de la termodinámica impide la existencia de movimientos perpetuos de

primera especie, es decir, aquellos que se alimentan de la energía que ellos mismos

producen, sin necesidad de ningún aporte exterior.

Formas de intercambio de energía sistema-entorno

Para sistemas cerrados, el intercambio de energía sistema-entorno sólo puede ocurrir en

dos formas: calor y trabajo.

El trabajo tiene dimensiones de energía y representa un intercambio de energía entre el

sistema y su entorno. Por convención se considera que el trabajo realizado por el sistema

es positivo y el trabajo efectuado sobre el sistema es negativo.

Page 24: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

4

Trabajo mecánico

El trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza que actúa sobre el sistema lo mueve a

través de una distancia. Tal como en mecánica este trabajo se define por la integral

W = Fdl

donde F es la componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento dl.

En la forma diferencial esta ecuación se escribe:

W = Fdl

donde W representa una cantidad diferencial de trabajo.

No es necesario que la fuerza F en realidad provoque el desplazamiento dl; sin embargo,

debe ser una fuerza externa. La convención de signos usual establece que el valor de W

es negativo cuando el trabajo se hace sobre el sistema y positivo cuando es hecho por

éste.

En termodinámica, a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerza distribuida

sobre un área, por ejemplo, por una presión P que actúa a través de un volumen V, como

en el caso de una presión de fluido ejercida sobre un pistón. En esta situación, el trabajo

diferencial se expresa más convenientemente como

dW = P dV

Donde P es la presión externa ejercida sobre el sistema.

El trabajo mecánico se realiza a través del desplazamiento de una masa.

Page 25: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

5

La Figura muestra un sistema A formado por un recipiente lleno de agua, un termómetro

y una rueda de paletas. Este sistema puede interaccionar con el sistema más sencillo A’

compuesto por un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoria conocida w sobre

este peso. Los dos sistemas interaccionan puesto que el peso al caer hace que la rueda

gire y agite el agua. Esta interacción es adiabática, ya que la única conexión entre los

dos sistemas es la cuerda, que sólo transmite una cantidad despreciable de calor.

El parámetro externo que describe el sistema A’ es la distancia ds del peso por debajo

del nivel de la polea. Si el peso desciende una distancia s sin variación de velocidad, la

energía media del sistema A’ se reduce en una cantidad w ds, que es la disminución de la

energía potencial del peso que resulta del trabajo realizado sobre él por la gravedad (el

peso desciende normalmente con velocidad constante, puesto que alcanza muy

rápidamente su velocidad límite. Si la velocidad del peso estuviese cambiando, la

variación de la energía media de A’ vendría dada por la variación de la suma de las

energías cinética y potencial del peso). Como el sistema combinado formado por A y A’

está aislado, la energía media del sistema A debe aumentar entonces en el proceso en

una cantidad wds; es decir, el peso que cae, A’, realiza un trabajo wds sobre el sistema

aislado adiabáticamente, A.

Page 26: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

6

Trabajo de expansión

Cuando el trabajo se debe al desplazamiento de las fuerzas de presión exteriores que

conllevan un cambio en el volumen del sistema se llama trabajo de expansión y se

expresa por

W = PdV

Calor

El calor, al igual que el trabajo, se considera en termodinámica como energía en tránsito

a través de la frontera que separa a un sistema de su entorno. Sin embargo, a diferencia

del trabajo, la transferencia de calor se origina por una diferencia de temperatura entre el

sistema y su entorno y el simple contacto es el único requisito para que el calor sea

transferido por conducción. No se considera el calor que se almacena en un sistema.

Cuando se le agrega energía en forma de calor a un sistema se almacena como energía

cinética y potencial de las partículas microscópicas que lo integran. Las unidades de

calor son las de trabajo y energía.

La convención de signos utilizada para una cantidad de calor Q es opuesta a la que se

utiliza para el trabajo. El calor añadido a un sistema se da con un número positivo, en

tanto que el calor extraído de un sistema se da con un número negativo.

Segundo Princpio de la Termodinámica

La energía total no permite caracterizar por completo un sistema macroscópico, puesto

que las partículas del sistema pueden estar en diferentes distribuciones de niveles de

energía, siendo igual la cantidad de energía total. Es necesaria una magnitud que pueda

representar, a nivel macroscópico, el grado de orden existente entre las partículas del

sistema.

Page 27: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

7

No es posible convertir completamente calor en trabajo, pero sí trabajo en calor. Así

pues, mientras, según la primera ley, calor y trabajo son formas equivalentes de

intercambio de energía, la segunda ley varía radicalmente su equivalencia, ya que el

trabajo puede pasar íntegramente a calor pero el calor no puede transformarse

íntegramente en trabajo.

Desde el punto de vista de la primera ley de la termodinámica, los dos procesos (trabajo

y calor) son equivalentes. El calor puede transformarse en trabajo, o el trabajo en calor.

Esta equivalencia se pierde si consideramos la segunda ley. El trabajo es una forma más

‘coherente’ de energía. Siempre podemos transformarlo en calor, pero la inversa no

siempre es posible.

La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada

entropía.

La entropía puede considerarse como una medida de lo próximo o no que se halla un

sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden

(espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el

desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema

aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar

cambios: ha alcanzado el equilibrio. Los procesos en la naturaleza tienden al desorden y

el caos. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo,

es imposible transferir calor desde una región de temperatura más baja a una región de

temperatura más alta.

ENTROPIA: Es una función del estado del sistema, ya que tiene un valor único para

cada estado, independiente de cómo el sistema llego a dicho estado. Es una medida

cuantitativa del desorden molecular

ΔS = ΔQreversible / T

Page 28: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

8

La entropía es una propiedad intrínseca del Sistema Termodinámico relacionada

fundamentalmente con parámetros mensurables que la caracterizan.

dS = dQreversible / T

dS: es un cambio infinitesimal de entropía del Sistema.

dQ: intercambio (reversible) de energía térmica entre el medio y el Sistema.

T: temperatura a la que se registra el intercambio de energía térmica entre el medio y el

sistema.

La expresión permite el cálculo de variaciones pero no el conocimiento de valores

absolutos.

La variación entrópica en cualquier Sistema Termodinámico y su ambiente considerado

conjuntamente es positiva, tendiendo a cero en los procesos reversibles.

ΔS Total ≥0 (proceso irreversible)

ΔS = 0 (proceso reversible)

QUE ES LA ENTROPIA ¿

La Entropía se puede considerar como una medida del desorden que tiene el sistema,

pero también se usa para medir el grado de irreversibilidad de los procesos

termodinámicos, la cantidad de energía que no se puede convertir en trabajo, y otras

cosas importantes en la práctica.

La entropía es un concepto difícil de entender para cualquiera. Para intentarlo pongamos

en marcha la imaginación. Supongamos que estamos en una barquilla de un globo

aerostático de aire caliente de los que se tienen tubos de gas conectados a un quemador.

El globo supongamos que se encuentran a unos 100 metros de altura. El piloto quiere

Page 29: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

9

subir más de modo que tira algo de lastre que cargas en forma de ladrillos. Tira unos

100 ladrillos por la borda , rogando que no le caiga encima a nadie .

Nos preguntamos ¿qué probabilidad hay de que los ladrillos caigan uno encima de otro

formando una pared ¿. No lo sé, pero seguramente es muy pequeña o nula Pienso que lo

más probable es que caigan en forma desordenada. Bueno, la entropía mide justamente

eso. Si uno mide la entropía de los ladrillos dispuestos al azar resulta que es mayor a la

entropía de los ladrillos formando una pared.

Por ejemplo una estructura altamente ordenada como un cubito de hielo tiene una

entropía (grado de desorden) mucho menor que el charquito que forma el agua líquida al

fundirse debido a que las moléculas en el charquito de agua líquida están mucho más

desordenadas que en el cubito solido.

Podemos decir entonces que isentrópico es un proceso en que la probabilidad de todos

los estados posibles en ese proceso es exactamente la misma. Convengamos que un

proceso de éstas características no parece natural, quiero decir que en la práctica las

cosas no suceden así.

Por ejemplo , si yo tiro 100 ladrillos desde un edificio, la probabilidad de que caigas

formando una pared no es la misma probabilidad de que caigan formando una pila

desordenada.

Entonces ¿ que ejemplos se pueden citar de procesos isentropicos reales ¿ , bueno la

verdad de que no se me ocurre ninguno por lo que éstos procesos son una idealización.

En la vida real los procesos siempre tienden naturalmente a progresar en dirección de los

estados más probables. Entonces ¿ si no existen ¿ para qué complicarse la vida con

ellos?. La razón es de orden práctico. Al asumir la suposición de que los procesos son

isentropicos se reduce naturalmente la dificultad del cálculo de propiedades, lo que

además en la mayoría de los casos no significa una pérdida muy grande de exactitud.

Esto justifica el uso de esa hipótesis, excepto como veremos más adelante en los casos

en que el comportamiento real está muy alejados del ideal.

Page 30: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

0

Entropía como probabilidad:

Es menos probable que las 5 moléculas se encuentren en el lugar de origen a que se

encuentren desparramadas luego de quitar el separador. La mayor cantidad del tiempo se

hallarán desparramadas, por lo cual el estado 2 será de mayor entropía que el 1.

El estado de equilibrio de un sistema aislado, es el de mayor desorden ya que es el más

probable.

El aumento de entropía corresponde a un incremento del desorden molecular.

El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos.

No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina

que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina “móvil perpetuo de

segunda especie”, ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para

realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno.

1° ley: S T D y entorno ΔE S T D + ΔE Ambiente = 0

1° ley: S T D ΔE S T D = 0

2° ley: S T D y entorno ΔS S T D + ΔS Ambiente ≥0

2° ley: S T D ΔS S T D = 0

Cuando ΔS S T D = 0, el sistema está en equilibrio y no hay transformaciones entre los

distintos tipos de energía.

Cuando ΔS S T D> 0, es un proceso desequilibrado y tendiendo hacia el equilibrio,

siempre con ΔE S T D = 0.

STD= sistema termo dinámico

Page 31: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

1

Entropía

La formulación matemática de la segunda ley, debida a Clausius (1865), introduce una

nueva función de estado, la entropía, definida como

donde SA es el valor (arbitrario) que asignamos a la entropía del estado de referencia A,

T es la temperatura absoluta y dQrev es el calor intercambiado en un proceso irreversible

ideal.

[Existe una propiedad llamada entropía S, la cual es una propiedad intrínseca de un

sistema, funcionalmente relacionada con las coordenadas mensurables que caracterizan

el sistema. Para un proceso reversible, los cambios en esta propiedad están dados por:

Denominaremos relación termodinámica fundamental a una relación muy importante y

útil que puede escribirse de muchas maneras equivalentes, como

El Segundo Principio de la Termodinámica está basado en dos enunciados:

Enunciado de Kelvin-Plank : Se refiere a las máquinas térmica (MT) que operan como

Motor , dice:

No es posible producir trabajo si no se disponen de dos fuentes térmicas a distintas

temperaturas

Ninguna MT que funcione en ciclos puede tener un rendimiento del 100%

Page 32: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

2

Enunciado de Clausius: Se refiere a las máquinas frigoríficas (MF) o a las MT que

operan como bombas.

Es imposible construir una máquina que opere en ciclos y que solo transfiera calor de

un cuerpo de temperatura más baja a otro cuerpo de temperatura más baja sin el

aporte de trabajo desde el exterior.

………………………………………………………..

Todos estos enunciados apuntan a un concepto común que expresa:

No es posible aprovechar totalmente la energía disponible

…................................................................................................

Tercer Principio de la Termodinámica

El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no puede

alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es

posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.

“Nerst” propone el siguiente enunciado del tercer principio de la termodinámica:

La variación de la Entropia a lo largo de un proceso isotérmico entre dos estados,

ambos en equilibrio interno estable, se anula en el límite del cero absoluto de

temperatura, es decir:

Lim(T0) S = 0

Cero Absoluto

Es la menor temperatura teóricamente posible. El cero absoluto corresponde a -273,15

°C, o cero en la escala termodinámica o Kelvin (0 K).

El concepto de un cero absoluto de temperatura surgió por vez primera en relación con

experimentos con gases; cuando se enfría un gas sin variar su volumen, su presión

decrece con la temperatura. Aunque este experimento no puede realizarse más allá del

Page 33: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

3

punto de condensación del gas, la gráfica de los valores experimentales de presión frente

a temperatura se puede extrapolar hasta presión nula. La temperatura a la cual la presión

sería cero es el cero absoluto de temperatura. Posteriormente se demostró que este

concepto deducido experimentalmente era consistente con las definiciones teóricas del

cero absoluto.

Los átomos y moléculas de un objeto en el cero absoluto tendrían el menor movimiento

posible. No estarían completamente en reposo, pero no podrían perder más energía de

movimiento, con lo que no podrían transferir calor a otro objeto.

Según la tercera ley de la termodinámica, la entropía (o desorden) de un cristal puro

sería nula en el cero absoluto; esto tiene una importancia considerable en el análisis de

reacciones químicas y en la física cuántica. Los materiales presentan propiedades

extrañas cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. Algunos pierden por completo su

resistencia eléctrica.

No se puede llegar físicamente al cero absoluto, pero es posible acercarse todo lo que se

quiera. Para alcanzar temperaturas muy frías, o criogénicas, se necesitan procedimientos

especiales. El helio líquido, que tiene un punto de ebullición normal de 4,2 K (-268,9

°C), puede obtenerse mediante criostatos, unos recipientes extremadamente bien

aislados. Si este helio se evapora a presión reducida, se pueden alcanzar temperaturas de

hasta 0,7 K. Para temperaturas más bajas es necesario recurrir a la magnetización y

desmagnetización sucesiva de sustancias paramagnéticas (poco magnetizables), como el

alumbre de cromo. Este método, emplea un campo magnético que alinea los espines

electrónicos del material, que se enfría en un baño de helio líquido. Cuando se elimina el

campo magnético, los espines vuelven a adoptar una orientación aleatoria, lo que reduce

la energía térmica del material y por tanto su temperatura. Con la desmagnetización de

sales paramagnéticas se han alcanzado temperaturas de sólo 0,002 K, y la

desmagnetización de núcleos atómicos ha permitido obtener temperaturas de sólo

0,00001 K.

Page 34: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

4

La medida de las temperaturas en valores cercanos al cero absoluto presenta problemas

especiales. Los termómetros de gas sólo pueden usarse por encima del punto de

condensación del helio. A temperaturas más bajas hay que usar medidas eléctricas y

magnéticas para determinar la temperatura real.

El concepto de cero absoluto también es importante desde el punto de vista teórico.

Según la tercera ley de la termodinámica, la entropía – o desorden – de un cristal puro

sería nula en el cero absoluto; esto tiene una importancia considerable en el análisis de

reacciones químicas y en la física cuántica. Los materiales presentan propiedades

extrañas cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. Algunos pierden por completo su

resistencia eléctrica. Este efecto se observó por primera vez en el mercurio a unos pocos

grados por encima del cero absoluto, pero se están obteniendo a temperaturas cada vez

más altas con nuevos materiales.

Escalas termométricas

Page 35: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

5

Cómo alcanzar temperaturas cada vez bajas ¿. Evidentemente, no estamos hablando de

meter un trozo de carne en un congelador. ¿Cómo alcanzamos temperaturas realmente

bajas, de -270º C por ejemplo?

Para cada rango de temperaturas existen diferentes técnicas. Por debajo de –100º C

utilizamos los líquidos criogénicos. Se usan básicamente dos, el nitrógeno líquido hasta

–200º C y el helio líquido, con el que podemos bajar hasta –269º C (4,2 K en la escala

absoluta). La manera más obvia de enfriar el material es sumergirlo directamente en el

líquido. Si queremos ir más abajo debemos usar técnicas más complejas. Con un

refrigerador que utiliza una mezcla de dos isótopos de helio ( He3 y He4 ) podemos

llegar a 0,01 K, pero para acercarnos más al cero absoluto debemos usar técnicas como

desimanación electrónica, con la que llegamos a 0,003 K, y desimanación nuclear, hasta

50 K

………………………………………..

Page 36: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

6

TEMA 3 GASES IDEALES

Gases : Ideales o perfectos

Reales

Gases Perfectos:

Son aquellos que pueden soportar cualquier juego de valores de presión , volumen

específico y temperatura , sin cambiar de estado.

Se los llama también Gases Ideales porque en la practica no existen ningún tipo de gas

perfecto , ya que todos los gases conocidos han podido ser licuados en condiciones

especiales de presión y temperatura.

Gases Reales :

Son los gases tal como se los encuentran en la naturaleza

Gases Reales Permanentes

Licuables

Gas Permanente :

Son los que no pueden ser licuados por simple variación de la presión a la temperatura a

la que se encuentran.

Gases Licuables:

Son los que Sí son posible licuarlos por simple variación de la presión.

Por Ejemplo: El Aire Atmosférico es un Gas permanente a la temperatura ambiente ,

pués no es posible licuarlo por compresión ; hay que bajar previamente su temperatura a

unos – 150°C para recién poder licuarlo.

……………………………

Page 37: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

7

LEYES DE LOS GASES IDEALES

Ley de Boyle-Mariotte:

A temperatura constante, los volúmenes ocupados por una misma masa de gas, son

inversamente proporcionales a las presiones que soporta, se escribe como:

Si representamos en un diagrama P;V llamado diagrama de Clapeyron la ecuación

anterior se obtiene una curva que es una hipérbola equilátera de la forma XY= cte. la

transformación se llama “isotérmica”.

A medida que las isotérmicas se alejan de los ejes tienen valores mayores de

temperatura.

Page 38: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

8

Ley de Gay-Lussac (o ley de Charles)

Se refiere a la dilatación de los gases a P=cte. y al aumento de presión a V=cte

V1 = V0 + V0 T1

V1 = V0 ( 1+ T1 )

V2 = V0 + V0 T2

V2 = V0 ( 1+ T2 )

= 1 / 273 (°C-1

) coeficiente de dilatación a P=cte.

…………………….

P1 = P0 + P0 T1

P1 = P0 ( 1+ T1 )

P2 = P0 + P0 T2

P2 = P0 ( 1+ T2 )

= 1 / 273 (°C-1

) coeficiente de

Aumento de presión a V=cte.

…………………………………….

1-

Page 39: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

9

TEMA 4- DETERMINACION DE LA ECUACION DE ESTADO DE LOS

GASES IDEALES

La ecuación de estado surge de la combinación de la Ley de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac.

Supongamos que recorremos una transformación 1-a ( a P=cte) y a continuación otra transformación

a-2 ( a t=cte.).

Aplicando para cada una de ellas las leyes de los gases ideales, tenemos:

Para 1-a :

Page 40: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

0

TEMPERATURA ABSOLUTA

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible. A esta temperatura el nivel

de energía del sistema es el más bajo posible, por lo que las partículas, según la

mecánica clásica, carecen de movimiento; no obstante, según la mecánica cuántica, el

cero absoluto debe tener una energía residual, llamada energía de punto cero.

Es igual al 0º de la escala Kelvin (ºK) que transformándolo a grados centígrados (ºC) a

los que estamos más acostumbrados sería más o menos -273,15ºC.

Pero antes de explicar concretamente lo que es el cero absoluto debemos dominar

algunos términos, tales como el calor que es posible definirlo como energía transferida

entre dos cuerpos o sistemas, se puede asociar al movimiento de los átomos, moléculas y

otras partículas que forman la materia, mientras que la temperatura es una magnitud

referida a las nociones comunes de calor o frío. Por lo general, un objeto más “caliente”

tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la

energía interna de un sistema termodinámico.

Una de la maneras de manifestar la existencia de este cero absoluto, de una forma algo

más práctica, es comprobar que a medida que enfriamos un cuerpo, su volumen

disminuye (si la presión se mantiene constante). Si medimos esta disminución del

volumen a diferentes temperaturas, y construimos una gráfica con el volumen en las

ordenadas (el eje de las Y) y la temperatura en las abscisas (el eje de las X),

obtendremos una recta (ver grafico) para seguir de cerca la explicación-. Extrapolando

esta recta hasta allí donde las ordenadas tienen valor cero topamos con la mínima

temperatura posible: -273,15ºC. La mínima porque… ¿qué quiere decir tener un

volumen negativo? ¿Y un volumen cero?

Imposibilidad del Cero absoluto

Según la tercera ley de la termodinámica, el cero absoluto es un límite inalcanzable. La

mayor cámara frigorífica actual sólo alcanza los -271 ºC. La razón de ello es que las

moléculas de la cámara, al llegar a esa temperatura, no tienen energía suficiente para

hacer que ésta descienda aún más.

Si representamos gráficamente la ecuación de charles, vemos que es la ecuación de una

recta con ordenada al origen V0

V= V0 (1+T)

Page 41: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

1

Si proyectamos la recta hasta cortar el eje

de las temperaturas, el punto será de -

273°C

a ese punto se le llama Cero Absoluto y

corresponde el 0 K dela escala Kelvin.

A esa temperatura, vemos que el

volumen se haría cero, de la ecuación de

arriba para que

V=0 debe ser (1+T) = 0 ya que el

volumen inicial no puede ser cero

Siendo (1+T) = 0 de donde:

La temperatura a la cuál la fuerza elástica del gas se anularía es a -273°C (cero Absoluto).

La constante R del Aire

……………………………………………….

Page 42: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

2

TEMA 5 DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL CERO

ABSOLUTO DE TEMPERATURA

Si hacemos una gráfica del producto p en función de la temperatura obtenemos una línea recta, que

intersecará el eje X en el valor T=-273ºC. Si empleamos distintos gases pero con el mismo número n de

moles, obtendremos la misma línea. Pero si el número n de moles es distinto obtendremos otra línea

distinta que interseca al eje X en el mismo valor de T=-273ºC.

Page 43: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

3

Tenemos un recipiente que contiene aire y que está conectado a un manómetro, que va a

medir la presión del aire para cada temperatura, grafico 1

En la situación inicial, observamos el recipiente en un baño térmico formado por una

mezcla de agua (color azul claro) y hielo (cuadrados de color rosa en la superficie del

agua). El aire que contiene el recipiente está a la presión atmosférica.

Se cierra completamente el recipiente.

Se conecta un horno eléctrico (le resistencia se pone de color rojo) y observamos que se

funde el hielo sin cambiar la temperatura del baño térmico, grafico 2

Cuando desaparece el hielo, la temperatura del baño térmico se eleva rápidamente, hasta

alcanzar los 100º C. Observamos que la presión del aire que contiene el recipiente se

incrementa y podemos medir la presión anotando el desnivel de las dos ramas del

manómetro de mercurio.

El agua entra en ebullición, observamos las burbujas de vapor atravesando de abajo

hacia arriba el baño térmico. El agua del baño se evapora y al cabo de un cierto tiempo,

se desconecta el horno eléctrico.

La intersección de la recta con el eje horizontal se produce aproximadamente a -273ºC

Punto 1: gráfico 1

P1 = 1 atm ; t1 = 0°C : h1 = 0 cm. Las dos ramas del manómetro de Hg están a nivel

Punto 2: gráfico 2

Se tapona el recipiente que contiene aire y se enciende la resistencia eléctrica. el hielo

se empieza a fundir y luego el agua empieza el proceso de ebullición hasta que el

termómetro marca 100°C

Page 44: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

4

La presión p2 será la suma de la presión atmosférica más la que corresponde a la

diferencia de alturas entre las dos ramas del manómetro, que como apreciamos en la

figura 2 es de 28 cm=0.28 m

P2 = Patm. + Hg g h2

1atm. = 101320 Pa

1Pa = 1 N/m2

Hemos utilizado el dato de la densidad del mercurio13550 kg/m3

Hg = 13550 kg/m3

………………..

……………………

Page 45: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

5

TEMA 6 TRANSFORMACIONES EN EL DIAGRAMA P;V

Se denomina transformación a una sucesión de estados diferentes. Como cada punto en

un diagrama representa un estado , la transformación estará representada por una

sucesión de puntos , es decir por una línea.

Cualquier transformación de estado que sufra un cuerpo , está caracterizado por la una

ley o variación de sus parámetros térmicos, y esa ley debe poder ser expresada por una

ecuación entre ellas ,esta ecuación es la ecuación de transformación ; una

transformación dada tendrá su ecuación de acuerdo a sus propiedades características ,

en la que figurarán como variables o funciones los parámetros P;V;T o bién la cantidad

de calor Q , la entropía S o la entalpia h (i).

Los sistemas de coordenadas que más se emplean para representar una transformación

son: el diagrama P;V (Clapeyron) llamado diagrama mecánico porque su área

representa un trabajo ; el diagrama T;S (entrópico) llamado diagrama térmico , porque

su area representa una cantidad de calor , y el diagrama h;S llamado diagrama de

Mollier.

Las transformaciones que tienen mayores aplicaciones son: dependiendo del exponente

del V será el tipo de transformación; ejemplo:

Page 46: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

6

Cuadro de resumen de las transformaciones termodinámicas

Ecuación de estado de un gas ideal pV=nRT

Ecuación de una transformación adiabática

Relación entre los calores específicos cp-cV=R

Índice adiabático de un gas ideal

Primer Principio de la Termodinámica U=Q-W

Page 47: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

7

Transformación Calor Trabajo Var. Energía

Interna

Isócora (v=cte) Q=ncV(TB-TA) 0 U=ncV(TB-TA)

Isóbara (p=cte) Q=ncp(TB-TA) W=p(VB-VA) U=ncV(TB-TA)

Isoterma (T=cte) Q=W

U=0

Adibática (Q=0) 0 W=-U U=ncV(TB-TA)

Proceso Politrópico

Los procesos reales no son perfectamente adiabáticos. Por ejemplo si se comprime un

gas las temperaturas alcanzadas pueden ser tan altas que el recinto donde se comprime

disipa importantes cantidades de calor. Además por razones prácticas conviene

refrigerar el recinto, para evitar que las altas temperaturas lleguen a perjudicar las partes

mecánicas más delicadas del compresor. Sin embargo, la refrigeración no es de 100%

eficaz porque no es capaz de eliminar todo el calor producido, de modo que la evolución

tampoco es isotérmica. Es decir que en la práctica la evolución transcurre por un camino

intermedio entre la adiabática y la isotérmica. Tanto la adiabática como la isotérmica

deben considerarse evoluciones ideales muy difíciles de lograr en la realidad. Por lo que

podemos decir que la transformación politrópica está comprendida entre la adiabática y

la isotérmica.

Etimológicamente el termino politrópico proviene de: “poli” = muchos ; y “tropos” =

formas ; de modo que la palabra significa de “muchas formas”

………….

Page 48: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

8

Transformaciones Adibáticas, Isotérmicas y Plitropicas

Una transformación adiabática es aquella en la que el sistema experimenta cambios en

sus parámetros ( o sea en su estado) sin intercambiar calor con el medio ambiente.

La ecuación de una evolución adiabática se puede expresar de tres maneras diferentes

según las siguientes leyes potenciales:

P V = cte.

T V-1

= cte.

T P-1/

= cte.

Las deducciones de éstas tres leyes las veremos más adelante.

Dado que el diagrama P;V es uno de los más usados para representar transformaciones

en sistemas cerrados, interesa obtener la pendiente de la curva que representa la

evolución adiabática en éste par de ejes:

Tomando la expresión P V = cte. y diferenciando ambos miembros, tenemos:

V dP + P V

-1 dV = 0 de donde:

¿ Qué significa esto? el hecho de que la pendiente de la curva sea negativa significa que

a medida que aumenta P disminuye V, es decir la función es monótona decreciente.

Para compararla con la isotérmica hacemos:

P V = cte. diferenciando ambos miembros:

V. dP + P. dV = 0 de donde :

Page 49: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina4

9

Puesto que 1 para todos los gases se deduce que la pendiente de la adiabática es

mayor que la pendiente de la isotérmica , es decir la pendiente de la adiabática es mas

empinada que el de la isotérmica como se muestra en el siguiente gráfico.

La zona rayada entre ambas curvas representa todas las evoluciones intermedias posibles

denominadas politrópicas

…………………………….

Page 50: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

0

TEMA 7 TRAZADO GRAFICO DE UNA TRANSFORMACION

ISOTERMICA

Se inicia con los parámetros del punto 1 (P1 ; V1) que es conocido.

Procedimiento

Se divide el segmento 0 P1 en partes iguales, en nuestro caso en tres partes iguales hacia arriba y

hacia abajo del eje vertical.

Por los puntos A y B se trazar las horizontales

Por el punto C´ se traza el valor de V1 hacia la izquierda en forma horizontal.

Se unen los puntos C con A’ hasta que corte la horizontal que pasa por A definiendo el punto 2

Se unen los puntos C con B’ hasta que corte la

horizontal que pasa por B definiendo el punto 3

Ubicados los puntos 1- 2-3 podemos trazar la

isotérmica (hipérbola equilátera)

Demostración

De los triángulos semejantes pintados:

Cuanto más divisiones se haga de las coordenadas del punto 1 mayor cantidad de puntos obtendremos

para el trazado de la isotérmica.

………………………………………………………………

Page 51: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

1

TEMA 8 TRAZADO GRAFICO DE UNA TRANSFORMACION

ADIABATICA TRAZADO DE BRAUER

Tenemos como dato las coordenadas del punto 1

Se traza la recta Om con un ángulo alfa arbitrario aproximadamente de 30°

Se traza la recta On con un ángulo beta que cumpla con la siguiente condición

(1+tg.) = (1+tg. ) (1)

Procedimiento

A partir del punto A se traza la recta AB a 45° hasta que corte la recta On

A partir del punto B se traza una recta horizontal paralela al eje de los volúmenes

Page 52: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

2

Se proyecta el punto G hasta que corte la recta Om (punto H)

Por el punto H se traza una recta a 45° hasta que corte al eje de los volúmenes (punto I)

Por el punto I se traza una recta vertical hasta que corte la horizontal BC definiendo así el punto 2

A partir del punto C se traza la recta CD a 45° hasta que corte la recta On (punto D)

A partir del punto D se traza una recta horizontal paralela al eje de los volúmenes

Se proyecta el punto I hasta cortar la recta Om (punto J)

A partir del punto J se traza una recta a 45° hasta que corte al eje de los volúmenes (punto K)

Por el punto K se traza una recta vertical hasta que corte la horizontal De definiendo así el punto 3

(Se puede repetir el procedimiento para encontrar el punto 4 de la curva)

Teniendo los puntos 1-2 y 3 se traza la curva que representa la transformación adiabática

Demostración

………………………………………………………….

Page 53: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

3

TEMA 9 TRABAJOS EN LA TERMODINAMICA

En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza

puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser

mecánica, eléctrica, magnética, química, etc, por lo que no siempre podrá expresarse en

la forma de trabajo mecánico.

No obstante, existe una situación particularmente simple e importante en la que el

trabajo está asociado a los cambios de volumen que experimenta un sistema (v.g., un

fluido contenido en un recinto de forma variable).

Así, si consideramos un fluido que se encuentra sometido a una presión externa y

que evoluciona desde un estado caracterizado por un volumen V1 a otro con un volumen

V2, el trabajo realizado será:

resultando un trabajo positivo (W>0) si se trata de una expansión del sistema (dV>0) y

negativo en caso contrario, de acuerdo con el convenio de signos aceptado en la

Termodinámica. En un proceso cuasiestático y sin fricción la presión exterior (pext) será

igual en cada instante a la presión (p) del fluido, de modo que el trabajo intercambiado

por el sistema en estos procesos se expresa como

De estas expresiones se infiere que la presión se comporta como una fuerza

generalizada, en tanto que el volumen actúa como un desplazamiento generalizado; la

presión y el volumen constituyen una pareja de variables conjugadas.

En el caso que la presión del sistema permanezca constante durante el proceso, el trabajo

viene dado por:

Page 54: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

4

El trabajo en los diagramas de Clayperon.

Veamos a continuación algunos conceptos:

Un cuerpo o Sistema realiza trabajo cuando se desplaza venciendo las fuerzas exteriores.

En las máquinas térmicas se consideran los procesos como sistemas termoelásticos

llamados así porque efectúan cambios de calor con el medio que los rodea y

experimentan variaciones de volumen, presión o de temperatura. Un ejemplo típico son

los sistemas gaseosos ; éstos pueden producir trabajo de tres formas diferentes:

Trabajo de expansión o compresión de un Sistema cerrado

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante

una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la

expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas

encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.

Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que

lo desplaza desde una posición inicial (A) a una posición final (B), mientras

recorre una distancia dx.

Page 55: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

5

A partir de la definición de presión, se puede expresar F y el vector

desplazamiento dl en función de un vector unitario u, perpendicular a la

superficie de la siguiente forma:

Calculamos el trabajo realizado por el gas desde el estado A al estado B en

este proceso:

El producto Sdx es la variación de volumen (dV) que ha experimentado el gas,

luego finalmente se puede expresar:

Esta ecuación representa el trabajo de un proceso estático

Proceso estático: solo puede variar la energía interna del fluido

En el Sistema Internacional el trabajo se mide en Julios (J).

Este trabajo está considerado desde el punto de vista del sistema

termodinámico, por tanto:

Page 56: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

6

El trabajo es positivo cuando lo realiza el gas (expansión) y

negativo cuando el exterior lo realiza contra el gas (compresión).

El trabajo en un diagrama p-V

Para calcular el trabajo realizado por un gas a partir de la integral anterior es

necesario conocer la función que relaciona la presión con el volumen, es

decir, p(V), y esta función depende del proceso seguido por el gas.

Si representamos en un diagrama p-V los estados inicial (A) y final (B), el

trabajo es el área encerrada bajo la curva que representa la transformación

experimentada por el gas para ir desde el estado inicial al final. Como se

observa en la figura, el trabajo depende de cómo es dicha transformación.

Es decir, se puede concluir que:

El trabajo intercambiado por un gas depende de la

transformación que realiza para ir desde el estado inicial al estado

final.

Cuando un gas experimenta más de una transformación, el trabajo total es la

suma del trabajo (con su signo) realizado por el gas en cada una de ellas.

Page 57: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

7

Un tipo de transformación particularmente interesante es la que se denomina

ciclo, en la que el gas, después de sufrir distintas transformaciones, vuelve a

su estado inicial (ver figura inferior). El interés de este tipo de

transformaciones radica en que todas las máquinas térmicas y

refrigeradores funcionan cíclicamente.

Cuando un ciclo se recorre en sentido horario (ver parte izquierda de la

figura), el trabajo total realizado por el gas en el ciclo es positivo, ya que el

trabajo AB (positivo) es mayor en valor absoluto que el BA (negativo), por lo

que la suma de ambos será positiva.

Por el contrario, si el ciclo se recorre en sentido antihorario el trabajo total

es negativo.

Los ciclos que representan el funcionamiento de máquinas térmicas se

recorren siempre en sentido horario (una máquina da trabajo positivo),

mientras que los ciclos que representan el funcionamiento de los

refrigeradores son recorridos en sentido antihorario (para que un refrigerador

funcione, debemos suministrarle trabajo desde el exterior).

Page 58: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

8

Trabajo de Flujo o Trabajo de impulsión

Es el trabajo debido al movimiento del fluido , en éste trabajo no se considera ninguna

transformación de estado sino simplemente el producto de la fuerza actuante por el

camino recorrido. Este trabajo es independiente de la velocidad del fluido y no debe

confundirse con el trabajo de expansión a P=cte en donde hay una variación del volumen

especifico , mientras que en el trabajo de flujo no hay variación del volumen especifico,

por ésta razón el trabajo de flujo debe medirse siempre desde el origen de coordenadas.

Wf1 = P1 V1 = área 0 a b c 0

Wf2 = P2 V2 = área 0 a’ b’ c´ 0

Trabajo de Circulación

Este trabajo se presenta en las máquinas térmicas que funcionan con flujo continuo

(compresores, turbinas) y es la suma algebraica de los siguientes trabajos:

Wc = P1 V1 + P dV - P2 V2 = área (0 a b c 0) + área (c b b’ c’) – área ( 0 a’ b’ c’ 0 )

Wc = área a’abb’a’ (área resultante que representa el trabajo de circulación)

Page 59: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina5

9

TEMA 10 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA-

SISTEMAS CERRADOS-

ECUACION GENERAL DE LA TERMODINAMICA.

En termodinámica, se dice que un sistema o volumen de control realiza trabajo W si

exporta energía mecánica en las fronteras de un sistema cerrado, generando movimiento

mecánico. El calor Q es una forma de energía transferida en las fronteras de un sistema

cerrado o un volumen de control por medio de una diferencia de temperatura T.

Un sistema nunca contiene Trabajo o Calor , aunque contiene Energía, sino que el

Trabajo y el Calor son formas de energías ( expresadas en J = N m ) que se observa en

las fronteras del sistema. Por lo tanto el trabajo W y el calor Q son :

1. Fenómenos transitorios

2. Funciones de trayectoria ( no funciones de estado)

3. Fenómenos de la frontera del sistema

En virtud de éste principio y como la energía solo se transforma, el calor que se le

suministra a un cuerpo produce una serie de efectos como:

Vencer la cohesión molecular, aumentando las distancias intermoleculares que se

traduce en un aumento de volumen o un cambio de estado.

Aumento de la Energía Cinética Molecular o un aumento de la presión y de la

temperatura.

Producción de Trabajo Externo.

A los dos primeros efectos se los agrupa en uno solo llamado “Variación de Energía

Interna” (U)

Cuando un Sistema pasa por un proceso cíclico, el calor neto que entra o que sale

del sistema es igual al trabajo neto que efectúa o recibe el mismo; matemáticamente

ésta ley puede expresarse de la siguiente manera

Page 60: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

0

Como consecuencia del Primer Principio surge el concepto de “Energía Interna”.

Consideramos un sistema cerrado que cambie de un estado 1al estado 2 por distintos

caminos, de acuerdo a la ecuación (a) podemos decir:

Page 61: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

1

Así se comprueba que las trayectorias b y c son cuantitativamente iguales y por lo tanto

las relaciones cuantitativas entre Calor y Trabajo ( Q - W ) son independientes de la

trayectoria y dependen únicamente de los estados inicial y final de un sistema y

constituyen por lo tanto , una función de estado llamada energía interna dU que es una

propiedad extensiva del cuerpo o del sistema y depende de la cantidad de sustancia por

lo que se la llama también “función de estado o función de punto”

dU = Q - W

Además la energía interna de un cuerpo es la suma de las energías cinética y energía

potencial de las moléculas: podemos poner:

Para resolver la integral del segundo miembro es necesario conocer la ley de

variación de la presión respecto a la del volumen, es decir hay que conocer el tipo

de transformación que sufre el fluido.

…………………………………………

Page 62: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

2

TEMA 11 DETERMINACION DE “J” ( Método de Mayer)

Del dispositivo de la figura, el procedimiento está basado en una transformación

isobárica del aire cuando se le suministra Calor, las condiciones iniciales y finales son

Las que se ilustran en el grafico de arriba:

Partiendo de la Ecuación General De La Termodinámica para Sistemas Cerrados

dQ = dU+dW

El calor utilizado solo para la producción de trabajo termodinámico es:

Qu = dQ - dU = m Cp ( T2 - T1 ) – m Cv ( T2 - T1 )

Qu = m ( Cp – Cv ) ( T2 - T1 ) = V1 ( Cp – Cv ) ( T2 - T1 )

Sabiendo que:

(aire) = 1.29 kg/m3

V1= 0.001m3

Cp(aire) = 0.24 Kcal/kg K

Cv(aire) =0.17 Kcal/kg K

( T2 - T1 ) = 273 K

Page 63: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

3

Qu = 0.025 Kcal

El trabajo termodinámico producido es:

W= P ( V2 - V1 )

Según la ley de Charles: V2 = V1 ( 1+ t1 ) = 1 ( 1+ 273/273) = 2 litros (0.002 m3)

W = 10330 kg/m2 x 0.001 m

3 = 10.33 Kgm

J= W/Qu = 10.33 Kgm / 0.025 Kcal = 413.20 Kgm / Kcal

Se adopta J=427 Kgm / Kcal ( Equivalente Mecánico del Calor)

1/J = A (Equivalente Térmico del Trabajo)

……………………………………………….

En el sistema internacional de unidades

Page 64: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

4

EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR ( Método de Joule)

Históricamente se tardó bastante tiempo en comprender cuál es la

naturaleza del calor. En un primer momento se pensaba que el calor era

un fluido (denominado calórico) que impregnaba los cuerpos y era

responsable del calor que éstos intercambiaban al ser puestos en contacto.

En el siglo XIX, Joule ideó un experimento para demostrar que el calor

no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la

energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de

Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.

Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos

magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas

eran también distintas. La unidad de calor que se empleaba era la caloría.

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada desde 14.5ºC a 15.5ºC..

Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se podía elevar la

temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica. El aparato que

empleó se muestra en la siguiente figura. En el interior de un recipiente se

introduce 1 kg de agua a 14.5 ºC.

Page 65: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

5

Al recipiente se le acoplan unas paletas conectadas mediante una cuerda con

una masa que puede caer. Conforme la masa cae a velocidad constante, las

paletas giran, por lo que se convierte la energía potencial gravitatoria de la

masa en energía para hacer girar las paletas. Debido a este giro, el agua

aumenta de temperatura (el giro de las paletas se transforma en calor).

Lo que encontró Joule fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de

agua hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la

energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios. Por tanto, la

equivalencia entre unidades de calor y energía es:

El descubrimiento de Joule llevó a la teoría de la conservación de la

energía lo que a su vez condujo al desarrollo del primer principio de la

Termodinámica.

………………….

Page 66: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

6

TEMA 12 DETERMINACION DE “”

( Método de Clement y Desormes)

Mediante el experimento en laboratorio ideado por Clement y Desormes se puede

determinar el valor de “” basándose en una Expansión Adiabatica.

El valor de la presión del gas en el interior del balón de vidrio se mide por el valor de la

presión atmosférica mas la presión correspondiente a la diferencia de altura h en el tubo

manométrico.

El primer paso: Se cierra el robinete A y se habre el robinete R y mediante la bomba o

inflador se comprime el aire encerrado en el balón en forma adiabática hasta una presión

levemente superior a la atmosférica (proceso 1-2) ; luego se cierra el robinete R y se deja

un instante aproximadamente 2´ hasta que se iguale las temperaturas del aire

comprimido con la temperatura ambiente (proceso 2-3)

Segundo paso: Se abre rápidamente el robinete A de manera que el aire se expanda

(proceso 3-4) como esta expansión es muy rápida casi instantánea no dando tiempo a

que absorba calor por lo que se considera adiabática ( en este momento se oye un silbido

del aire al salir). A partir de éste momento de deja unos 2´minutos (tiempo suficiente

para que la columna del manómetro se estacione) y debido a que el aire toma calor se

produce un aumento de temperatura a v=cte. (proceso 4-5) donde el punto 5 corresponde

a la temperatura ambiente.

Page 67: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

7

es igual al cociente entre la altura del manómetro en el punto 3 (inicio de la expansión

adiabática)

Dividido la diferencia entre las alturas del manómetro en el punto 3 y 5

Las presiones en el manómetro son:

P3=P0 + agua g H3

P5=P0 + agua g H5

Page 68: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

8

TEMA 13 TRABAJO TERMODINAMICO DE COMPRESION

ISOTERMICA

El trabajo termodinámico para sistemas cerrados se cuantifica por el área encerrada entre

la línea de la transformación, las dos ordenadas extremas y el eje de las abscisas

………………………………………………

Page 69: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina6

9

TEMA14- TRABAJO TERMODINAMICO DE COMPRESION

ADIABATICA

……………………………………………………………………..

Page 70: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

0

TEMA 15 TRABAJO DE CIRCULACION DE COMPRESION

ISOTERMICA

……………………………………………………..

Page 71: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

1

TEMA 16 TRABAJO DE CIRCULACION DE COMPRESION

ADIABATICA

El Trabajo de circulación es veces mayor al trabajo externo termodinámico. Porque ?

Porque en el sistema cerrado solo se consume energía en comprimir el gas, es decir vencer la

resistencia que opone la elasticidad del gas; en cambio en el sistema abierto además de gastar esa

misma energía, se bebe gastar más en mover el gas, es decir obligarlo a entrar y luego obligarlo a

salir.

Page 72: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

2

TEMA 17 ENTALPIA

Definición: es la cantidad de calor que hay que suministrarle a un cuerpo para pasar de

un estado inicial conocido a otro estado final con la condición de mantener constante la

presión.

Partiendo la Ecuación General de la Termodinámica:

Q = dU +dW

Q = dU + P dv integrando entre 2 y 1

Q = U2 – U1 + P (V2 – V1)

Q = U2 – U1 + P V2 – P V1 agrupando sub índices:

Q = (U2 + P V2 ) – (U1 + P V1)

Q = h2 – h1

Como vemos h (entalpia es una función que tiene diferencial total exácta , es decir son

funciones diferenciables exactamente , entonces es integrable en donde la integral NO

depende de la trayectoria recorrida por el gas o del camino recorrido , por lo tanto “h”

(entalpia) es una propiedad de estado del sistema.

Sabiendo que h=U+Pv diferenciando :

dh = d(U + P V) = dU + d(PV) = dU+PdV +V dP

dh = Q + V dP

Q= dh – V dP ( es otra forma de expresar El Primer Principio para Sistemas Cerrados)

suponiendo que la transformación es adiabática Q=cte. ; dQ= 0

dh = V dP

dh = v dP (representa el trabajo de Circulación

……………………….

Demostración de que h es propiedad de estado

h (entre 1-a) + h (entre a y 2 ) =

ha – h1 + h2 – ha = h2 – h1

es decir que hay total independencia de la evolución que une ambos estados.

…………………………………………………………

Page 73: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

3

TEMA 18 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA

PARA SISTEMAS ABIERTOS

En un gran número de dispositivos en la ingeniería implican la circulación de una masa

de fluido hacia y desde el sistema, en consecuencia se los elije como un “volumen de

control”; por ejemplo: los radiadores de automóvil , una turbina , un compresor , una

tobera etc. Que requieren de flujo de masa y deben ser analizados como un sistema

abierto.

Las fronteras de un volumen de control se les llama “superficie de control” que pueden

ser tanto reales como imaginarias.

Page 74: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

4

Un volumen de control puede tener frontera imaginaria o una frontera móvil

Trataremos de desarrollar este concepto con la ayuda de la figura de arriba que

representa un elevador hidráulico. En la que el trabajo producido puede ser el

levantamiento de un peso.

Analizamos el proceso cuando 1 kg de fluido deja la bomba y empuja un pistón

haciendo que el fluido ingrese al sistema y éste pueda levantar un peso.

Observando el proceso podemos hacer las siguientes observaciones:

A) Los siguiente hechos ocurrieron durante el proceso:

El pistón A se movió una distancia La, la cual multiplicada por la sección recta del

tubo corresponde al volumen ocupado por 1 kg. de fluido

1 kg. de fluido entra al tanque.

1 kg. de fluido deja el tanque y entra en el cilindro B

El pistón B se mueve una distancia Lb, tal que multiplicada por la sección recta del

pistón, corresponde al volumen ocupado por 1 kg. de fluido.

B) Se ha realizado trabajo en los dos puntos donde las fronteras del sistema se han

movido formalmente en A y en B

El trabajo realizado en A es: Wa= -P Va (el signo menos indica trabajo realizado en

contra del sistema)

El trabajo realizado en B es: Wb= P Vb (el signo menos indica trabajo realizado en

contra del sistema)

C) No hubo un cambio de estado del fluido, solo un cambio en su posición , de donde

habrá un cambio en su energía potencial.

D) Podemos considerar que al haber movimiento habrá energía cinética del fluido

E) Si hay un aporte de calos desde el exterior, el sistema no será adiabático.

Page 75: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

5

Habiendo determinado las distintas formas de energías asociadas con el fluido que

cruza los límites del sistema, procederemos ahora a realizar el balance energético

entre sistema y medio exterior.

El termino d (U+EC+EP)i =0 por ser constante en el tiempo, por lo que la ecuación de

arriba queda:

Tanto Q como W se consideran energías en tránsito a través del VC.

La cantidad de calor Q se origina por una diferencia de temperatura entre el medio

exterior y el VC.

La energía interna U se presenta bajo la forma de EC y EP de las moléculas , átomos y

partículas sub-atómicas que forman el sistema.

Un gran número de dispositivos en ingeniería operan durante largos períodos de tiempo

bajo las mismas condiciones por lo que éstos son llamados “dispositivos de flujo

permanente” o “dispositivos de flujo estacionario”.

Un proceso de flujo permanente significa que permanentemente el fluido fluye por el

VC ; las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del VC por la

Page 76: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

6

posición que ocupan , pero no cambian su estructura en el tiempo. Podemos decir

entonces que el flujo permanente implica que el caudal másico entrante es igual al

caudal másico saliente, que se expresa como:

C = SV = cte

Como el estado del fluido, la velocidad y la elevación en cada punto del sistema dentro

del VC no varía con el tiempo podemos decir que la expresión d (U+EC+EP)i =0

Cada uno de los términos de la ecuación (1) está expresado en kJ/Kg. y se debe tener en

cuenta la siguiente relación: 1 kJ/Kg = 1000 m2 / seg.

2

Si queremos expresar la ecuación del balance energético en función de las entalpias

tenemos que escribirla así:

APLICACIONES

Circulación de un fluido incompresible por un Tubo inclinado de Sección recta

Page 77: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

7

Circulación de un fluido compresible por una tobera

Circulación de un fluido compresible por un Compresor

Page 78: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

8

Potencia generada por una Turbina

Intercambiador cerrado de calor

Page 79: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina7

9

Generador de vapor (caldera)

……………………………………

Page 80: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

0

TEMA 19 CICLOS DE LAS MAQUINAS TERMICA

CICLO DE CARNOT

Fuente: es toda parte de un sistema capaz de entregar o recibir calor sin cambiar su

temperatura: Ej: la atmósfera, un lago, un río, el mar ( capaz de recibir grandes

cantidades de agua caliente sin que éste cambie de temperatura).

Ciclo: Cuándo el sistema experimenta una serie de evoluciones que lo devuelven al

punto de partida

Podemos decir que el ciclo se realiza en dos pasos , primero de A hacia B generando un

trabajo positivo (recorrido en sentido horario) y luego desde B hacia A generando

trabajo negativo (recorrido anti-horario)

El ciclo de CARNOT es un ciclo ideal teóricamente reversible y para nuestro estudio

suponemos que el fluido es un gas ideal.

En el dibujo de abajo vemos las cuatro transformaciones que representa el ciclo de

Carnot.

Page 81: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

1

CICLO DE CARNOT

1- La máquina absorbe calor del FC a la temperatura T1 y el gas se expande

2- Se aisla la máquina del Foco y el gas continúa expandiéndose y se enfría hasta T2

3- El gas enfriado se comprime cediendo calor al FF a la temperatura T2

4- El gas enfriado se aisla del foco y se comprime hasta la temperatura inicial T1

Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica

posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier

Page 82: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

2

máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas

durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. Por

ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a

mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.

ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas.

bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas.

Page 83: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

3

TEMA 20- SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La primera ley de la termodinámica establece el Principio de la conservación de la

energía; todos los procesos en la naturaleza satisfacen le <primera Ley , pero ésta NO

asegura que el proceso pueda realizarse realmente.

P. Ejemplo: Un recipiente abierto con agua caliente dejado en ambiente frio después de

un cierto tiempo el agua se enfría perdiendo energía que es absorbida por el ambiente y

por ende se calienta.

El proceso inverso nunca sucede, no obstante si sucediera no violaría la Primera Ley

siempre y cuando la cantidad de energía intercambiada sea la misma. Del ejemplo

deducimos que los procesos pueden realizarse según una dirección y no en la dirección

inversa. La primera ley no distingue la dirección de un proceso y para satisfacerla no

asegura que el proceso ocurra realmente; ésta incapacidad que tiene la Primera Ley es

remediado con la Segunda Ley al introducir el Segundo principio de la Termodinámica.

EL Segundo principio de la termodinámica se basa en dos enunciados fundamentales

Enunciado de Kelvin-Plank: Se refiere a las máquinas térmica que operan como Motor

No es posible producir Trabajo mecánico si no se dispone de dos fuentes térmicas

a distintas temperaturas.

Ninguna máquina térmica que funcione en ciclos puede tener un rendimiento del

100%

Enunciado de Clausius: Se refiere a las máquinas frigoríficas y a las máquinas

hidráulicas que operan como Bomba.

No es posible transferir calor de una fuente fría a otra caliente salvo que se

suministre trabajo desde el exterior.

Page 84: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

4

Todos los enunciados apuntan a un concepto común que expresa: no es posible aprovechar

totalmente la energía de que se dispone

Equivalencia entre los enunciados de Kelvin-Plank y Clausius

Demostraremos a continuación que la violación de uno de los enunciados implica la

violación automática del otro enunciado.

Ejemplo: Supongamos que una máquina que opera en ciclos viola el enunciado de

Kelvin-Plank suponiendo que todo el calor Q1 que recibe la máquina de la FC la

transforma íntegramente en Trabajo mecánico, el cuál éste trabajo se emplea para hacer

funcionar una máquina Frigorífica que opera también en ciclos tomando éste trabajo que

le suministra la MT y tomando además el calor Q2 de la FF, cediendo Q1* a la FC ; pero

una parte de éste Q1* queda depositado en la FC y la otra parte sigue su camino por la

fuente caliente y alimenta nuevamente a la máquina térmica.

Si planteamos el balance energético en la MF tenemos:

Q1+Q2 = Q1* pero Q1* = Q1+ Q* donde Q* es lo que se deposita en la FC y no

circula

Q1+Q2 = Q1+Q* simplificando

Page 85: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

5

Q2= Q* esto nos dice que el sistema actuando cíclicamente toma Q2 de la FF y la

traslada a la FC sin el aporte de Trabajo del exterior, por lo que esto constituye una

violación al enunciado de Clausius. Por lo tanto hemos demostrado así que la violación

del enunciado de K_P implica la violación del enunciado de Clausius

El Segundo Principio también puede utilizarse en las máquinas hidráulicas.

Analizamos una Máquina Hidráulica que opera como Motor; ésta máquina funciona

impulsada por una masa de agua que circula de un depósito de altura H1 hacia otro

depósito de altura H2 ; para que la MH funcione debe H1H2

La masa de agua (m) tiene una energía potencial en 1 que vale: EP1= m g H1

Y en 2 EP2= m g H2 ;

el trabajo útil o neto producido será la diferencia entre ambas energías

Wu = EP1- EP2 = m g H1 - m g H2 = m g ( H1-H2)

Page 86: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

6

El rendimiento de la máquina es el cociente entre lo producido por el sistema y lo

consumido por el sistema, o sea

como vemos en la ecuación, H1 representa el potencial de transferencia de energía o el

potencial de producción de trabajo ; cuanto mayor sea H1 mayor será el rendimiento.

Ahora analizamos una máquina hidráulica que funciona como Bomba

Page 87: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

7

……………………

Page 88: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

8

TEMA 21- CALOR TRANSFERIDO EN UNA POLITROPICA

En la práctica, las condiciones de adiabatismo no se cumplen totalmente ya que siempre

existen pequeñas perdidas de calor.

Una transformación plitropica es un cambio de estado en el que varían todas las

propiedades (presión, volumen, temperatura, entropía, entalpia, etc.). También en éste

proceso existe transferencia de calor y para su análisis de lo considera a éste proceso

como internamente reversible.Las transformaciones politropicas reversibles no son

isotérmicas ni son adiabáticas , es decir están comprendidas entre ambas y se expresan

según la ecuación PV =cte. en donde n= coeficiente politrópico y que puede tener

valores arbitrarios entre 0 hasta .

El concepto de transformación politropica se utiliza principalmente al estudiar los

procesos de compresión y expansión en motores de gas, en particular los procesos

politrópicos resultan convenientes para aproximarse a los procesos reales.

Podemos decir que los procesos isotérmicos, isobáricos, isócoros y adiabáticos son casos

particulares de las transformaciones politropicas.

A continuación desarrollaremos la expresión de la cantidad de calor que se transmite en

una politropica.

Partimos de la ecuación general de la termodinámica para sistemas cerrados

Page 89: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina8

9

Page 90: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

0

TEMA 22- TRAZADO DE LAS TRANSFORMACIONES EN T;S

dS = dQ / T

Page 91: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

1

Page 92: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

2

TEMA 23- VARIACION DE LA ENTROPIA EN LOS GASES

IDEALES

Page 93: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

3

TEMA 24- ECUACIONES DE LAS ADIABATICAS

Page 94: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

4

TEMA 25- VARIACION DE LA ENTROPIA EN LOS PROCESOS

REVERSIBLES

Page 95: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

5

TEMA 26- VARIACION DE LA ENTROPIA EN LOS PROCESOS

IREVERSIBLES

Para el análisis de éste tema, supongamos que tenemos una máquina térmica que

funciona desde una fuente térmica caliente (FC) de temperatura T1 y un fluido de

trabajo que tiene una temperatura inferior

T1f T1 ; el motor produce trabajo W y cede calor a la fuente térmica fría (FF) de

temperatura T2

Durante el suministro de energía se produce las siguientes relaciones:

………………………………………………………………………………

Page 96: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

6

EXERGIA Y DEGRADACION DE LA ENERGIA

Unas formas de energía pueden transformarse en otras formas. En estas

transformaciones la energía se degrada, pierde calidad.

En toda transformación, parte de la energía se transforma en calor o energía calorífica.

Cualquier tipo de energía puede transformarse en calor ; p. Ejemplo, el frotamiento de

las manos al calentarnos, el rozamiento produce calor; pero el calor no puede

transformarse íntegramente en otro tipo de energía, se dice entonces que el calor es una

forma degradada de la energía , son ejemplos:

Energía eléctrica que pasa por una resistencia

Energía química de una batería

Energía mecánica por rozamiento.

Se define “calidad de energía” a la relación R= energía útil / energía aportada

Análisis para determinar la Degradación de la Energía (Ed)

Cuando se realiza un proceso irreversible , parte de la energía

no se utiliza.

Supongamos un Motor de Carnot que funciona entre dos

fuentes térmicas, una fuente caliente FC de temperatura T1 y

otra fuente fría que es el ambiente de temperatura T0.

El Trabajo Reversible producido es:

Page 97: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

7

Si ahora se produce un proceso Irreversible por la cuál la FC cede la cantidad Q a otra

FC de temperatura intermedia Ti para que trabaje el Motor de Carnot, el trabajo

Irreversible vale:

Page 98: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

8

EXERGIA

Este parámetro, al igual que la entropía sirve para medir el grado de irreversibilidad que

tienen los procesos y la pérdida de energía que éste proceso provoca.

Es el Trabajo máximo posible que puede obtenerse al pasar el sistema de un estado

inicial al estado de equilibrio con el medio ambiente al entrar ambos en contacto.

El valor numérico de la exergía depende del estado del sistema y del medio ambiente.

Significado físico de le exergía

Supongamos una máquina cualquiera que funcione reversiblemente entre la FC y el

ambiente:

Q0 es la fracción de Q1 que no se

utilizó llamada “anergía”

Si la máquina funciona como un ciclo

de Carnot; el trabajo máximo obtenido

es:

Wmax.= Q1 c = Q1 (1- T0 /T1 )

La cantidad de calor Q0 no utilizada se

llama “anergía”

Durante cualquier proceso de conversión de energía siempre se puede convertir

“exergía” en “anergía” ; pero es imposible convertir anergía en exergía.

La fracción de energía NO utilizable Q0 se la puede calcular por medio del rendimiento

= 1- Q0 / Q1 despejando :

Q0 = Q1 (1- ) anergía

Page 99: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina9

9

Exergía de un Sistema Cerrado

Sea un Sistema en el estado 1 (P1;T1) distinto del estado atmosférico 0 (P0;T0).

De todas las transformaciones posibles entre el estado 0 al el estado 1 hay dos transformaciones que en

cualquier orden son reversibles; el camino 1-2-0 (isentropico adiabatico-isotermico reversible) o el

camino 1-3-0 ( isotérmico reversible-isentropico-adiabatico).

Si elegimos el camino 1- 2 -0 y teniendo en cuenta la ecuación del primer principio para sistema

cerrados:

dQ = dU + dW

W 1-2 = U1 – U2

W2-0 = Q2-0 – ( U0 – U2 )

El trabajo Total : W = W 1-2 + W2-0

W= U1 – U2 + Q2-0 – U0 + U2 simplificando

W = U1 – U0 + Q2-0

El calor Q2-0 puede expresarse en función de la entropía

dQ = T0 dS y como el Q2-0 es negativo por ser calor cedido

Wmax. = U1 – U0 - T0 dS = U1 – U0 - T0 (S1 – S0)

Page 100: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

00

No todo éste trabajo es utilizable por el sistema ya que una parte se emplea en vencer la presión

exterior en contra del ambiente debido a la dilatación del volumen de control , por lo tanto éste trabajo

se realiza a P=cte. y debe ser deducido del trabajo máximo , lo que nos queda:

Wu = Wmax. – P0 (V0-V1 )

Wu = U1 – U0 - T0 (S1 – S0) – P0 V0 + P0 V1 agrupando:

Wu = (U1+P0 V1) – (U0+P0 V0 ) – T0 S

Wu = ( h1 – h0 ) - T0 S T0 S = energía No utilizable o energía degradada

Wu = Exergía ( máximo trabajo obtenido)

………………………………………………..

Page 101: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

01

Exergía de un Sistema Abierto

El máximo trabajo útil que puede producir un sistema es el teórico generado en

condiciones totalmente reversibles.

Analizamos un proceso que se realiza desde el estado 1 (de desequilibrio con el medio)

hacia otro estado 0 (de equilibrio) que es el medio ambiente. Hacemos la evolución en

dos etapas, una isentrópica (1-a) y la otra isotérmica (a-0); la etapa isentropica es

reversible y admitimos que la etapa isotérmica se realiza con gradientes infinitesimales

de temperatura. Cualquier otro camino elegido será irreversible por un mecanismo no

isotérmico por lo tanto será irreversible.

De acuerdo con la ecuación : dQ = dh + dWc sistemas abiertos

W1-a = h1 – h a

Wa-2 = ( ha – h0 ) + Qa-0

Sabemos que dS = dQ / T y como el Q es (-)

Wa-0 = ( ha – h0 ) – T0 ( S1 – S0 )

Wmax. = W1-a + Wa-0

Page 102: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

02

Wmax. = (h1 – h a ) + ( ha – h0 ) – T0 ( S1 – S0 ) simplificando

Wmax. = ( h1 – h0 ) - T0 ( S1 – S0 ) Exergía en el punto 1

Este es el máximo trabajo que puede obtenerse del sistema, incluyendo el trabajo

mecánico, cinético, potencial, etc. Si el proceso continúa hasta alcanzar el equilibrio con

el medio ambiente.

Como vemos la exergía hace abstracción de las características constructivas del sistema

y solo tiene en cuenta la interacción con el medio ambiente , es como una “caja negra” ,

sin importar su naturaleza.

Po ejemplo, en una Turbina , que no conocemos sus características costructivas ni

operativas , solo nos interesa conocer que entra vapor con las condiciones P1 ;T1 y sale

con las condiciones P2 ; T2.

La exergía es una combinación lineal de propiedades de estado por lo tanto depende

únicamente de los valores de las propiedades de estado inicial y final que determinan a

la entalpia (i) y a la entropía (S) de las cuales depende la exergía (Ex) y de la

temperatura del medio ambiente T0

Ex1 = = ( h1 – h0 ) - T0 ( S1 – S0 ) (1)

Ex2 = = ( h2 – h0 ) - T0 ( S2 – S0 ) (2)

Restando miembro a miembro (1) – (2)

Ex = Ex1 - Ex2 = ( h1 – h2 ) - T0 ( S1 – S2 ) éste es trabajo máximo obtenido

…………………………………………………………………………………

Page 103: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

03

TEMA 27- VAPORES- (CALOS DE FORMACION DE VAPORES)

Todos los gases que se encuentran debajo de la temperatura critica y que pueden ser

licuados por una suficiente compresión son llamados Vapores.

Se denomina Vaporización a la transformación del estado liquido al estado gaseoso; su

inversa se llama Condensación ; la característica principal de éstos cambios de fase o

cambios de estado de la materia es que se realizan a temperatura y a presión constante.

Cuando se suministra calor a un liquido su temperatura va en aumento produciendo

además un trabajo externo de dilatación. Si el recipiente que contiene al liquido durante

el proceso de calentamiento está comunicado al ambiente es decir que se encuentra a la

presión atmosférica normal, llegará un momento en que la temperatura del líquido deja

de aumentar a pesar de que se le sigue entregando calor y comienza a producirse la

vaporización, a partir de éste momento todo el calor que se entrega se empleará en el

cambio de fase hasta que todo el liquido se transformó en vapor. Si la presión es inferior

o superior a la atmosférica , la temperatura de comienzo del cambio de fase se

estacionará en un valor menor o mayor según sea la presión atmosférica reinante en el

momento.

En el caso del calentamiento de liquido en recipiente cerrado, en calderas, el

calentamiento comienza a la presión atmosférica y el recipiente va acumulando vapor

que genera y la presión va en aumento progresivo como así también su temperatura

hasta que se abre la válvula de seguridad o comience a consumir vapor, se establece un

estado de régimen y sale tanto vapor como el que se produce quedando a partir de éste

momento estabilizada la presión.

Vapor Saturado: es el vapor que está en contacto con el liquido que lo genera, su

característica principal tiene un único valor correlativo a su temperatura ; el vapor

saturado se mantiene así definido hasta el instante en que se vaporice totalmente la

última partícula de liquido . La ecuación característica del vapor saturado es:

Page 104: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

04

Psat. = f (Tsat.)

Vapor Húmedo: Es el conjunto formado por el liquido generador y el vapor saturado

que contenido en el recipiente. Ejemplos: La “niebla” ; y el vapor que se desprende de

las calderas por ebullición del agua y que arrastra pequeñas gotas de líquido .

Titulo del vapor (x) : es el porcentaje en peso de vapor saturado que hay en la mezcla

(vapor húmedo).

El titulo del vapor varía entre 0 y 1

Si x=0 significa liquido saturado (100% liquido y 0% vapor)

Si x= 1 significa vapor saturado seco (100 % vapor y 0% liquido)

Vapor sobrecalentado: es el vapor cuya temperatura es superior a la que corresponde a

la saturación a la presión que se encuentre.

Grado de sobrecalentamiento: es el exceso de temperatura sobre la de saturación a la

presión que se encuentre.

Diagrama P: V

Page 105: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

05

Hemos seguido la convención que establece que por encima de la isoterma crítica se

encuentra la fase gaseosa y por debajo la fase de vapor. La curva de saturación del

líquido (también llamada curva de puntos de burbuja) separa la fase líquida de la zona

de coexistencia de fase líquida y vapor. La curva de saturación del vapor (también

llamada curva de puntos de rocío) separa la zona de coexistencia de fase líquida y vapor

de la fase de vapor. Cualquier estado en el que comienza un cambio de fase se dice que

está saturado.

Por eso estas curvas se llaman de saturación.

El vapor que se encuentra en equilibrio con su liquido (es decir dentro de la zona de

coexistencia de fases) se suele llamar vapor húmedo, mientras que el vapor situado a la

derecha de la curva de puntos de rocío se suele llamar vapor recalentado o vapor seco.

El vapor que está sobre la curva de puntos de rocío se suele llamar vapor saturado seco.

La curva que forma el conjunto de los puntos de burbuja y de los puntos de rocío es

llamada “Curva de Andrews” determinadas mediante experimentos de licuación del

Dióxido de Carbono. Estas se pueden hacer en forma isotérmica si se dispone de un

Page 106: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

06

pistón dotado de una camisa refrigerante para enfriar el gas a medida que se comprime.

Supongamos por ejemplo que tenemos un sistema cuyo estado corresponde al punto A

del diagrama. Se comienza a comprimir el vapor hasta el punto B en el que comienza a

aparecer algo de líquido en el seno del vapor, en forma de finas gotitas como una niebla.

La cantidad y tamaño de las gotas aumenta a medida que progresa la compresión a lo

largo de la trayectoria desde el punto B hasta el punto C. en este punto todo el vapor se

ha convertido en liquido.

A partir de allí, por más que se aplique mayor presión no se consigue disminuir el

volumen del liquido debido a que el coeficiente de compresibilidad isotérmico de los

líquidos es muy pequeño, por este motivo la curva CD es prácticamente vertical.

Si repetimos la experiencia para otros valores de temperatura llegaremos a que las rectas

BC se achican encontrándose así el punto crítico. La isoterma crítica tiene un punto de

inflexión en el punto crítico donde su pendiente se hace cero. En consecuencia solo en el

punto crítico se cumplen las siguientes condiciones: la primera y la segunda derivada de

la presión respecto del volumen son cero

Page 107: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

07

En el gráfico se puede ver como varía la temperatura de la masa de agua a medida que se

le entrega calor. Cuándo se producen los cambios de estado, la temperatura se mantiene

constante aunque se le siga suministrando calor. Una vez que toda la masa cambia de

estado la temperatura comienza a subir nuevamente. La cantidad de calor necesaria para

pasar de liquido a vapor es mucho mayor que para el pasaje de sólido a líquido.

Calor de formación de vapores

Para calentar un líquido de la temperatura t0 hasta la temperatura de saturación es

necesario suministrar la cantidad de calor:

dq = Cm dt

q= Cm ( t1 – t0 ) calor del liquido o “calor sensible”

Cm = calor específico medio entre las temperaturas

El calor necesario para la vaporización completa es:

r= + APU calor latente de vaporización

Page 108: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

08

= calor latente interno

APU = calor latente externo ( trabajo externo de dilatación a P=cte.)

Si la vaporización no es completa tendremos un titulo x: y la cantidad de calor será:

rx = ( + APU) x

El calor necesario para recalentar un vapor saturado seco es:

= Cpm ( T2-T1 )

El calor total de vaporización será

= q + r

El calor total se sobrecalentamiento será:

R = q + r +

………………………………………………………………………………..

Page 109: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

09

VOLUMEN ESPECIFICO DEL VAPOR SATURADO

Como es difícil la determinación experimental exácta y además en el estado de vapor saturado No es

exacto aplicar la ecuación PV=RT , para el cálculo del volumen específico del vapor se utiliza un

método analítico basado en un ciclo de Carnot infinitamente pequeño para un fluido condensable

para facilitar el cálculo.

En el diagrama tenemos representado el ciclo de carnot elemental ABCD.

El punto A representa 1 kg. de liquido saturado a la temperatura T1 y a la presión de saturación Ps, se

le suministra calor hasta la vaporización total recibiendo la energía r hasta llegar al punto B.

A partir de B se realiza una expansión adiabática BC según la línea de saturación, luego se condensa

parcialmente hasta la temperatura T2 = T1-T llegando al punto D cerrando el ciclo con la compresión

DA. El trabajo útil realizado está representado por el área rayada que podemos suponer que es un

rectángulo de base u (volumen diferencial) y altura P

Utilizando la ecuación del rendimiento térmico para el ciclo de carnot elemental:

Page 110: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

10

Page 111: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

11

TEMA 28- VARIACION DEL TITULO EN LAS EXPANSIONES

ADIABATICAS

Page 112: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

12

Page 113: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

13

TEMA 29- ESCURRIMIENTO DE GASES Y VAPORES

Supongamos un gas que circula desde un recinto A hacia otro B pasando por un orificio

, el fluido circula con una velocidad que depende de las diferencias de presiones que

debe existir entre ambos recintos , condición que se debe cumplir indefectiblemente para

que exista movimiento.

Supongamos que el fluido circula bajo el régimen estacionario ; la existencia de las

diferencias de presiones indica que también hay una diferencia de temperatura del fluido

ya que al pasar por el orificio hay una expansión. El Principio de la conservación de la

energía (o balance energético entre la entrad y la salida) dice que:

EC1+ Wf1 + Wext. = EC2+ Wf2

EC1 energía cinética a la entrada

EC2 energía cinética a la salida

Wf1 trabajo de flujo entrante

Wf2 trabajo de flujos aliente

Page 114: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

14

Suponiendo que la velocidad a la entrada es muy pequeña respecto a la de salida

podemos suponer que la energía cinética a la entrada es cero.(EC1=0) La ecuación de

arriba queda:

No podemos calcular la velocidad de salida V2 hasta no conocer el valor de la integral

del segundo miembro, es decir tenemos que conocer el tipo de transformación que

realiza el fluido.

Según la transformación de Legendre a la P dv se la puede descomponer en :

Page 115: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

15

El análisis de ésta ecuación nos permite determinar que la velocidad de salida V2

depende del valor de la integral, es decir del tipo de transformación que realiza el fluido.

Si la expansión es isobárica (P=cte) ; dP=0 V2=0 no hay circulación del

fluido

Si la expansión es isocora (V=cte) V2 = 2gv(P1 – P2 ) = 2gv P

Ésta expresión es válida para calcular la velocidad teórica de escurrimiento de los

gases a través de orificios o compuertas, siempre que las diferencias de las

presiones en ambos lados de orificio sean pequeñas, y por lo tanto lo será la

velocidad; por ejemplo, en conductos de humos de los hogares, en tubos de

ventilación etc.

Si la expansión es isotérmica (T=cte)

V2 = 2gRT Ln (P1/P2) Ecuación de “Navier”

Si la expansión es a temperatura variable (salida adiabática)

Page 116: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

16

Page 117: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

17

La hipótesis de flujo adiabatico es sólida y se apoya en el hecho de que el recorrido del fluido en

una tobera es tan corto que no permite el flujo de energía.

Vemos que la velocidad máxima depende solo de la temperatura de entrada T1 y del tipo de gas

(mediante el valor de y de R) ; es evidente que los gases más livianos alcanzan velocidades

mayores a los pesados.

A medida que ocurre la expansión la velocidad aumenta , es obvio que la sección de la tobera se

debe reducir es decir debe ser “convergente” como un embudo ; pero a medida que la expansión

prosigue , pequeñas disminuciones de presión provocan relativamente grandes aumentos de

volumen por lo que se necesita un área transversal creciente , es decir “divergente” y entre

ambas secciones se encuentra la sección de “garganta”. Esta tobera fue ideada por De Laval para

su turbina de vapor y la práctica ha demostrado que no hay otro diseño mejor.

Si expresamos la velocidad de salida en función del salto entálpico, hacemos:

Page 118: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

18

……………………………………….

Page 119: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

19

CICLO DE POTENCIA DE VAPOR

Los diversos ciclos que estudiaremos de modo genérico serán:

Ciclo abierto: el típico ciclo sin condensación, propio de la máquina de vapor.

Ciclo de Rankine: primer ciclo cerrado, incluye condensador, pero no incluye

sobrecalentamiento de vapor.

Ciclo de Hirn: (o Rankine con sobrecalentamiento). Se introduce el sobrecalentamiento del

vapor .

El Vapor como Fluido Termodinámico:

El uso de vapor como fluido termodinámico se justifica por gran variedad de propiedades, en

particular:

Es abundante y barato de producir.

Transporta gran cantidad de energía por unidad de masa debido al cambio de fase. En efecto, el

calor latente de cambio de fase es del orden de 2.500 [kJ/kg].

Ciclos de Vapor: Lo podemos dividir en:

Ciclos de vapor abiertos

Ciclos de vapor cerrados.

Ciclo Abierto:

Este fue el primer ciclo de vapor a utilizarse en forma amplia. Corresponde a las típicas máquinas de

vapor de ciclo abierto (locomotoras, muchas máquinas estacionarias en los inicios de la revolución

industrial).

Page 120: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

20

El ciclo opera de la siguiente forma:

Un depósito contiene agua para la caldera(1). La bomba toma el agua del depósito y la

inyecta a la caldera (2) aumentando su presión desde la presión atmosférica hasta la presión

de la caldera.

En la caldera donde se le entrega el calor Q, el agua ebulle, formando vapor.

El vapor se extrae de la caldera en la parte superior (3). Por gravedad, solo tiende a salir

vapor saturado, por lo tanto sale de la caldera con título muy cercano a x=1.. Luego el vapor

a presión es conducido al motor donde de expande, produciendo el trabajo W.

El motor descarga el vapor utilizado al ambiente que está a 1 atm. Por lo tanto el vapor

condensa a 100ºC.

En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue:

En (1) el agua del depósito es líquido saturado. La bomba aumenta su presión hasta el

estado (2). Como lo que se comprime es solo líquido, el volumen de (2) es ligeramente

inferior al de (1). Luego esta agua a presión se inyecta en la caldera. Allí alcanza primero el

estado de saturación (intersección de línea 2-3 con campana de cambio de fase) y luego

comienza la ebullición dentro de la caldera. Este proceso es a temperatura y presión

constante. El vapor sale de la caldera en el estado (3), como vapor saturado con un título

x=1. Luego se expande en la máquina (motor) generando trabajo y es expulsado a la

atmósfera.

Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y patm, las que tienen asociadas la

temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua

en la atmósfera (100ºC)

En diagrama T-S el ciclo abierto se describe como sigue:

El agua está inicialmente a Tamb y en estado líquido (1), luego la bomba lo comprime hasta el

estado (2). En teoría esta compresión es isentrópica, en realidad la entropía aumenta un

poco. En todo caso, los estados (1) y (2) están muy cercas (la temperatura apenas sube). Al

inyectarse el agua a presión a la caldera, la entropía aumenta fuertemente, pues este es un

proceso irreversible. Luego comienza la ebullición del agua en la caldera (desde la

Page 121: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

21

intersección con la campana de cambio de fase hasta el estado 3). En (3) el vapor se expande

en el motor, generando el trabajo W.

Esta expansión en teoría es isentrópica. El vapor descarga en el estado (4), el que

corresponde a la presión ambiente y temperatura de 100ºC. Luego este vapor condensa en la

atmósfera a 100ºC y luego se sigue enfriando hasta el estado inicial.

…………………………………

Ciclo de Rankine

Antes de estudiar el ciclo de Rankine, tenemos que estudiar el Ciclo de Carnot para el vapor

de agua

Page 122: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

22

El ciclo de Carnot No es práctico por los siguientes motivos:

La calidad del vapor a la salida de la turbina es relativamente baja, lo cual acorta la vida útil de la

turbina

La etapa de compresión isentrópica 4-1 es difícil de realizar con un fluido bifásico

Al salir vapor saturado de la caldera (y no sobrecalentado) se limita la temperatura T1 y por lo

tanto la eficiencia

Por estos motivos Rankine ideó un ciclo para corregir éstos problemas

Centrales Termoeléctricas

Antes de hablar de centrales termoeléctricas se debe saber qué es una Central Eléctrica, ésta es el

conjunto de máquinas motrices, generadores, aparatos de maniobra y protección, etc. que sirven para la

producción de energía eléctrica. Ahora que se tiene esto en mente se puede decir que una central

eléctrica se denomina térmica o termoeléctrica cuando la energía eléctrica se produce a través de

máquinas térmicas (turbinas de vapor, turbinas de gas, motores diesel, etc.). Es decir, más

específicamente una central termoeléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que se

necesita para mover el rotor del generador y, por tanto, obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir

del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión, y se hace

llegar a las turbinas para que en su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas.

Las centrales térmicas o termoeléctricas empezaron a desarrollarse por el año 1890, ya en forma

comercial, a base de motores térmicos. Por el año 1910 comenzaron a tener la disposición que

mayoritariamente se usa hoy en día (central termoeléctrica clásica), modelo que poco a poco está

siendo desplazado por las centrales de ciclo combinado que presentan costos de inversión y operación

atractivos para invertir en ellas, aspecto que será analizado más adelante en el presente trabajo.

Surgen aquí dos dudas absolutamente válidas:

¿ qué son las centrales termoeléctricas clásicas? y

¿ qué son las centrales termoeléctricas de ciclo combinado?,

A continuación se explicarán cada una de ellas.

Centrales termoeléctricas clásicas

Se denominan centrales termoeléctricas clásicas o convencionales aquellas centrales que producen

energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel oil o gas en una caldera diseñada para tal

efecto. El apelativo de "clásicas" o "convencionales" sirve para diferenciarlas de otros tipos de

centrales termoeléctricas (nucleares y solares, por ejemplo), las cuales generan electricidad con

tecnologías diferentes y son mucho más recientes que las de las centrales termoeléctricas clásicas.

Page 123: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

23

Independiente de cuál sea el combustible fósil que utilicen (fuel oil, carbón, etc.), el esquema de

funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas clásicas es prácticamente el mismo. Las únicas

diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado

en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varían según sea el tipo de combustible

empleado.

Una central termoeléctrica clásica posee, dentro del propio recinto de la planta, sistemas de

almacenamiento del combustible que utiliza (parque de carbón, depósitos de fuel oíl) para asegurar que

se dispone permanentemente de una adecuada cantidad de éste.

Si se trata de una central termoeléctrica de carbón (hulla, antracita, lignito,etc.) es previamente

triturado en molinos pulverizadores hasta quedar convertido en un polvo muy fino para facilitar su

combustión. De los molinos es enviado a la caldera de la central mediante chorro de aire precalentado.

Si es una central termoeléctrica de fuel oíl, éste es precalentado para que fluidifique, siendo

inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de combustible.

Si es una central termoeléctrica de gas los quemadores están concebidos especialmente para quemar

dicho combustible.

Hay, por último, centrales termoeléctricas clásicas cuyo diseño les permite quemar indistintamente

combustibles fósiles diferentes (carbón o gas, carbón o fuel oíl, etc.); éstas reciben el nombre de

centrales termoeléctricas mixtas.

Una vez en la caldera, los quemadores provocan la combustión del carbón, fuel oíl o gas, generando

energía calorífica. Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una

extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera. Este vapor entra a gran

presión en la turbina de la central, la cual consta de tres cuerpos, de alta, media y baja presión,

respectivamente, unidos por un mismo eje.

En el primer cuerpo alta presión hay centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño.

El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes pero de mayor tamaño que los

anteriores.

El de baja presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta

triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión

progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un

cuerpo a otro de la misma., Hay que advertir, por otro lado, que este vapor, antes de entrar en la

turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua

en suspensión que transportaría serían lanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuando como si

fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.

Page 124: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

24

El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina generando energía mecánica.

A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina (de alta, media y baja presión) hace girar al

mismo tiempo a un alternador unido a ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de

transporte a alta tensión mediante la acción de un transformador.

Por su parte, el vapor, debilitada ya su presión, es enviado a unos condensadores. Allí es enfriado y

convertido de nuevo en agua. Esta es conducida otra vez mediante una bomba a los tubos que tapizan

las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo productivo puede volver a iniciarse.

Para que toda la descripción anterior quede más clara a continuación se presenta el esquema de

generación de una central termoeléctrica a carbón, describiéndose lo que sucede en cada una de sus

partes durante el proceso de generación de electricidad.

Page 125: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

25

El funcionamiento de una central termoeléctrica de carbón, como la representada en la figura, es la

siguiente: el combustible está almacenado en los parques adyacentes de la central, desde donde,

mediante cintas transportadoras (1), es conducido al molino (3) para ser triturado. Una vez pulverizado,

se inyecta, mezclado con aire caliente a presión, en la caldera (4) para su combustión.

Dentro de la caldera se produce el vapor que acciona los álabes de los cuerpos de las turbinas de alta

presión (12), media presión (13) y baja presión (14), haciendo girar el rotor de la turbina que se mueve

solidariamente con el rotor del generador (19), donde se produce energía eléctrica, la cual es

transportada mediante líneas de transporte a alta tensión (20) a los centros de consumo.

Después de accionar las turbinas, el vapor pasa a la fase líquida en el condensador (15). El agua

obtenida por la condensación del vapor se somete a diversas etapas de calentamiento (16) y se inyecta

de nuevo en la caldera en las condiciones de presión y temperatura más adecuadas para obtener el

máximo rendimiento del ciclo.

El sistema de agua de circulación que refrigera el condensador puede operarse en circuito cerrado,

trasladando el calor extraído del condensador a la atmósfera mediante torres de refrigeración (17), o

descargando dicho calor directamente al mar o al río.

Para minimizar los efectos de la combustión de carbón sobre el medio ambiente, la central posee una

chimenea (11) de gran altura, las hay de más de 300 metros, que dispersa los contaminantes en las

capas altas de la atmósfera, y precipitadores (10) que retienen buena parte de los mismos en el interior

de la propia central.

Como vemos el combustible es esencial para el funcionamiento de una central termoeléctrica, por lo

que el mejor aprovechamiento de éste es una tarea urgente en el ámbito de las centrales térmicas

convencionales o clásicas, por ello se están llevando a cabo investigaciones para obtener un mejor

aprovechamiento del carbón, como son la gasificación del carbón "in situ" o la aplicación de máquinas

hidráulicas de arranque de mineral y de avance continuo, que permiten la explotación de yacimientos

de poco espesor o de yacimientos en los que el mineral se encuentra demasiado disperso o mezclado. El

primero de los sistemas mencionados consiste en inyectar oxígeno en el yacimiento, de modo que se

provoca la combustión del carbón y se produce un gas aprovechable para la producción de energía

eléctrica mediante centrales instaladas en bocamina. El segundo, en lanzar potentes chorros de agua

contra las vetas del mineral, lo que da lugar a barros de carbón, los cuales son evacuados fuera de la

mina por medios de tuberías.

Page 126: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

26

La característica principal de los ciclos de las turbinas de vapor es que son de combustión externa, por

lo que se puede usar combustibles sólidos como el carbón. En el caso de las centrales de carbón, una

configuración típica de las plantas instaladas en el pasado reciente es la de un ciclo regenerativo de 7 a

9 extracciones y un recalentamiento intermedio. Con parámetros de valores de 560°C y 17 MPa se

alcanzan rendimientos de 38% sobre el PCI. El presente y futuro inmediato de éste tipo de plantas

conlleva el paso de valores subcríticos del vapor a valores supercríticos en torno a los 600°C y 30 MPa

lo que hace subir el rendimiento hasta aproximadamente el 45% y bajar las emisiones de CO2 de un

10% a un 15%.

Estas mejoras están fundadas en una de las estrategias termodinámicas mencionadas : el aumento de la

temperatura a la que se aporta calor al ciclo se consigue empleando presiones supercríticas en el vapor.

El límite de ese aumento lo imponen los materiales empleados en las primeras etapas de las turbina y

en las secciones de alta temperatura de la caldera. El uso de nuevos materiales con mayor resistencia

termodinámica se irá generalizando a medida que avance la investigación y que el mayor coste de la

instalación quede compensado por la ganancia de rendimiento obtenida. Los cálculos indican que los

ciclos denominados “ultrasupercriticos” con 720°C y 37.5 MPa obtendrán rendimientos de 55%.

También son de esperar mejoras en el rendimiento de la turbina propiamente dicha , especialmente por

el empleo de álabes torsionados de perfil curvo que disminuyen las pérdidas secundarias.

…………………………………………

Page 127: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

27

Turbina de vapor

Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en

energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo

(entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los

cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor

están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre

éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en

unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del

vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir

electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado

por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está

formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un

conjuntos de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes

directores.

Page 128: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

28

Bomba hidráulica

Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía

mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido

incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes

de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad

o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza

para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido

de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Page 129: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

29

Ciclo de Rankine

El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión

de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como

cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia

termodinámica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos

(límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su

nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn

Rankine.

El proceso del Ciclo

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que

tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que

alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de

sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante

la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión

para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en

su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la

Page 130: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

30

electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se

introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado

líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración

procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de

aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en

la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por

ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre

etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.

…………………………..

Page 131: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

31

TEMA 30- CICLO IDEAL DE RANKINE

El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales

termoeléctricas .Es el ciclo que resulta ideal para plantas de potencia de vapor.

Page 132: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

32

Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor.

Este será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión.

Su camino continua la seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a

estado liquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente

introducirlo a la caldera.

El ciclo de Rankine no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por los

siguientes cuatro procesos.

1-2 comprensión isentrópica de una bomba

2-3 adiciones de calor a P= constante en una caldera abierta

3-4 expansión isentrópica en una turbina

4-1 pérdida de calor de calor a P= constante de un condensador

El ciclo Rankine es un ciclo modificado en referencia al ciclo de Carnot .Opera

con vapor de agua que es el fluido más conveniente por ser abundante y barato, entra a

la caldera punto 2 como liquido y sale en el estado de vapor saturado en el punto 3.

Luego este vapor entra a la turbina donde se expande produciendo trabajo , proceso 3-4

; en el final de la expansión el fluido está como vapor húmedo con un titulo X4 ; a

continuación entra al condensador donde se condensa totalmente hasta transformarse en

liquido saturado , proceso 4-1 ; en el estado pasa por una bomba de inyección necesaria

para elevar la presión al valor de la cardera, proceso 1-2 para luego inicial nuevamente

el ciclo.

Nomenclatura:

WT = Trabajo de la Turbina

WB = Trabajo de la Bomba

Qs = Calor aportado en la caldera

Qp = Calor cedido por el condensador

Page 133: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

33

t = Rendimiento térmico del ciclo

T = Rendimiento interno de la turbina

C = rendimiento interno del compresor

V = volumen específico del agua liquida

Ps = Presión de saturación en la caldera

Pc = Presión de condensación en el condensador

h3 = entalpia del vapor saturado (tabla)

S3 = entropía del vapor saturado (tabla)

h1 = entalpia del liquido saturado (tabla)

S1 = entropía del liquido saturado (tabla)

( h4’ – h1 ) = entalpia de vaporización (tabla)

( S4’ – S1 ) = entropía de vaporización (tabla)

h4 = entalpia del vapor húmedo (Mollier)

S4 = entropía del vapor húmedo (Mollier)

Calculo del rendimiento térmico del ciclo

WT = h3 – h4

WB = h2 – h1 = V1 ( Ps – Pc )

Qs = h3 – h2

= ( WT –WB ) / Qs

……………………………………

Page 134: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

34

Aumento del rendimiento térmico en el ciclo de Rankine

En general en un ciclo, cualquier modificación que produzca un aumento del área

encerrada por el ciclo sin modificar la cantidad de energía suministrada ha de aumentar

el rendimiento , puesto que un aumento del área encerrada por el ciclo significa un

aumento del trabajo neto , por lo que necesariamente aumenta el rendimiento . Alguno

de los modos de conseguir esto son:

Disminuir la presión de salida de la turbina

Aumentar la temperatura de operación de la caldera ( por supuesto también la

presión)

Colocar un sobrecalentador de vapor a la salida de la caldera

Utilizar un ciclo de expansiones múltiples

Usar un ciclo regenerativo (con una , dos o tres extracciones de vapor)

Vemos a continuación cada uno de ellos:

Page 135: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

35

Vemos en el siguiente grafico que cuándo se disminuye la presión del vapor a la

descarga de la turbina del vapor de P0 al valor P0’

se aumenta el trabajo producido por el ciclo, en

una proporción que se indica por el área rayada en

diagonal hacia la derecha (superficie B), con

respecto al trabajo que se produce cuando la

presión de descarga es P0 indicada por el área

rayada hacia la izquierda (superficie A).

El calor suministrado en la caldera es el mismo, y

el calor entregado en el condensador , que antes

era D , se incrementa un poquito en el área C .

El gráfico muestra el rendimiento del ciclo de Rankine en función de la presión en el

condensador, para todos los otros parámetros constantes, a una presión máxima

Page 136: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

36

Aumentar la temperatura del vapor (recalentamiento)

Si en lugar de seguir el ciclo ideal de Rankine,

se continúa calentando el vapor a la zona de

vapor sobrecalentado, la ganancia de superficie

generada por el ciclo está representado por la

zona pintada de la figura adjunta. Desde el punto

de vista teórico, encontramos justificación en el

hecho de que cuanto más alta sea la temperatura

del vapor, menor será el gradiente térmico entre

el vapor y el horno y por lo tanto menor

irreversibilidad será el proceso.

Por lo general, las instalaciones de generación de energía eléctrica a vapor operan con

presiones del condensador del orden de 0.03 atm. a 0.04 atm. debido a las limitaciones

de temperatura del agua de enfriamiento que se puede obtener de varias fuentes :

corrientes superficiales , pozos, torres de enfriamiento etc. Como las temperaturas de las

diversas fuentes dependen fundamentalmente de la temperatura ambiente que puede

variar de 0°C a 30°C ; la presión del condensador está fijada por la temperatura

ambiente. A 0.03 at. La temperatura de equilibrio es de 23.8 °C y a 0.04 atm. la

temperatura de equilibrio es de 28.6°C.

La disminución de la presión operativa del condensador produce beneficios pero

también trae problemas. Debido al hecho de que la presión operativa es menor que la

atmosférica, resulta prácticamente imposible evitar que penetre aire al interior del

sistema por las pequeñas grietas que se producen en las tuberías, cajas de prensaestopas,

uniones etc. Se debe tener en cuenta que una instalación de generación de vapor tiene

muchos centenares de metros de tuberías que se expanden y se contraen cada vez que se

abre o cierra el paso de vapor generando tensiones.

Page 137: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

37

Es decir es casi imposible mantener estanco el sistema , y otro de los inconvenientes que

se presenta en ésta instalaciones es la corrosión que puede producir daños en la turbina.

Combinar altas presiones con recalentamiento

De los puntos anteriores se deduce que la alta presión de entrada a la turbina se debe

usar combinada con el recalentamiento de vapor para obtener un efecto mayor sobre el

rendimiento del ciclo de Rankine.

Expansión en varias etapas con recalentamiento intermedio

Ciclo Rankine Regenerativo

En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este

elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se

mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las

dos corrientes que entran al calentador una proviene de una extracción de vapor de la

turbina y la otra del condensador (sufre la expansión total). Como las presiones en el

calentador han de ser iguales, se añade una bomba después del condensador para igualar

Page 138: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

38

la presión de la parte del vapor que ha sufrido la expansión completa a la de la

extracción. En esta variación del ciclo de Rankine, encontramos ventajas respecto al

ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reducción del aporte de calor a la

caldera. Pero por otro lado también encontraremos inconvenientes como una reducción

de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que

añadiremos a la instalación una bomba más y un mezclador de flujos.

(Este ciclo lo estudiaremos más adelante)

Page 139: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

39

TEMA 31- CICLO DE RANKINE CON

SOBRECALENTAMIENTO

Page 140: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

40

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos

isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según

procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el

condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados

principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1:

vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido

saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el

ciclo ideal

(procesos internamente reversibles):

•Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión

de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se

genera potencia en el eje de la misma.

•Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia

el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido

saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin

pérdidas de carga.

•Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante

una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de

trabajo hasta el valor de presión en caldera.

•Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la

caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la

temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y

finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es

el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se

obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy

pequeña en comparación y suele despreciarse).

Page 141: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

41

En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y

en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas

de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El

rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una

turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las

desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento

isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían

una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.

[ En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal:

el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado

de gas durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en

lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas

en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se

denomina caldera sino cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en

estas instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y

utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se

integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el

ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportado por los gases calientes de la

combustión que abandonan la turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo

Rankine (sustituyendo a la caldera). (Sobre éstas centrales se estudiará más adelante) ]

2. Variables

Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)

Caudal másico (masa por unidad de tiempo)

Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)

Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la

potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional, se mide en %)

, , , Entalpías específicas de los estados principales del ciclo

Page 142: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

42

3. Ecuaciones

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y del

balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia

termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la

potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.

……………………………..

Page 143: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

43

EL CICLO DE RANKINE CON IRREVERSIBILIDADES

Page 144: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

44

…………………………………

Page 145: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

45

TEMA 32- CICLO DE RANKINE CON

SOBRECALENTAMIENTO Y EXPANSION

MULTIPLE

Formulas de cálculo del rendimiento térmico

W TAP = h4 – h5 trabajo de la turbina de alta presión

WTBP = h6 – h7 trabajo de la turbina de baja presión

Q TS = ( h4 – h2 ) + ( h6 – h5) calor total suministrado en el ciclo

Wb = V1 ( Ps – Pc) = h2 – h1 trabajo consumido por la bomba

Page 146: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

46

rendimiento térmico del ciclo

……………………………………………………………………………….

Lo que se suele hacer en éste sentido es “sangrar” el vapor extrayéndolo de la turbina en

varias etapas, en cada una de las cuales se usa el vapor vivo recalentado para precalentar

el agua condensada que se alimenta la caldera. Usualmente se emplean tres o más

regeneradores, y en las instalaciones de gran capacidad son habituales de 5 a 10. El

cálculo de la cantidad de vapor sangrado en cada etapa se hace por medio de un balance

de energía en cada precalentador, comenzando por el que funciona a mayo presión o sea

el primero considerando el orden de las extracciones de vapor en la turbina.

Las presiones a que se hace las extracciones se elige de modo que el calentamiento por

cada etapa (o sea en cada precalentador) tenga igual incremento de temperatura.

El análisis de un ciclo regenerativo con varios regeneradores es algo complejo, por lo

que primero veremos una instalación simplificada en las que se hace una sola extracción

de vapor vivo que alimenta un solo regenerador.

Page 147: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

47

TEMA 33- CICLO DE RANKINE REGENERATIVO CON UNA

EXTRACCION DE VAPOR

Fórmulas de cálculo

WT1 = h1 – h2 trabajo de la turbina de alta presión

WT2 = (1-m) ( h2 –h3 ) trabajo de la turbina de baja presión

WB1 = (1-m) ( h5 –h4 ) = (1-m ) V4 ( Pe – Pc ) trabajo de la bomba 1

WB2 = ( h7 –h6 ) trabajo de la bomba 2

Page 148: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

48

QTS = h1 – h7 calor total suministrado al ciclo

Para el cálculo de la fracción de masa (m) de

vapor extraída realizamos el balance energético en

la Cámara de Mezcla (CM)

m h2 + (1-m) h5 = h6

despejando :

m = h6 – h5 / h2 –h5

suponiendo que h5 = h4

m = h6 – h4 / h2 –h4

el rendimiento térmico vale:

………………………………………………………

Page 149: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

49

TEMA 34- CICLO DE RANKINE REGENERATIVO CON DOS

EXTRACCIONS DE VAPOR

Fórmulas de cálculo

WT1 = h9 – h10

WT2 = (1-m1) (h10 – h11)

WT3 = (1-m1-m2) ( h11 – h13 )

WB1 = (1-m1-m2) ( h2 – h1) = (1-m1-m2) V1 ( Pe2 – Pc )

WB2= (1-m1) ( h4 – h3) = (1-m1) V3 ( Pe1 – Pe2 )

WB3 = ( h6 – h5) = V5 (Ps – Pe1)

Qs = h9 – h6

Page 150: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

50

Las fracciones de masa de vapor extraída se determinan

a partir del balance energético en cada cámara de

mezcla, comenzando por aquella que funciona a mayor

presión.

Balance en la CM1:

m2 h11+ (1-m1-m2) h2 = (1-m1) h3

Balance en la CM2:

m1 h10 + (1-m1) h4 = h5

Page 151: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

51

Se muestra a continuación el Diagrama de Mollier (agua) y dentro de él con línea llena

la expansión isentropica en la turbina desde la Ps y temperatura Tr hasta la Pc

Page 152: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

52

TEMA 35- CICLOS BINARIOS

Page 153: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

53

El mercurio se vaporiza en la Caldera a 500°C y se expande en forma isoentrópica en su

Turbina.

En el Intercambiador intercambia calor con el agua líquida. Al condensarse el mercurio

calienta y evapora el agua, pero sin alcanzar a recalentar el vapor de agua, lo que se

consigue en el Sobrecalentador situado en el horno de la Caldera. El vapor de agua

recalentado entra a la turbina (separada de la de mercurio) donde se expande en forma

isoentrópica.

Para las condiciones de operación que se muestra en el diagrama cada ciclo suministra

los siguientes valores:

Ciclo de Mercurio suministra el 27.4 % del calor total suministrado

Ciclo de Agua suministra el 29.4 % del calor total suministrado

La suma de ambas es el 56.8 % que equivale al rendimiento combinado de ambos ciclos

y el resto que es el 43.2 % del calor total suministrado se desperdicia en el condensador

de vapor de agua.

Para tener un término de comparación, el ciclo de Carnot equivalente, es decir el ciclo

que opera entre las temperatura extremas de 500°C y 32°C tiene un rendimiento de:

CARNOT = 1- ( T2 / T1 ) = 1- ( 32+273) / (500+273) = 1- ( 305 / 773 ) = 61 %

El cociente entre el rendimiento del Ciclo Binario sobre el rendimiento del ciclo de

Carnot equivalente es:

ciclo binario / ciclo de carnot = 56.8 / 61 = 93 % este es un muy buen índice de

aprovechamiento de la energía y por eso el Ciclo Binario de Mercurio despierta tanto

interés a pesar de los inconvenientes citados.

Page 154: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

54

MAQUINAS FRIGORIFICAS

Funcionamiento, descripción y clasificación:

El objeto de una máquina térmica es transformar Calor en Trabajo. Para que ésta transformación sea

posible, será necesario, según lo establecido por el Principio de Carnot , disponer de dos fuentes de

calor a temperaturas diferentes. El trabajo obtenido será:

El rendimiento térmico de ésta máquina depende solamente de las temperaturas de las fuentes de calor

según la ecuación: = (T1-T2) / T1

Por hipótesis, el ciclo de Carnot es íntegramente reversible y puede suponerse efectuado en sentido

inverso. En tal caso, el sistema que evoluciona recibirá una cantidad de calor Q2 de la FF y además un

trabajo exterior W , y cederá a la FC una cantidad de calor Q1 igual a la suma de Q2 y W o sea que

Q1= Q2+W. Se habrá obtenido en ésta forma una máquina frigorífica.

El ciclo descripto en las máquinas frigoríficas será en sentido contrario al de las máquinas térmicas

como vemos en el dibujo de abajo.

La refrigeración se emplea para extraer calor de un recinto, disipándolo al medio ambiente. esta puede

ser también de enfriamiento común , precisaremos un poco más: se dice que hay refrigeración cuando

la temperatura deseada es menor que la ambiente. En este aspecto un equipo frigorífico funciona como

una bomba de calor , sacando calor de la fuente fría y volcándola a la fuente caliente, es de gran

importancia en la industria alimenticia.

Page 155: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

55

Clasificación:

Por su sistema de funcionamiento a las máquinas frigoríficas las podemos clasificar del siguiente

modo:

1. Instalaciones frigoríficas por Expansión de Aire

2. Instalaciones frigoríficas por Compresión de Vapor

3. Instalaciones frigoríficas por Absorsión

4. Instalaciones frigoríficas Mixtas

En la mayor parte de los sistemas industriales y comerciales se utiliza el sistema de Compresión de

vapor, en éste sistema se consume energía eléctrica en un compresor que comprime el fluido de trabajo

evaporado que viene del evaporador (cámara fría) de modo que el calor que tomó el fluido refrigerante

en el evaporador pueda ser disipado a un nivel térmico superior en el condensador. Luego de ello , el

fluido pasa a un expansor que es una simple válvula (orificio capilar) de modo que el fluido

condensado a alta presión que sale relativamente frio del condensador al expandirse se vaporiza con lo

que se enfria considerablemente ya que para ello requiere una gran cantidad de calor dado por su calor

latente de vaporización que toma precisamente el recinto refrigerado.

Page 156: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

56

INSTALACIONES FRIGORIFICAS POR EXPANSION DE AIRE

Page 157: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

57

Page 158: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

58

REFRIGERADOR DOMESTICO

El refrigerador es una máquina térmica que usa calor para mantener los alimentos a

bajas temperaturas. Congelar o refrigerar son los elementos por excelencia para

mantener la comida en buen estado. Antes la comida era conservada a través de otros

métodos como ponerles sal. El trabajo de un refrigerador está regido por las leyes de la

termodinámica. Vemos a continuación como funcionan éstos aparatos.

El principio básico usado en un refrigerador es: La expansión de un gas reduce su

temperatura.

El segundo principio para entender cómo funciona un refrigerador es la Ley

Cero de la termodinámica, que en forma general nos dice: Cuando dos

superficies a distinta temperatura entran en contacto, la superficie que está a

mayor temperatura se “enfría” y la que está a menor temperatura se

“calienta”.

Necesitamos también conocer las partes de un refrigerador, que intervienen de distinta

forma para poder mantener el espacio refrigerado a baja temperatura.

Refrigerante: es la sustancia que lleva a cabo la función de enfriamiento en el

refrigerador a través de los cambios en su presión y temperatura.

El refrigerante comúnmente usado es el amoníaco o los HFCs (hidrofluorocarburos

menos dañinos que los antes usados CFCs - clorofluorocarbonos -.

Antes el Freón era la sustancia más usada como refrigerante.E fluido rfrigerante debe

tener su punto de fusión muy bajo. Cada refrigerante es identificado por un nombre

como R-12 , R-22, R-502, etc. El agua por ejemplo tiene el nombre R-718.

Page 159: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

59

Evaporador: esta es la parte que absorbe el calor dentro del refrigerador con la

ayuda del refrigerante líquido evaporado.

Serpentin: Gran parte del refrigerador está rodeado por una serie de una especie de

“rollos” intercambiadores de calor. Estos rollos llevan el refrigerante de un lado a

otro. Este elemento está detrás del compresor.

Compresor: es el dispositivo más pesado que es puesto en funcionamiento por un

motor eléctrico y comprime el refrigerante. La principal función del compresor es

incrementar la presión y por lo tanto la temperatura del gas refrigerante.

Condensador: Es la parte del refrigerador que condensa el refrigerante evaporado, se

enfría el vapor mediante aire o agua y se rduce la temperatura manteniendo la presión

constante para luego en el condensador cambia a su fase líquida.

Válvula de expansión: La válvula de expansión reduce la presión sobre el

refrigerante líquido.

Ahora el ciclo que ocurre en el refrigerador es así:

El gas refrigerante pasa a través del compresor por lo tanto la presión de él aumenta y

también su temperatura finalizando como vapor sobrecalentado.

El refrigerante pasa a través del serpentin y libera”calor” a su alrededor, entonces el

refrigerante se enfría debido a esa pérdida de calor.

Cuando el refrigerante pasa por el condensador, pierde energía calórica a la presión

constante y cambia de fase pasando a la fase líquida.

La válvula de expansión causa una repentina reducción en la presión sobre el

refrigerante. Una parte del refrigerante se evapora y se expande, ésta expansión causa un

descenso en la temperatura del refrigerante.

Page 160: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

60

La evaporación del liquido refrigerante, que se realiza en el evaporador absorbiendo

calor de los alimentos que están en el refrigerador y por lo tanto los mantiene fríos.

Aquí es donde interviene la Ley cero de la Termodinámica, el refrigerante está a una

temperatura menor que los alimentos. El refrigerante elevó su temperatura debido al

equilibrio térmico que debió ocurrir pasando así a su fase gaseosa. El refrigerante que es

ahora un gas entra de nuevo al compresor y el ciclo se repite.

Podríamos decir entonces que la refrigeración es el resultado del intercambio de calor de

un lugar a otro, con la ayuda de la expansión y compresión del refrigerante.

…………………………………………

Page 161: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

61

TEMA 36- REFRIGERACION POR COMPRESION MECANICA

REGIMEN HUMEDO-

Una máquina frigorífica por condensación tiene por cometido desplazar energía térmica

en forma de calor entre dos puntos. La más sencilla de ellas es la refrigeración por

compresión mecánica de una etapa.

La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado

líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor,

denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de

vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el

cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio

en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de

calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica. Luego de este intercambio

energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para

poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y

hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto

el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga térmica. Ya que este

aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para lograr el

cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el subenfriamiento del mismo- es

necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o

agua conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en función del

refrigerante. De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse

nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por

compresión.

Page 162: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

62

Recordando el ciclo de Carnot. Aquí opera como máquina frigorífica, es decir que se

recorre en sentido anti-horario. A lo largo de la trayectoria de expansión bc se entrega

calor Qf al ciclo aumentando la calidad de vapor a temperatura constante T2 , luego una

compresión adiabática (isentropica) a lo largo de cd eleva su temperatura a hasta T1,

entonces se condensa el vapor a temperatura constante T1 cediendo calor Qc. El liquido

así obtenido se expande isentropicamente a lo largo de ab enfriándose hasta la

temperatura T2. Lógicamente como el proceso consume trabajo W el calor Qc deberá

ser mayor que el calor Qf. El rendimiento de una maquina frigorífica se mide en termino

de lo obtenido (calor Qf extraído de la zona fría) sobre lo gastado para ello, que en este

caso es el calor (Qc - Qf) o sea el trabajo W.

Nomenclatura : Qf = efecto frigorífico

Qc = calor disipado en el condensador

Wc = trabajo consumido por el compresor

= Qf / Wc (CEF) coeficiente de efecto frigorífico

En la Refrigeración se habla de “Frigorias”:

una frigoría equivale a una “caloría negativa” : es la energía que hay que sustraer a 1

gramo de agua para rebajar su temperatura en un grado centígrado.

Page 163: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

63

TEMA 37- REFRIGERACION POR COMPRESION MECANICA

REGIMEN SECO-

El régimen seco indica que el final de la evaporación del refrigerante esta soble la línea

del vapor saturado punto c’ y el CEF aumentará en relación al régimen seco ya que

aumenta el efecto frigorífico Qf , el coeficiente de efecto frigorífico ahora será:

Page 164: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

64

Page 165: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

65

TEMA 38- MEJORAS EN EL CICLO FRIGORIFICO

Compresión en varias etapas y enfriamiento intermedio

Qf = h1 – h6

Wc1 = h2 – h1

Wc2 = h4 – h3

= Qf / Wc1 + Wc2

Para que ambos compresores realicen igual trabajo la presión intermedia debe ser

Pi = (Pe Pc)0.5

con ésta presión se asegura que el trabajo de los cilindros del compresor

sean aproximadamente iguales obteniéndose así el menor trabajo posible para aumentar

el CEF

Page 166: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

66

Compresión en varias etapas y enfriamiento del liquido condensado

El enfriamiento del liquido condensado se representa por la transformación 6-6’ y se

aprecia en los gráfico como aumenta el efecto frigorífico Qf por lo que aumentará

también el CEF

Conocido la cantidad de frigorías por hora que debe absorberse en el evaporador y las

temperaturas del refrigerante en Evaporador y en el Condensador, puede hacerse

inmediatamente el cálculo de los distintos elementos que constituyen la máquina

frigorífica.

Se comienza por trazar en el diagrama entrópico el ciclo respectivo, leyendo las

entalpias en los puntos inicial y final de cada transformación. Luego se debe tener en

cuenta los siguientes elementos:

1. Calor total a absorber en el Evaporador Q [ Frigorías/hs.] que es dato del problema.

2. Efecto frigorífico útil por cada kg. de fluido que evoluciona (Qf)

3. El Trabajo del Compresor Wc

4. El Calor cedido en el Condensador (Qc)

5. El volumen específico al inicio de la compresión(v)

Page 167: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

67

6. El Caudal másico circulante por hora G= Q [Kcal/hs] / Qe [ Kcal/kg.] = kg/hs

7. Potencia teórica indicada : Ni = Wc [ Kcal/kg] x G [Kg/h]

8. El volumen de vapor aspirado por hora V= G [kg/hs.] x v [m3/kg] = m

3 / ks

Siendo las entalpias los elementos en base a las cuales se efectúa todo el cálculo, resulta

más ventajoso emplear los diagramas de Mollier en lugar de los entópicos, pues en ellos

puede leerse directamente las entalpias sobre un eje y evitar así interpolaciones.

Podemos ver abajo el ciclo de funcionamiento de una máquina frigorífica representado

en el diagrama de Mollier.

Se muestra abajo el diagrama de Mollier para el Refrigerante SUVA HFC-134-a

Page 168: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

68

Page 169: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

69

………………………………………………………..

Page 170: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

70

MAQUINA FRIGORIFICA POR ABSORCION

Estas máquinas emplean Calor en lugar de trabajo, se emplean normalmente en donde no se dispone de

energía eléctrica o mecánica para accionar el compresor o donde hay calor sobrante de otras

instalaciones, tales como ser contenido de gases de escape, agua caliente etc.

En el método de refrigeración por Absorción , se remplaza el Compresor por un par de equipos:

El Separador y el Absorbedor.

Principio y Funcionamiento

Una instalación de Absorción en su forma mas simple está representado en el esquema de arriba y

consta de 5 elementos fundamentales.

El Separador o Generador que contiene una disolución de Amoníaco en Agua, en éste se aplica el

Calor que hace vaporizar ambos fluidos. En el tubo de salida el vapor de amoníaco al ser más liviano

continúa hacia arriba y el vapor de agua al ser mas pesado regresa por el tubo al Separador.

El Condensador en el que el vapor de amoníaco en contacto con una superficie de menor temperatura

se transforma en líquido cediendo su calor latente Qc y éste liquido baja pasando por un sifón al

Evaporador.

El Evaporador es un intercambiador de calor entre los cuerpos puestos a refrigerar y el amoníaco que

se vaporiza absorbiendo calor latente Qe de los cuerpos, por lo que el amoníaco se vaporiza de nuevo y

en éste estado pasa al recipiente de Absorción o Absorbedor.

Page 171: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

71

El Absorbedor contiene al igual que el Separador una disolución de Amoníaco en Agua, pero su

temperatura es más baja (aprox.38°C).

Al salir el amoníaco del Separador va dejando la solución más débil en amoníaco o más diluida en

agua, siendo ésta más pesada se dirige a la parte inferior del Separador y pasa a través de un tubo de

comunicación al Absorbedor. Al llegar al Absorbedor el vapor de amoníaco proveniente del

Evaporador se disuelve en la solución (más fuerte en amoníaco) la cuál al ser más liviana se dirige a la

parte superior de Absorbedor pasando por un tubo a través de una bomba al Separador donde comienza

nuevamente el ciclo.

La Bomba de circulación de solución fuerte en amoníaco debe asegurar el pasaje al Separador y debe

producir la presión de saturación del amoníaco a la temperatura del ambiente para que al Condensador

le llegue solamente vapor saturado sin vapor de agua.

El amoníaco se licúa en el condensador a 11.9 atm. que corresponde a la temperatura del ambiente de

30°C.

Por lo anteriormente dicho el agua actúa como elemento absorbedor y el Amoníaco como refrigerante.

En este ciclo no podemos calcular el Coeficiente de Efecto Frigorífico (CEF) porque no se consume

trabajo por no haber compresor , pero si se consume Calor, por lo que se calcula el Coeficiente de

Aprovechamiento de Calor (CAC) de la siguiente relación

CAC= Qe / Qs

…………………………….

Page 172: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

72

CICLOS DE POTENCIA DE GAS

La electricidad que nosotros consumimos, y que se transporta a través de una red de

transporte, se produce básicamente al transformar la energía cinética en energía

eléctrica. Para ello, se utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son equipos

sofisticados que, impulsados por una energía externa provocan el movimiento de unas

turbinas interiores. Los generadores son aparatos que transforman la energía cinética de

una turbina, en energía eléctrica.

Las turbinas son máquinas rotativas. Se clasifican en tres grandes grupos:

Las turbinas hidráulicas, que son las más antiguas, usan el agua como fluido de

trabajo.

Las turbinas a vapor, que su fluido de trabajo es el vapor de agua.

Las turbinas a gas, que son las más actuales. Se diferencia de las anteriores en el

sentido de que la combustión se realiza dentro de la máquina. Su fluido de trabajo

son los gases de combustión.

Las turbinas a gas pueden operar como sistemas abiertos o cerrados. Para el ciclo abierto

los elementos principales son: Compresor, Cámara de Combustión y Turbina.

Para el ciclo cerrado estos elementos son: turbina y dos intercambiadores de calor. El

ciclo abierto es el más común y es usado en motores aeronáuticos como los:.

Turbohélice

Turborreactor

Turboventilador

Page 173: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

73

Page 174: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

74

MOTOR DE UNA TURBINA DE GAS DE EJE UNICO Y DE CICLO ABIERTO

Page 175: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

75

MOTOR DE UNA TURBINA DE GAS DE EJE PARTIDO Y DE CICLO ABIERTO

El eje partido se utiliza para independizar el movimiento del compresor de la carga.

Page 176: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

76

Page 177: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

77

Page 178: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

78

Page 179: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

79

TEMA 39- CICLO BRAYTON SIMPLE (teórico)

(de compresión y expansión adiabática)

Page 180: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

80

Page 181: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

81

Otra forma de cálculo del rendimiento es:

Page 182: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

82

TEMA 40- RELACION OPTIMA DE PRESIONES

Lo expresado arriba se muestra en las siguientes figuras

Las siguientes figuras muestran el aumento de limitando la temperatura T3

Page 183: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

83

Ahora vamos a determinar como se calcula la relación óptima de presiones que hace

máximo el trabajo del ciclo en función de la relación de compresión y de las

temperaturas extremas

Relación Optima de presiones para Trabajo Máximo del ciclo

Se considera a a como variable independiente y se calcula el máximo del trabajo

del ciclo para valores determinados de las otras variables, o sea que derivamos e

igualamos a cero la ecuación de arriba:

Page 184: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

84

Otra forma de cálculo de la relación óptima de presiones que hace máximo el trabajo del

ciclo es:

La diferencia entre las energías aportada menos la perdida representa el trabajo del ciclo

Page 185: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

85

Como vemos, la relación de compresión óptima depende de las relaciones de

temperatura.

La curva de trabajo máximo se obtiene uniendo los puntos máximos de cada curva.

Vemos que a medida que aumenta la temperatura T3 suponiendo constante la

temperatura T1 el trabajo del ciclo aumenta, consecuentemente aumentará el rendimiento

térmico del ciclo.

Page 186: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

86

TEMA 41- MEJORAS EN EL CICLO BRAYTON

Page 187: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

87

Page 188: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

88

El trabajo útil del ciclo BRAYTON con recalentamiento, será la suma algebraica de los

trabajos de expansión realizados por las turbinas y el trabajo absorbido por el

compresor:

Wu = WT1 + WT2 – WC = Cp (T3 – T4 ) + ( T5 – T6 ) – ( T2 – T1 )

Si bién es cierto que con éste tipo de instalación se logra mayor trabajo útil, no ocurre lo

mismo con el rendimiento térmico que se ve disminuido con respecto a un ciclo

BRAYTON simple entre las mismas temperaturas.

……………………………..

Page 189: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

89

TEMA 42- CICLO BRAYTON REAL

Como puede apreciarse en el ciclo

tanto la compresión como la expansión no son

isentrópicas, resultan ser evoluciones irreversible

con aumento de entropía (S).

Se define como rendimiento interno del

compresor a la relación:

Se define como rendimiento interno de la turbina a la relación:

Se

Se define como rendimiento térmico del ciclo en su expresión general a:

donde WT y WC son trabajos reales

Page 190: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

90

Tenemos que expresar a cada una de éstas energías en función de ; : c ; T

WT = T Cp (T3 – T4’) multiplicamos y dividimos por T1

a la relación de temperaturas que está dentro del paréntesis la multiplicamos y la

dividimos por T3

donde según la (3) y la (4)

sacando factor común

(A)

multiplicamos y dividimos por T1

según la (2)

(B)

La energía aportada en la cámara de combustión es:

Qs = Cp (T3 – T2 ) a la temperatura T2 la despejamos de la (1) que será :

Page 191: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

91

reemplazando en la ecuación de arriba

multiplicamos y dividimos por T1

según la (4) y la (2)

(C)

Reemplazando las ecuaciones (A) ; (B) ; y (C) en la (I) y simplificando

Finalmente nos queda la ecuación

Si graficamos la ecuación (D) para distintos valores de tendremos una familia de

curvas; éste gráfico está confeccionado para T1= 20°C ; P1= 1 atm. ; T3= 850°C

Vemos en el gráfico que el rendimiento de la unidad mejora cuando el T C como

puede verse en la curva del medio.

Page 192: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

92

Por lo tanto, para una relación de compresión determinada, el máximo del rendimiento se da

cuando el T C

La relación óptima de presiones que hace que el trabajo útil máximo del ciclo se

determina de la siguiente manera:

El trabajo útil del ciclo esta dado por

Page 193: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

93

Page 194: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

94

TEMA 43- CICLO TURBINA DE GAS IDEAL CON

REGENERADOR IDEAL

Suponiendo un Regenerador Ideal, esto implica que:

La energía de los gases es transmitida totalmente al aire (las áreas pintadas en el T;S son iguales.

T2’ = T4 ( la temperatura del aire de entrada a la CC es igual a la temperatura de los gases a la

salida de la turbina).

T2 = T4’ ( la temperatura del aire a la salida del compresor es igual a la temperatura de los gases

a la salida del regenerador.

Page 195: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

95

Page 196: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

96

Rendimiento térmico en función de las temperaturas extremas y de la relación de

compresión.

Esta expresión representa gráficamente una curva de pendiente negativa y para una relación de

compresión determinada, a medida de que la relación de temperaturas ( T1 / T3 ) disminuya el

rendimiento térmico aumentará, la relación T1/T3 será menor cuanto mayor sea T3

Vamos a representar una familia de curvas para distintos valores de T1/T3

Vemos que para un valor constante de el rendimiento aumenta con la disminución de

la relación de temperatura o lo que es lo mismo decir que a mayor T3 la relación de

temperaturas se hace menor por lo que el rendimiento térmico aumenta.

…………………

Si superponemos la curva representativa del rendimiento térmico del ciclo Brayton

Simple (ecuación I)

Con una de la curva representativa del rendimiento térmico del ciclo con regenerador

(ecuación II)

obtenemos el siguiente gráfico:

Page 197: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

97

Las dos curvas se cortan en el punto “P” llamado “punto de cruce” que indica el límite de la

conveniencia del uso del regenerador.

La relación de compresión correspondiente a éste punto

se determina igualando ambos rendimientos:

Page 198: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

98

REGENERADORES

Los regeneradores son intercambiadores de calor empleados en las turbinas de gas son

del tipo de coraza y tubos , o bien del tipo rotativo, siendo los primeros los mas

empleados. En ellos los gases de escape pasan por el interior de los tubos y el aire a

precalentar por exterior de los mismos.

El empleo de regeneradores presentan tres inconvenientes:

1. Gran superficie de intercambio de calor.

2. Dificultad para la limpieza

3. Aumento de la resistencia al paso de los gases de escape al exterior

En un regenerador ideal, en donde suponemos que no hay pérdidas de calor, el balance

de energía se establece igualando toda la energía que recibe el aire a la energía entregada

por los gases de escape , es decir:

Ma h2 + Mg h4 = Ma h2’ + Mg h4’ o también

Ma ( h2 – h2’ ) = Mg ( h4’ – h4 ) o también

Page 199: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina1

99

Ma Cpa ( T2 – T2’ ) = Mg Cpg ( T4’ – T4 )

Ma = caudal másico de aire (kg/h)

Mg = caudal másico de gases (kg/h)

h 2 = entalpia del aire a la entrada del regenerador (Kcal/kg )

h 2’ = entalpia del aire a la salida del regenerador (Kcal/kg )

h 4 = entalpia del gas a la entrada del regenerador (Kcal/kg )

h 4’ = entalpia del gas a la salida del regenerador (Kcal/kg )

Cpa = calor específico a presión constante del aire (Kcal/kg K)

Cpg = calor específico a presión constante del gas (Kcal/kg K)

En realidad podemos observar que:

a) El calor específico a presión constante de los gases es mayor que el del aire debido a

que los gases están a mayor temperatura.

b) El caudal másico de gases es superior al del aire en virtud de que es la suma del

caudal másico del aire más el del combustible quemado.

Por estas razones es que:

La elevación de temperatura del aire será mayor a la disminución de temperatura de los

gases. La figura ilustra la variación de temperatura que sufre el aire y los gases de

escape en función de la superficie de intercambio de calor del regenerador, para el caso

ideal ( = 100%) y para el caso real ( 100% )

Page 200: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

00

TEMA 44- CICLO TURBINA DE GAS CON DOS ETAPAS DE

COMPRESION,ENFRIAMIENTO INTERMEDIO,

DOS ETAPAS DE EXPANSION Y REGENERADOR

En motores de turbina de gas fijos, suele dividirse la compresión en dos o tres etapas y

emplear sistemas de enfriamiento intermedio externo entre las diversas etapas.

Para poder realizar el recalentamiento intermedio en la expansión es preciso dividir ésta,

poniendo dos turbinas, una de alta presión y otra de baja presión, pudiendo estar en el

mismo eje o en ejes independientes. Entre las dos turbinas se colocará la segunda

cámara de combustión conocida como el recalentador , donde se quema más

combustible y se generan más gases. Para que la combustión en ésta segunda cámara sea

posible, se necesita trabajar con suficiente aire en exceso en el proceso de compresión.

La división de la compresión, lo mismo que la división de la expansión mejoran el

rendimiento del ciclo, es un acercamiento al ciclo de Carnot.

Suponemos que éste ciclo los procesos de compresión y expansión son isoentrópicos

(ideales). Se supone Cp = cte. en todos los procesos.

El cálculo del rendimiento térmico en función de las relaciones de compresión y de

expansión son complejos, por lo que en éste estudio, calculamos el rendimiento térmico

en función de las temperaturas del ciclo

Page 201: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

01

Page 202: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

02

Si planteamos lo mismo entre 8 y 9 se llega a que T7 = T9 ya que la temperatura de

entrada a la turbina es la misma y además ambas turbinas son isoentrópicas.

Ahora si estamos en condiciones de calcular la Eficiencia Térmica del Ciclo = W

total / Q total entregado

……………………………………………

Page 203: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

03

TEMA 45- CENTRALES TERMICAS DE CICLO COMBINADO

Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la co-existencia de dos

ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de

agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión.

Centrales de Ciclo Combinado

Una central de ciclo combinado consiste básicamente en un grupo Turbina a Gas-

Generador, una chimenea recuperadora de calor y un grupo Turbina a Vapor-

Generador, formando un sistema que permite producir electricidad.

El nombre ciclo combinado viene de que es capaz de aprovechar la energía más de una

vez, básicamente se tiene una turbina a gas, la cual es muy similar a las utilizadas en los

aviones, ésta se alimenta de gas natural, el cual aún siendo mucho más limpio con

respecto a otras fuentes de energía, de todas formas pasa primero por una serie de filtros

que eliminan toda partícula que pudiese alterar el normal funcionamiento de la planta.

Además de gas se inyecta aire a la turbina para la combustión y este también debe ser

filtrado, eliminando partículas de hasta 5 micrones. Una vez aprovechada parte de la

energía en hacer funcionar el generador, los gases expulsados a altas temperaturas (550

ºC) se aprovechan para crear vapor y alimentar la turbina a vapor la que es en realidad

un conjunto de

3 turbinas en serie (una de alta presión, otra de media y una tercera de baja presión) las

cuales mueven el mismo generador. Esto se logra mediante una serie de expansiones y

recalentamientos del vapor, el cual vuelve a pasar por el escape de la turbina repetidas

veces antes de condensarlo; el cual se refrigera mediante una corriente de agua externa,

este sistema de enfriamiento es cerrado, ya que el agua utilizada es reaprovechada luego

de pasar por las torres de enfriamiento, el sistema de enfriamiento también puede ser un

circuito abierto, vale decir aprovechar el agua de ríos o pozos cercanos para realizar el

enfriamiento.

Page 204: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

04

Descripción de un ciclo combinado.

En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una o varias

turbinas de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de

vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura

de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación,

la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el

ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al

rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de

vapor.

Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se

obtienen rendimientos de la turbina de gas cercanos al 60%, exactamente 57,3% en las

más modernas turbinas Siemens. Este rendimiento implica una temperatura de unos

1.350 °C a la salida de los gases de la cámara de combustión. El límite actualmente es la

resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados

en el recubrimiento interno de las cámaras de combustión de esas turbinas.

Las centrales de ciclo combinado son, como todas ellas, contaminantes para el medio

ambiente y para los seres vivos, incluidas las personas, por los gases tóxicos que

expulsan al ambiente. No obstante es la que menos contamina de todas las industrias de

producción de electricidad por quema de combustible fósil.

El gráfico de la instalación y el ciclo termodinámico se muestran en las figuras de abajo

Page 205: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

05

Page 206: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

06

Formulas para el cálculo del rendimiento térmico del ciclo combinado

CICLO DE GAS

Nomenclatura

NTG = Potencia de la Turbina de Gas [ KW]

mg = caudal másico de gases[ Kg/seg.]

ma = caudal másico de aire[ Kg/seg.]

Cpg = calor específico a presión constante de los gases [ KJ/kg.°K]

Cpa = calor específico a presión constante del aire [ KJ/kg.°K]

NC = Potencia del turbocompresor de [ KW]

NNETA(CG) = Potencia neta del ciclo de gas

Page 207: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

07

Qe = calor aportado a la cámara de combustión

Qp = calor disipado o perdido en el ciclo de gas

CG = rendimiento térmico del ciclo de gas

fórmulas

NTG = mg Cpg ( T3 – T4 )

NC = ma Cpa ( T2 – T1 )

NNETA(CG) = NTG - NC

Qe = mg Cpg ( T3 – T2 )

Qp = mg Cpg ( T4 – T5 )

CG = NNETA(CG) / Qe

CICLO DE VAPOR

Nomenclatura

mV = caudal masico de vapor circulante [ kg/seg.]

NTV = Potencia de la Turbina de Vapor [ KW]

Nb = Potencia de la Bomba [KW]

NNETA(CV) = Potencia neta del ciclo de vapor [KW]

Qs = energía suministrada en el ciclo de vapor [ KW]

CV = rendimiento térmico del ciclo de vapor

Page 208: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

08

Formulas

NTV = mV ( h7 – h8 )

Nb = mV ( h6 – h9 )

NNETA(CV) = NTV – Nb

CV = NNETA(CV) / Qs

Determinación de la masa de vapor circulante:

Se realiza el balance energético en el intercambiador de calor:

mg h4 + mV h6 = mg h5 + mV h7

El rendimiento térmico del ciclo combinado es igual al cociente entre la suma de las dos

potencias netas de salida y el flujo de calor suministrado al ciclo de gas.

……………………………………………….

Page 209: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

09

TEMA 46- CICLOS DE LAS MAQUINAS DE COMBUSTION

INTERNA

CICLO OTTO

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión

interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una

primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.

Ciclo de cuatro tiempos (4T)

El ciclo consta de seis procesos, dos de los cuales no participan en el ciclo

termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la

carga del mismo:

E-A: admisión a presión constante (renovación de la carga)

A-B: compresión isentrópica

B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva

rápidamente antes de comenzar el tiempo útil

C-D: fuerza, expansión isentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo

D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante

A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante (renovación de la carga)

Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y

los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado

en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el

motor de dos tiempos.

Motor de cuatro tiempos

1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de

admisión permanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible

y aire hacia dentro del cilindro (esto no significa que entre de forma gaseosa).

2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve

hacia el PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón

llega al final de esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía

que provoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI.

Se produce la transformación de la energía química contenida en el combustible

Page 210: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

10

en energía mecánica trasmitida al pistón que la trasmite a la biela, y la biela la

trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.

4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS, expulsando los

gases producidos durante la combustión y quedando preparado para empezar un nuevo ciclo

(renovación de la carga)

Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya sea mediante

empleo del turbocompresor o mediante compresores volumétricos o también llamados compresores de

desplazamiento positivo.

Page 211: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

11

Cálculo del rendimiento térmico

Para la compresión adiabática AB

Como se puede ver, el rendimiento térmico aumenta con la relación de compresión.

Page 212: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

12

El aumento de la relación de compresión implica la reducción del volumen de la cámara

de combustión VB. Esto hace que aumente la temperatura TB ; si ésta es demasiado

grande se presenta un encendido prematuro del combustible, denominado

autoencendido, el cual produce un ruido audible, que recibe el nombre de golpeteo de la

máquina. Cabe señalar que el “golpeteo” de las máquinas de chispa no debe tolerarse ya

que perjudica el desempeño del ciclo y pude dañar los componentes del motor.

……………………………………………………

Page 213: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

13

Ciclo Otto real

Diferencia entre los ciclos Otto real y teórico

Entre el ciclo indicado y el ciclo teórico correspondiente existen diferencias sustanciales

tanto en la forma del diagrama como en los valores de temperaturas y presiones.

La diferencia de forma consiste en un perfil distinto en las curvas de expansión y

compresión, en la sustitución de los trazos rectilíneos de introducción y sustracción del

calor por trazos curvos y el redondeamiento de los ángulos agudo. Las causas de tales

diferencias se fundan en las siguientes razones:

Page 214: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

14

1. Perdidas de calor. En el ciclo teórico son nulas, pero bastante sensibles, por el

contrario, en el ciclo real. Como el cilindro esta refrigerado para asegurar el buen

funcionamiento del pistón, una cierta parte de calor del fluido se transmite a las

paredes. Las líneas de compresión y expansión no son, por consiguiente,

adiabaticas, sino politropicas, con exponente n, diferente de . Como el fluido

experimenta una pérdida de calor se tiene evidentemente: para la expansión, n>k,

y para la compresión, n<k. Se produce, por tanto, una pérdida de trabajo útil

correspondiente a la superficie A de la figura.

2. Combustión no instantánea. En el ciclo teórico, se supone que la combustión se

realiza a volumen constante; es, por tanto, instantánea; en el ciclo real, por el

contrario, la combustión dura un cierto tiempo. Si el encendido tuviese lugar

justamente en el P.M.S., la combustión ocurriría mientras el pistón se aleja de

dicho punto, y el valor de la presión sería inferior al previsto, con la

correspondiente perdida de trabajo útil.

Por ello es necesario anticipar el encendido de forma que la combustión pueda

tener lugar, en su mayor parte, cuando el pistón se encuentra en la proximidad del

P.M.S. Esto produce un redondeamiento de la línea teórica 2-3 de introducción

del calor y, por tanto, una pérdida de trabajo útil representada por el área B. Pero

ésta pérdida resulta de cuantía bastante menor de la que se tendría sin adelantar el

encendido.

3. Tiempo de abertura de la válvula de escape. En el ciclo teórico también

habíamos supuesto que la sustracción de calor ocurría instantáneamente en el

P.M.I En el ciclo real la sustracción de calor tiene lugar en un tiempo a que una

parte de los gases salgan del cilindro antes de que el pistón alcance el P.M.I. de

Page 215: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

15

manera que su presión descienda cerca del valor de la presión exterior al

comienzo de la carrera de expulsión. Este hecho provoca una pérdida de trabajo

útil representada por el arrea C, perdida que es, sin embargo, menor que la que se

tendría sin el adelanto de la abertura de la válvula de escape.

Las causas de las diferencias en los valores de la presión y temperatura máxima son:

1. Aumento de los calores específicos del fluido con la temperatura. Como ya

sabemos, tanto el calor especifico a presión constante cp como el correspondiente

a volumen constante cv, de un gas real, crecen con la temperatura, pero de tal

forma que su diferencia permanece constante, es decir, cp - cv = AR; por

consiguiente, al aumentar la temperatura dismunuye el valor de la relación

= cp / cv. De lo cual se infiere que los valores de la presión y la temperatura

máximas resultan siempre inferiores a las que se alcanzarían en el caso en que los

calores específicos permanecieron constantes al variar la temperatura. Este hecho se

toma en consideración también al trazar el ciclo teórico del aire; pero, en el caso real,

los productos de la combustión tienen calores específicos mayores que el aire, y, por

tanto, los valores de la presión y de la temperatura máxima son, en el ciclo real,

inferiores a los correspondientes al ciclo teórico. Por esta razón, la superficie y el

rendimiento térmico resultan disminuidos.

2. Disociación en la combustión. Los productos de la combustión son

esencialmente CO2 y H2O, además de otros compuestos, tales como CO, H2 y

O2. La disociación de estos productos es una reacción que se lleva a cabo con la

absorción de calor, la temperatura máxima alcanzable es menor y se pierde una

cierta cantidad de trabajo. Pero dado que la temperatura disminuye durante la

expansión, se produce un retroceso en la reacción de disociación. En

consecuencia, sobreviene en esta fase una parcial asociación con desarrollo de

Page 216: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

16

calor. Desciende el valor del exponente de la politrópica de expansión -el cual

debería ser mayo que por las pérdidas de calor a través de las paredes del

cilindro- y se aproxima al de la politropica de compresión; por ello, se consigue

una parcial recuperación del trabajo antes perdido.

El ciclo real presenta, por último, otra diferencia importante al compararlo con el

ciclo teórico; durante la carrera de aspiración, la presión en el cilindro es inferior a

la que se tiene durante la carrera de escape. Salvo casos particulares, en el decurso

de la aspiración, la presión resulta inferior a la atmosférica, mientras que durante

el escape es superior. Se crea, por tanto, en el diagrama indicado una superficie

negativa (D, en la figura), que corresponde al trabajo perdido. El esfuerzo

realizado por el motor para efectuar la aspiración y el escape se llama trabajo de

bombeo y esta, por lo general, comprendido en el trabajo perdido por

rozamientos.

Page 217: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

17

CAMINOS A SEGUIR PARA AUMENTA LA POTENCIA DE UN MOTOR DE

COMBUSTION INTERNA

Page 218: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

18

Page 219: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

19

……………………………………………………………..

Presión Media Efectiva

La presión media efectiva es otro de los tres factores que permiten obtener una potencia mayor, y en

caso el más importante desde el punto de vista práctico.

El principio de funcionamiento de los motores de combustión interna consiste en convertir en trabajo el

calor liberado por la combustión del oxigeno con el combustible.

La virtud de un motor de convertir cierta cantidad de calor en trabajo aumenta a medida que se eleva el

índice de compresión. Durante el ciclo de combustión el gas ejerce sobre las paredes del cilindro que lo

rodean una determinada presión, la que, naturalmente afecta también al pistón y es tanto mayor cuando

más alta es la relación de compresión y cuando más grande es la cantidad de mescla aspirada.

Pero siendo que esta presión no es uniforme, sino que alcanza su punto máximo cuando el pistón ha

recorrido aproximadamente la quinta parte de su carrera descendente, se utiliza la expresión "presión

media efectiva” (PME) como sinónimo del promedio de todas las presiones.

La presión así engendrada hace que el pistón se desplace hacia abajo y produzca, a través de la biela,

una determinada fuerza en el muñón del cigueñal, que no es otra cosa que un "brazo de palanca". éste

momento de torsión, o torque, o par, es tanto mayor cuando más elevada sea dicha presión,

convirtiéndose en movimiento giratorio y, por lo tanto, en trabajo útil y aprovechable.

…………………………….

Page 220: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

20

TORQUE Y POTENCIA DE UN MOTOR

El torque y la Potencia son dos indicadores del funcionamiento del motor, nos dice que tanta fuerza

puede producir y con que rapidez puede trabajar.

El Torque es la fuerza que producen los cuerpos en rotación, recordemos que el motor produce fuerza

en un eje que está girando, para medir ésta fuerza los ingenieros usaron un banco o un freno

dinamométrico que no es más que una instalación en la que el motor puede girar a toda su capacidad

conectado a un eje que lo frena en forma gradual y mide la fuerza con que se está frenando.

Es como tomar un eje con las manos en cada extremo y con una mano se le hace girar y con la otra

mano de trata de impedir este giro.

Se llama Torque máximo a la mayor cantidad de fuerza de giro que puede hacer el motor. Esto sucede a

cierto número de revoluciones.

Un motor con un Torque máximo de 125 Nm a 2500 rpm significa que el motor es capaz de producir

una fuerza de giro técnicamente conocido como par torsor de hasta 125 Nm cuando está acelerado al

máximo y gira a 2500 revoluciones por minuto. Recuerde que el motor esta acelerado al máximo y no

gira a las máximas revoluciones ya que se encuentra frenado por el freno dinamométrico.

Mientras mayor sea el torque máximo de un motor, más fuerte es éste.

Un motor tendrá más fuerza que otro cuando su torque máximo sea mayor.

La tendencia mundial es lograr motores con el torque más alto posible en todas las revoluciones y

principalmente al arrancar. Este efecto se conoce como “motor plano”.

La potencia indica la rapidez que puede girar el motor. La potencia máxima es el mayor número

obtenido de multiplicar el torque del motor por la velocidad de giro en que lo genera. En el caso de la

figura, el motor tiene una potencia máxima de 39,27 KW a 3000 rpm.

Page 221: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

21

Potencia = Torque x velocidad angular

Potencia = T

Es bueno recordar que:

El Torque y la Potencia es lo que el motor puede hacer.

Se dice “caballo de potencia” y no “caballo de fuerza”

El Torque es la fuerza del motor ya que la entrega en forma de giro

La Potencia se obtiene a partir del torque y las rpm del motor.

Torque y Potencia dependen de las rpm.

El torque de un motor está asociado a la fuerza que éste motor puede hacer y la potencia está

asociada a la velocidad que puede girar el motor.

.

………………..

Page 222: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

22

TORQUE = EMPUJE

La potencia de un auto en caballos de fuerza (HP) es importante, pero en el tráfico normal juega un

papel secundario. Mucho más importante es el torque que proporciona un empuje poderoso aún a bajas

revoluciones.

Por ejemplo dos autos del mismo modelo y motores diferentes están detenidos frente al semáforo.

Uno Es el Audi A-6 ( nafta) que desarrolla una potencia de 170 HP, Torque máximo= 230 Nm

(3200r.p.m) ; y el otro auto es un TDI que desarrolla sólo 155 HP. pero con un Torque máximo de 310

Nm (1400 r.p.m)

El semáforo cambia a verde, los dos conductores aceleran. ¿Cuál auto atraviesa más rápido el cruce?

¿Será el que tiene más caballos de fuerza? o el que tiene mayor torque ?

Esta pregunta podrá ser contestada sólo después de examinar el torque de los motores, y es que la

potencia depende del torque multiplicado por el número de revoluciones en que gira el motor

(P = T x rpm).

El número HP o Potencia especificado en un vehículo es más bien un valor numérico teórico que se

alcanza sólo acelerando a fondo y a un número determinado de revoluciones, el llamado número de

revoluciones nominal. Sin embargo, éste es tan alto que muy pocas veces es aprovechado por el

conductor común y corriente. La mayor parte del tiempo, el auto se mueve a bajo y medio régimen de

revoluciones. Lo que, por cierto, significa una acción muy inteligente desde el punto de vista del

consumo pero, además, cuando el motor trabaja a altas revoluciones, el desgaste es considerablemente

mayor. Sólo los motores de Fórmula 1 aceleran al límite máximo, con la desventaja de que sólo resisten

dos carreras.

Para entender cómo surge el torque ( fuerza por longitud) en un motor de combustión, debemos

imaginarnos éste como el mecanismo de pedales de una bicicleta (ver el gráfico).

Page 223: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

23

La fuerza es la que realiza el ciclista con sus piernas sobre el pedal ( vector rojo) y la distancia es el

largo del pedal ( en negro); el producto entre ambos es el torque o Momento Torsor identificado con el

vector curvo en azul

En la práctica las cosas funcionan de la siguiente manera:

La explosión del combustible en la cámara de combustión en el cilindro genera la fuerza que actúa a

través de pistones y bielas sobre el cigüeñal. En este caso, el torque es el producto de la fuerza del

pistón y la longitud de la manivela del cigüeñal.

Durante el funcionamiento del motor, la longitud de la manivela del cigüeñal es constante (siempre la

misma), no así la fuerza del pistón que varía dependiendo de las revoluciones del motor. A un régimen

de revoluciones muy bajas, la fuerza de combustión de la explosión todavía es muy débil y, por lo

tanto, el torque es pequeño.

Como el motor a bajas revoluciones es sometido a poco esfuerzo, llega poca mezcla de combustible-

aire a los cilindros. Sin embargo, a mayores revoluciones el conductor acelera, llegando más

combustible a los cilindros y aumenta la presión de combustión y, por ende, también el torque.

A un determinado régimen de revoluciones del motor se alcanza la mayor presión de combustión y, por

lo tanto, el torque máximo. En este punto resultan óptimos el intercambio de gases, la formación de

mezcla y la combustión.

Page 224: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

24

Este es el valor numérico que se especifica en los datos técnicos del vehículo junto con el respectivo

número de revoluciones.

Por ejemplo: 310 Newton. metro (Nm) a 2.500 rpm. Sin embargo, si el número de revoluciones sigue

aumentando es decir, se acelera más, el torque comienza a disminuir. Esto se debe a que al aumentar

las r.pm. ya no hay suficiente tiempo para crear una presión de combustión elevada en el cilindro; el

motor sencillamente gira demasiado rápido. Por lo tanto, desmejoran los parámetros de intercambio de

gases, formación de mezcla y combustión.

La regla es: cuanto más alto sea el torque máximo y más bajo el número de revoluciones del

motor al que se alcanza, tanta más fuerza de empuje tendrá el auto.

El motor se comporta más “elástico”, pudiéndose concluir que el torque es más importante para el

desplazamiento del vehículo que la potencia.

Un vistazo al funcionamiento de la antigua locomotora a vapor explica esto:

Cuando la locomotora se pone en marcha, la máxima presión de vapor actúa sobre el pistón y el torque

llega al máximo. En cambio el rendimiento ( el producto del trabajo realizado y el tiempo ) es igual a

cero. El enorme torque permite, por lo tanto, que este pesado “monstruo de acero” se ponga en

movimiento haciendo girar las ruedas. Esto es similar en el auto: cuanto más elevado sea el torque de

un motor, tanto más empuje desarrolla durante la aceleración. Si el torque máximo se alcanza a bajas

revoluciones, el auto se considera “dinámico” y se puede conducir con pocos cambios de velocidad.

Esto no sólo es muy agradable, sino también redunda en un ahorro de gasolina, ya que el motor a este

régimen funciona con óptima combustión. Los conductores avezados, que conocen esto, conducen sus

vehículos a revoluciones bajas y medias.

Relación de torque y potencia

La elasticidad de un motor se puede comprobar, especialmente cuando se conduce en pendientes. En

las pendientes aumenta la resistencia a la traslación que el vehículo tiene que vencer. Esto significa que

la velocidad y el número de revoluciones disminuyen y, a su vez, el rendimiento del motor. Sin

embargo, al principio el torque no varía y hasta puede aumentar. Si no sigue bajando el número de

revoluciones se puede vencer la pendiente sin necesidad de cambiar la velocidad. Sólo cuando el

número de revoluciones está por debajo del torque máximo es que se debe cambiar la velocidad para

Page 225: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

25

poder alcanzar de nuevo el rango de rendimiento óptimo del motor y obtener los mejores valores de

consumo.

La caja de cambios actúa entonces como una especie de convertidor de torque que aumenta el número

de revoluciones, proporcionando de nuevo al motor un empuje vigoroso. Cuando se lleva un trailer de

remolque, se experimenta rápidamente lo importante que es el torque. Contar con muchos caballos de

fuerza no es suficiente para llegar a la cima y sólo en pocas ocasiones se puede ir por el canal rápido.

Tan importante como tener un torque elevado a bajas revoluciones es el desarrollo del torque. Esto

quiere decir, durante cuánto tiempo se mantiene el torque elevado dependiendo de las revoluciones.

Esto está representado en la curva de potencia y torque (ver gráfico).

En base a las líneas trazadas se puede determinar el comportamiento del vehículo:

Page 226: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

26

¿Tiene el motor un buen régimen de giro?

¿Tiene un despliegue de fuerza constante?

¿Tiene, en especial, fuerza de empuje?

Interesante resulta la comparación de un motor turbo diesel y un motor de gasolina;

mientras que el motor turbo diesel alcanza su torque máximo muy pronto ( aproximadamente 1500

r.p,m), en el motor de gasolina ocurre en el régimen a altas revoluciones (aproximadamente 3500

r.p.m). La turbo compresión del diesel incrementa el grado de llenado en el cilindro, especialmente a

bajas revoluciones. Por consiguiente, sube la presión de combustión y, por ende, también el torque.

De ello se deduce que un motor diesel moderno, por lo general, se maneja más cómodamente,

desarrolla una mayor aceleración a muy bajas revoluciones y requiere menos cambios de velocidades;

esto permite que se deslice relajadamente por el flujo vehicular.

Por supuesto sería ideal si desde las revoluciones en ralentí hasta las revoluciones máximas hubiera

también un torque elevado. Justamente ésta ha sido siempre la meta más importante de los ingenieros

de motores. Ellos buscan acercarse a este concepto ideal incorporando controles de válvulas variables,

turbocompresores con aletas ajustables, colectores de admisión variables, cuatro válvulas por cilindro y

una ingeniosa electrónica digital en el motor.

Volviendo a los candidatos mencionados al principio, detenidos en la esquina del semáforo: mientras

que el Audi A6 equipado con motor de gasolina de 170 HP desarrolla un torque máximo de 230 Nm a

3.200 rpm, el motor turbo diesel de inyección directa (TDI) de 155 HP desarrolla un torque máximo de

310 Nm a 1.400 rpm. El resultado es: sin arranque a altas revoluciones (como ocurre en los autos de

Fórmula 1) el motor de gasolina no tiene chance; con toda facilidad, el A6TDI deja atrás al de gasolina

en la salida. Todo es cuestión de torque. Por otra parte y en descargo del motor de gasolina del A6,

debemos mencionar que comparado con el diesel, seduce por su suavidad de marcha y su motor

silencioso.

………………….

VEAMOS OTRAS EXPLICACIONES EN REFERENCIA AL TORQUE Y LA POTENCIA DE UN MOTOR DE AUTOMIVIL

Page 227: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

27

..

Potencia y torque ¿Qué son? ¿Cómo las aprovecho?

. Si alguna vez han revisado las especificaciones del motor de su vehículo, se habrán

dado cuenta que menciona la potencia y el torque máximo del motor.

Sin embargo, la mayoría de las personas muestran más interés por la potencia dejando a

un lado el torque.

Para poder entender que es cada uno de estos parámetros iniciaremos con su definición. .

¿Qué es torque? El torque es la fuerza aplicada en una palanca que hace rotar alguna cosa. Al aplicar

fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar las tuercas. En

terminos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la

palanca

(Torque = F x D) y se mide comunmente en Newtons metro(N.m)

Dentro del motor de un vehículo los gases de combustión generan una presión dentro de

los cilindros que empuja los pistones con determinada fuerza hacia abajo que es

transmitida hacia el cigüeñal haciendolo girar debido al torque generado.

¿Qué es potencia? La potencia es la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, el trabajo por unidad de

Page 228: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

28

tiempo (Potencia = Trabajo / tiempo). Tomando los conceptos básicos de física sabemos

que Trabajo = fuerza x distancia, que son precisamente las unidades del torque. Además

sabemos que la velocidad rotacional de un motor se mide en rpm (cuyas unidades son

1/min). Entonces si multiplicamos el torque por las rpm del motor tenemos

F x D / tiemp que es precisamente la potencia.

Si utilizamos una palanca de 1 m y aplicamos una fuerza de 1 N en el extremo

estaremos aplicando un torque de 1 N m. ¿Pero sería posible hacer girar esta palanca a

3000 rpm? Pues esto es precisamente lo que hace el motor de su vehículo. .

Medidas de Potencia (conversión) .

HP 0,745 kw

1 HP 1,014 CV

1 CV 0,736 kw

1 CV 0,9862 HP

1 kw 1,340 HP

1 kwh 860 Kcal

1 kwh 1,36 CVh

.

Ahora que conocemos el torque y la potencia, ¿Cómo los aprovecho en mi vehículo?

En todos los motores de combustión interna el torque no es constante, depende de la

velocidad de giro del motor (rpm). Normalmente inicia con un torque muy bajo,

aumenta paulatinamente hasta alcanzar un máximo y posteriormente vuelve a caer. La

potencia al ser el resultado de la multiplicación del torque y las rpm tiene un

comportamiento similar aunque la potencia máxima se alcanza a una mayor velocidad

de giro del motor debido a que a pesar de que el torque ya no se encuentra en su

máximo este es compensado por el aumento de la velocidad del motor, la potencia

finalmente cae cuando el torque es definitivamente muy bajo y no puede ser

compensado por la velocidad de giro del motor.

Desde el punto de vista del conductor, el torque es el responsable de empujar el

vehículo o bien de acelerarlo. El torque es esa sensación en el respaldo al pisar el

acelerador. El torque máximo se alcanza en aquel punto del tacómetro en donde la

sensación de aceleración es máxima. Si usted quiere remolcar una carga o subir una

cuesta, se recomienda mantener el motor en su régimen de giro de máximo torque.

La potencia no está ligada directamente con la aceleración del vehículo, sino más bien,

es una medida de cuánto dura la aceleración o esa sensación de empuje. Una vez que se

ha alcanzado el torque máximo el vehículo empieza a acelerar contundentemente hasta

cierto punto en el tacómetro en donde el vehículo ya no acelera con la misma

intensidad, el punto en el tacómetro hasta el cual el vehículo logra acelerar

contundentemente es el de máxima potencia. Si usted quiere realizar rebases en la

carretera se recomienda colocar una marcha tal que el tacómetro caiga en el punto de

Page 229: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

29

máximo torque y de ahí acelerar hasta el punto de máxima potencia.

¿Qué es más importante el torque o la potencia?

Depende. Cada motor se diseña según el uso que se le pretende dar. Si lo que se desea

es un vehículo de carga con un motor fuerte o bien un vehículo que responda bien en

ciudad a bajas rpm, entonces se deberá buscar un alto torque aunque la potencia no sea

muy alta. Por lo contrario, si lo que se desea es un vehículo con capacidad de ser

revolucionado para responder en autopista a altas velocidades, entonces se deberá

buscar potencia aunque el torque no sea muy alto.

Como en todas las cosas, lo mejor es buscar un equilibrio entre ambas para tener un

vehículo versátil capaz de responder a cualquier situación.

…………………………………

Veamos un ejemplo de cálculo de la potencia de un motor

La potencia es el producto del momento torsor o torque por la velocidad angular.

P = M ω

M = Momento o torque = 185 Nm ( Joule )

ω = 4500 r.p.m velocidad angular ( 1/seg.)

n = número de revoluciones por minuto, 1/seg.

ω = 2π n / 60 [1/seg]

ω = 2π n / 60 = π n / 30 [ 1/seg.]

ω = π 4500 / 30 = 471.24 [ 1/seg.]

Reemplazando valores:

P = 185 (J) × 471.24 (1/seg.) = 87180 J/seg. ( W )

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Pero dado que la potencia se pide en HP

1 HP = 745.7 W:

P = 87180 / 745.7 = 117 HP

…………………………………..

Page 230: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

30

TEMA 47- CICLO DIESEL

El ciclo Diesel, por su ciclo particular, puede adoptarse sólo en motores muy lentos

como los grandes motores navales. En motores a tracción, el tiempo disponible para

terminar la combustión es menor al aumentar el régimen de rotación del motor, por lo

que hay que anticipar la combustión inyectando combustible antes del PMS. En vez del

ciclo Diesel, se adopta para motores más rápidos el ciclo Diesel mixto – Sabathé, que

prevé una fase de combustión dividida en dos partes como se explicará más adelante.

Un ciclo Diesel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En

un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la

combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En

su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido

Page 231: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

31

hasta una temperatura superior a la de autoignición del gasóleo y el combustible es

inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.

Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen

en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un

motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla).

La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que

el de gasolina puede rondar un valor de 8.

Para modelar el comportamiento del motor diesel se considera un ciclo Diesel de seis

pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:

Admisión 0→1

El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la

cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la

válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una

recta horizontal.

Compresión 1→2

El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire

no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es

adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no

lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.

Combustión 2→3

Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco

después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al

ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una

adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se

diferencia del Otto.

Page 232: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

32

Expansión 3→4

La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De

nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.

Escape 4→1 y 1→0

Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una

temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría

en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el

exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma

podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado.

Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el

volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el

pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara

A→E, cerrando el ciclo.

En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es

un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de

gasolina.

Cálculo del Rendimiento Térmico en función de (relación de compresión

volumétrica) y de ( relación de inyección o relación de combustión)

Definimos a = V1 / V2 = V4 / V2 como la relación de compresión volumétrica (a)

Definimos a = V3 / V2 como la relación de inyección (b)

Un ciclo diesel contiene dos proceso adiabáticos, 1→2 y 3→4, en los que no se

intercambia calor. De los otros dos, en el calentamiento a presión constante 2→3, el gas

recibe una cantidad de calor | Qs | del exterior igual a:

QS = Cp ( T3 – T2 )

Page 233: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

33

En el enfriamiento a volumen constante 4→1 el sistema cede una cantidad de calor al

ambiente QP

QP = Cv ( T4 – T1 )

El rendimiento del ciclo será entonces

Ahora tenemos que calcular las temperaturas intermedias: T2; T3 y T4

Reemplazando éstas temperaturas en la expresión del rendimiento nos queda:

Page 234: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

34

Como se ve, el rendimiento teórico de un ciclo Diesel ideal depende no sólo de la

relación de compresión volumétrica , y de , sino también de que es una medida

indirecta del tiempo que dura la presión máxima Pmax.. Los valores de varían entre 13 y

18 para muchos motores pudiendo llegar en algunos hasta 21; y suele variar entre 2 a

5 y admitiendo que = 1.41 se obtienen valores de rendimiento ideal entre 0.49 (49%) y

0.52 (52%) mucho mayores que el ciclo Otto. En la práctica los valores del rendimiento

real son algo menores que los citados.

Para aumentar el rendimiento teórico del ciclo Diesel hay que aumentar y disminuir .

Si tomamos un valor de constante vemos que el rendimiento aumenta con la

disminución de como dijimos anteriormente, lo cual se ve en el siguiente gráfico

Page 235: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

35

Comparación con el ciclo Otto

Según indicamos en la introducción, el ciclo Diesel ideal se distingue del Otto ideal en la

fase de combustión, que en el ciclo Otto se supone a volumen constante y en el Diesel a

presión constante. Por ello el rendimiento es diferente.

Desde el punto de vista del trabajo, vemos que es mayor el ciclo Otto al Diesel y desde

el punto de vista del rendimiento vemos que la eficiencia de un ciclo Diesel se diferencia

de la de un ciclo Otto por el factor entre corchetes. Este factor siempre mayor que la

unidad, por lo tanto aumenta el termino que está afectado por el signo menos (-) en la

ecuación, ello ocasiona una disminución del rendimiento térmico del ciclo Diesel en

comparación con el ciclo Otto suponiendo que ambos ciclos tienen la misma relación

de compresión

(otto) diesel

COMPARACION ENTRE LOS DOS CICLOS TEÓRICOS

Para comparar los ciclos que acabamos de examinar, es necesario tomar como referencia

algunos de los factores: la relación de compresión, la presión máxima, la cantidad de calor

suministrado, la de calor sustraído y el trabajo útil. En la figura siguiente se han trazado las

curvas de las variaciones de rendimiento térmico ideal al variar la relación de compresión

para los ciclos Otto y Diesel.

Page 236: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

36

Como se ve en la figura, los rendimientos térmicos de los ciclos teóricos crecen al aumentar

la relación de compresión.

Para una misma relación de compresión, el ciclo Otto da mayor rendimiento que el Diesel.

Hay que considerar, sin embargo, que para los motores Diesel, la relación de compresión

varía entre 14 y 22, en tanto que, para los motores de encendido por chispa, no rebasa por lo

general, el valor de 10

Con objeto de evitar el fenómeno de detonancia, que consiste en un autoencendido y una

combustión anticipada y da como consecuencia una onda de choque que golpea al pistón y

hace reducir la potencia del motor.

Por tanto, el motor Diesel tiene un rendimiento térmico superior al motor Otto.

……………………………..

Page 237: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

37

PRESIÓN MEDIA DE UN CICLO

La presión media en el cilindro varía constantemente

durante el ciclo. Si se tuviese en cuenta esta variación para

valorar la potencia, se incurriría en cálculos muy complejos,

pero tomando un valor medio de presión, resultan muy

sencillos y simplificados. Haciendo referencia a un

diagrama genérico en coordenadas P – V como en la

siguiente figura, la superficie del ciclo representa el trabajo

útil realizado por el fluido. Si sobre la base del diagrama trazamos un rectángulo A B C D

cuya área sea igual a la del ciclo, la altura del rectángulo representa la Presión Media pm

del ciclo considerado. Multiplicando el valor de esta presión media en Kg/cm2 por la

cilindrada en centímetros cúbicos, se obtiene para el trabajo útil el mismo valor representado

por la superficie del ciclo.

El concepto de presión media se aplica de igual manera en el caso de los ciclos reales y,

como veremos, también en la valoración de la potencia de los motores que se mide en el

extremo del árbol cigüeñal.

Page 238: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

38

TEMA 48- CICLO SEMIDIESEL ( SABATHÉ)

El ciclo Diesel teórico es una aproximación al proceso de motores excepcionalmente

grandes y lentos.

Para motores dedicados a vehículos se emplea el ciclo mixto de Sabathé.

Page 239: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

39

Debido a las altas revoluciones que gira el motor, se tiene poco tiempo disponible para

la combustión de la mezcla, por lo que hay que hacerla en dos etapas:

Combustión isocora 2-3 (v=cte.)

Combustión isobárica 3-4 (P=cte.)

Las condiciones reales de funcionamiento de los motores Diesel difieren notablemente

de las que se hallan representadas en los ciclos ideales Otto y Diesel. Para los motores

Diesel, el proceso de combustión se aproxima a una transformación a presión constante

sólo en el caso de motores excepcionalmente grandes y lentos.

El diagrama real muestra que, en condiciones normales, la combustión se lleva a cabo,

en los motores Diesel, según un proceso que se aproxima a la combustión de una

transformación a volumen constante y otra a presión constante.

Se puede afirmar que, en la práctica, los ciclos Otto y Diesel se aproximan mucho en la

forma, hasta el punto de poderlos considerar como un caso particular del ciclo mixto, en

el cual, parte de la combustión se verifica a volumen constante, y parte, a presión

constante. Este ciclo teórico está representado en la figura se conoce con el nombre de

ciclo mixto de Sabathé.

En este ciclo, después de la fase de compresión adiabática 1-2, sobreviene, como en el

ciclo Otto, una fase de combustión a volumen constante 2-3, durante la cual se introduce

la cantidad de calor Q1’ y luego, como en el ciclo Diesel, una fase de 3-4 de combustión

a presión constante, en cuyo decurso se introduce la cantidad de calor Q1”

Siguen después dos fases sucesivas, a saber: una, de expansión adiabática 4-5, y otra, de

sustracción, a volumen constante 5-1, de la cantidad de calor Q2.

De este modo, el rendimiento térmico ideal del ciclo Sabathé teórico vale:

Page 240: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

40

Page 241: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

41

Page 242: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

42

Para aumentar el rendimiento térmico del ciclo debe aumentar , aumentar y disminuir

.

Suponiendo que = 1 V3 = V4 resulta el rendimiento térmico del ciclo Otto

Suponiendo que = 1 P2 = P3 resulta el rendimiento del ciclo Diesel

…………………………..

Page 243: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

43

COMPRESORES

El compresor de Aire, también llamado Bomba de Aire, es una máquina que disminuye

el volumen de una determinada cantidad de aire y aumenta su presión por

procedimientos mecánicos. El aire comprimido posee una gran energía potencial, ya que

si eliminamos la presión exterior, se expandirá rápidamente. El control de ésta fuerza

expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas máquinas y herramientas.

En general hay dos tipos de Compresores:

Los Compresores Alternativos o de Desplazamiento: se utilizan para generar presiones

altas mediante un cilindro y un pistón. Cuando el pistón se mueve hacia la derecha, el

aire entra al cilindro por la válvula de admisión; cuando se mueve hacia la izquierda, el

aire se comprime y pasa a un depósito por un conducto muy fino.

Los Compresores Rotativos: producen presiones medias y bajas. Están compuestas por

una rueda con palas que gira en el interior de un recinto circular cerrado. El aire se

introduce por el centro de la rueda y es acelerado por la fuerza centrífuga que produce el

giro de las palas. La energía del aire en movimiento se transforma en un aumento de

presión en el difusor y el aire comprimido pasa al depósito por un conducto fino.

El aire, al comprimirlo, también se calienta. Las moléculas de aire chocan con más

frecuencia unas con otras si están más apretadas, y la energía producida por éstas

colisiones se manifiesta en forma de calor. Para evitar éste calentamiento haya que

enfriar el aire con agua o aire frio antes de llevarlo al depósito. La producción de aire

comprimido a alta presión sigue varias etapas de compresión; en cada cilindro se ve

comprimido más el aire y se enfría entre etapa y etapa. ( este tema se desarrolla más

adelante ).

En las figuras de abajo vemos los dos tipos de compresores

Page 244: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

44

LOS PROCESOS DE COMPRESION

Conceptos

1-2 : proceso isotérmico sin fricción (n=1)

1-2’ : proceso sin fricción reversible ( adiabático) (n=)

Page 245: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

45

1-2” : proceso politropico con fricción ( n)

1-2* : proceso politropico con refrigeración ) (n)

…………………………………………………………

Los compresores alternativos son máquinas de desplazamiento positivo en las cuales

sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de un espacio cerrado y, mediante

un pistón, se eleva su presión hasta que se llega a un valor de la misma que consigue

abrir las válvulas de descarga.

El elemento básico de compresión de los compresores alternativos consiste en un sólo

cilindro en el que una sola cara del pistón es la que actúa sobre el gas (simple efecto).

Los compresores alternativos funcionan con el principio adiabático mediante el cual se

introduce el gas en el cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y comprime en el

cilindro y sale por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga.

Los compresores alternativos tienen piezas en contacto, como los anillos de los pistones

con las paredes de cilindro, resortes y placas o discos de válvulas que se acoplan con sus

asientos y entre la empaquetadura y la biela. Todas estas partes están sujetas a desgaste

por fricción.

Los compresores alternativos pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar. Si el proceso

lo permite, es preferible tener un compresor lubricado, porque las piezas durarán más.

Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la carbonización del aceite en

las válvulas puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Además, los tubos de

descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo que se debe

colocar corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas más grandes

en los compresores con cilindros lubricados son la suciedad y la humedad, pues

destruyen la película de aceite dentro del cilindro.

La mejor forma de evitar la mugre es utilizar coladores temporales en la succión para

tener un sistema limpio al arranque. La humedad y los condensables que llegan a la

succión del compresor se pueden evitar con un separador eficaz colocado lo más cerca

Page 246: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

46

que sea posible del compresor. Si se va a comprimir un gas húmedo, habrá que pensar en

camisas de vapor o precalentamiento del gas de admisión, corriente abajo del separador.

Compresor alternativo sin espacio nocivo

El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entiende fácilmente mediante el

estudio de un compresor monofásico de pistón funcionando sin pérdidas y que el gas

comprimido sea perfecto.

El espacio muerto o volumen nocivo V0 corresponde al volumen residual entre el pistón

y el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto

muerto, estimándose entre un 3% ¸ 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de

compresor.

el ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se encuentra facilmente mediante el

estudio de un compresor monofasico de piston funcionando sin perdidas y que el gas

comprimiso sea perfecto.

Se muestra a continuación el ciclo termodinámico y un grafico del motor.

Page 247: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

47

CLASIFICACION DE LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS

Page 248: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

48

TEMA 49- TRABAJO DE COMPRESION ISOTERMICO SIN

ESPACIO NOCIVO

Estudiaremos los compresores de aire del punto de vista termodinámico. Supongamos

una máquina ideal cuyo funcionamiento no es posible en la práctica ya que la

compresión isotérmica es difícil de hacer y además suponemos la inexistencia de un

volumen que deben ocupar las válvulas llamado “volumen nocivo”

Se debe calcular el área pintada del diagrama, es decir hay que resolver la integral

v dP

Page 249: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

49

TEMA 50- TRABAJO DE COMPRESION ADIABATICO SIN

ESPACIO NOCIVO

………………………………………………….

Page 250: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

50

TEMA 51- TRABAJO DE COMPRESION ISOTERMICO

CON ESPACIO NOCIVO

El “espacio nocivo” es un volumen del cilindro donde se encuentran las válvulas y la cabeza del

émbolo. Durante el funcionamiento del compresor, la biela y el vástago se dilatan y las válvulas están

dispuestas de tal manera para que se abran hacia adentro del cilindro por lo que es necesario la

existencia de éste espacio para además absorber las dilataciones.

El “espacio nocivo” hace disminuir la capacidad de aspiración de aire para una misma relación de

compresión y el trabajo de compresión será menor y se calcula restando el trabajo de compresión al

trabajo de expansión.

V0 = volumen nocivo

Vd = volumen desplazado

VC = volumen del cilindro

Page 251: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

51

El trabajo neto representado por el área pintada del ciclo es el resultado de la diferencia

Page 252: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

52

entre el trabajo de compresión 12 meno el trabajo de expansión 34.

Si = 0 V0 = 0 ya que V1 0 tenemos en éste caso

WC = P1 V1 Ln ( P2 / P1 ) trabajo sin espacio nocivo

Si = 1 V0 = V1 es un ABSURDO !!!

La potencia teórica del compresor se puede calcular como:

NC = VD [m3/kg]. aire [kg/m

3] . h [KJ/kg] simplificando unidades

NC = VD aire . h / 3600 [Kg/seg.] = [KW]

La potencia real del compresor es:

NC’ = Va aire . h

Al ser Va VD NC’ NC ( la potencia real es MENOR a la teórica)

La razón principal de que el volumen aspirado es MENOR al volumen desplazado

radica en el “espacio nocivo” y en que la densidad del aire al final de la carrera de

aspiración es MENOR a la del inicio de la aspiración por ser mayor el volumen

específico.

……………………………………

Page 253: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

53

TEMA 52- TRABAJO DE COMPRESION ADIABATICO

CON ESPACIO NOCIVO

El espacio muerto o volumen nocivo V0 corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del

cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto, estimándose entre un

3% ¸ 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor.

Esto provoca un retraso en la aspiración debido a que el aire almacenado en el volumen residual a la

presión P2 debe expansionarse hasta la presión P1 antes de permitir la entrada de aire en el cilindro.

Sin embargo, su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por

otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón; se puede considerar

que ambos efectos se compensan bajo el punto de vista energético.

Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumen residual entre el punto muerto superior PMS y

las válvulas de aspiración y escape sería 0; esta salvedad se hace en virtud de que la compresión del

aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un volumen nulo, existiendo al extremo de la carrera

del compresor un espacio muerto, que se corresponde con el menor volumen ocupado por el gas en el

proceso de compresión.

La causa principal de la disminución del volumen de vapor efectivamente desplazado por un compresor

es el espacio muerto o perjudicial. En el ciclo interno teórico del compresor.

En la práctica los motores reales que durante su funcionamiento, tanto la biela , el vástago y el pistón se

dilatan , luego es necesario la existencia de un espacio libre para esa dilatación, ese volumen se llama

“espacio nocivo”

Page 254: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

54

Tanto la transformación adiabática como la isotérmica son imposibles de realizar en la práctica. La

primera requiere que no haya ningún intercambio de calor entre el gas y las paredes del compresor y la

segunda que el calor se transmita tan perfectamente que la temperatura del gas se mantenga constante a

pesar del aumento de energía que provoca la compresión. Por consiguiente, en la realidad, la

compresión sigue una transformación politrópica intermediaria entre la adiabática y la isotérmica.

Como en el caso del aire, el exponente adiabático γ es aproximadamente igual a 1,4, los valores del

exponente de la politrópica estarán comprendidos entre este valor y 1 que es el exponente de la

isotermica.

Page 255: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

55

Ésta ecuación se refiere al trabajo de un compresor adiabático, pero las compresiones reales se

toma el exponente politropico “n” = 1.32 (1.41) por eso la formula de arriba es teórica,

Si = 0 V0 = 0 ya que V1 0 tenemos en éste caso

trabajo de compresión sin espacio nocivo

Si = 1 V0 = V1 es un ABSURDO !!!

……………………………………………………………………………….

La Presión media efectiva se define como la presión constante necesaria para desarrollar el mismo

trabajo que se desarrolla en el diagrama convencional.

Page 256: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

56

TEMA 53- COMPRESION EN DOS ETAPAS

Es deseable realizar sucesivas compresiones y enfriamientos intermedios a los fines de aproximarnos lo

más posible a la compresión isotérmica. Vemos a continuación, el croquis de un compresor alternativo

de dos etapas.

El área rayada de la figura ilustra el ahorro de trabajo del compresor al hacerlo en dos etapas.es decir:

1-a : compresión en el cilindro de baja presión

a-b : enfriamiento del aire a presión constante

b-2 : compresión en el cilindro de alta presión

Page 257: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

57

El 2 en la ecuación indica la cantidad de etapas

Lo ideal es que ambos compresores realicen la misma cantidad de trabajo, por lo que el trabajo total del

compresión también puede escribirse como:

Page 258: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

58

Para un compresor de dos etapas, el trabajo teórico efectuado es mínimo cuando los dos cilindros

logran idéntica cantidad de trabajo, para ello la presión intermedia o sea en el refrigerador será:

Calculo de la presión intermedia: ( presión en el refrigerador)

Page 259: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

59

TEMA 54- COMPRESOR DE TRES ETAPAS

El trabajo total de compresión será la suma de cada uno de los trabajos parciales , obtenemos como

expresión final:

El 3 en la ecuación indica la cantidad de etapas.

Las presiones en cada refrigerador valen:

Page 260: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

60

Pa = P1 3 P2 / P1

Pb = Pa 3 P2 / P1

El 3 en la raíz indica la cantidad de etapas.

Estas presiones intermedias se calculan de la siguiente manera:

Llamamos:

X = Pa / P1

Y = Pb / Pa

Z = P2 / Pb

Haciendo el producto

XYZ = P2 / P1 = C (1) C=cte

Llamamos a

H = X+Y+Z (2)

Page 261: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

61

Page 262: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

62

DEFINICIÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Cuando hay un gradiente de temperatura en un sistema o cuando se ponen en

contacto dos sistemas a diferentes temperaturas, se transfiere energía. El proceso por el

cual tiene lugar el transporte de la energía se conoce como transferencia de calor. Lo que

está en tránsito, llamado calor no puede ser medido u observado directamente, pero los

efectos que produce son posibles de observar y medir.

La Transferencia de Calor puede ser por Conducción, por Convección y por

Radiación.

Conducción: la conducción es un proceso mediante el cual fluye calor desde una región

de temperatura alta a una región de temperatura baja dentro de un medio (sólido, líquido

o gaseoso) o entre medios diferentes en contacto físico directo.

Convección: es un proceso de transporte de energía por la acción combinada de

conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de mezcla. La

transferencia de energía por convección, desde una superficie cuya temperatura es

superior a la del fluido que la rodea, se realiza en varias etapas. Primero el calor fluirá

por conducción desde la superficie hacia las partículas adyacentes de fluido. La energía

así transferida servirá para incrementar la temperatura y la energía interna de esas

partículas del fluido. Las partículas del fluido se moverán hacia una región del fluido

con temperatura más baja, donde se mezclarán y transferirán una parte de su energía a

otras partículas del fluido. El flujo en este caso es de fluido y de energía. La energía es

almacenada en las partículas del fluido y transportada como resultado del movimiento de

masa.

Radiación: es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo de alta temperatura a

un cuerpo de baja temperatura, cuando éstos están separados por un espacio que incluso

puede ser el vacío. El movimiento del calor radiante en el espacio es similar al de la

propagación de la luz y puede describirse con la teoría ondulatoria. Cuando las ondas de

radiación se encuentran algún otro objeto su energía es absorbida cerca de su superficie.

Page 263: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

63

TEMA 55- TRANSMISION DEL CALOR POR CONDUCCION

EN PARED PLANA HOMOGENEA

Supongamos una pared plana de espesor e ; la cara A de la pared tiene una temperatura t1 y la cara B

una temperatura t2 t1 . la ecuación de Fourier es :

Q = - SZ ( t2-t1) / e ecuación de Fourier

( t2-t1) / e es el “gradiente térmico” [°C/m]

Significa la rapidez de la variación de la temperatura con respecto al espesor en la dirección del flujo.

Como la transmisión del calor tiene el sentido que estipula el “2do. Principio de la termodinámica, o

sea el de las temperaturas decrecientes ; por lo tanto el gradiente térmico es negativo.

: coeficiente de transmisión por conducción ( depende del material)

S = área de transmisión [m2]

Z = tiempo [ hs.]

Como vemos , Q es directamente proporcional al salto térmico e inversamente proporcional al espesor

de pared.

El flujo de calor Q es perpendicular a la superficie de transmisión.

Si consideramos que Q= cte. se dice que el régimen de flujo de calor es estable o estacionario.

Page 264: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

64

Si queremos calcular el valor de la temperatura existente en el interior de la pared de espesor x y

teniendo en cuenta éste estado de régimen:

……………………………………………………….

Page 265: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

65

TRANSMISION POR CONDUCCION EN PAREDES COMPUESTAS

…………………………………………

Si el cuerpo no es homogéneo, y la superficie transversal no es uniforme, para el cálculo del flujo de

calor es necesario dividir al cuerpo en tantas partes como para considerar al cuerpo como si fuese

homogéneo, la ecuación de Fourier será:

Ec. de Fourier para cuerpos No homogéneos

……………………………………………

Page 266: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

66

TEMA 56- TRANSMISION POR CONDUCCION

EN CILINDROS HUECOS

Page 267: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

67

Esta ecuación (1) debe usarse con mucho cuidado, cuando el radio interno se aproxima al radio externo

es decir cuando el espesor de pared es muy pequeño el error de la ecuación aumenta a medida que Ri

tiende a ser igual a Re . veamos el siguiente análisis:

Page 268: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

68

Cuándo Ri Re Ln 1 = 0 por lo tanto q = ∞ ésto es un ABSURDO !!

Por que debería ser infinito el calor que atraviesa un espesor infinitesimal de material ?

A medida que el espesor dR tiende a cero, también el dT tiende a cero es decir dT = 0 de manera que

el cociente dt /dR = infinito.

Esto sucede por un defecto matemático de la ecuación (1) que no describe exactamente la realidad

física.

De hecho además en la práctica hay otras razones para que el calor no sea infinito , en primer lugar

porque para ello sería necesario que la fuente de calor tuviese una capacidad calórica infinita de emitir

energía, y en segundo lugar porque además de la resistencia por conducción normalmente también

existe una resistencia adicional por convección , que limita el flujo de calor de modo que no pueda ser

infinito.

Si queremos calcular el valor de la temperatura en el interior (T) de la pared del tubo, hacemos:

Siempre considerando el estado fe flujo estacionario.

Page 269: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

69

……………………………………………………..

Page 270: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

70

Page 271: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

71

TEMA 57- TRANSMISION DEL CALOR POR CONVECCION

Habíamos definido que el calor se transmite por convección en el caso de los fluidos:

gases o líquidos, cuando absorben calor en una porción y luego esta porción se desplaza

mezclándose con otra más fría cediéndole calor. Este movimiento se denomina corriente

de convección y si es provocado por diferencias de densidad debidas a diferencias de

temperatura, tenemos, el fenómeno de convección natural.

Si, en cambio, el movimiento del fluido se efectúa por medio de un agitador, una bomba

o un ventilador, corresponde a la convección forzada.

Cuando un fluido está en contacto con una pared sólida de mayor temperatura, aunque el

fluido se encuentra en movimiento turbulento, se forma junto a la pared una película de

fluido. Cuanto más turbulenta sea el movimiento, más delgada es la película, también

llamada capa límite. El fenómeno de transmisión de calor de la pared al fluido se realiza

por conducción a través de la película y a la vez por convección del fluido. En conjunto,

el fenómeno es complejo porque la cantidad de calor transmitida dependerá de varios

factores concurrentes: como ser la naturaleza del fluido ; el estado del fluido (densidad,

viscosidad, calor específico y conductibilidad térmica); de la velocidad del fluido (si es

mínima, el movimiento será laminar y si es considerable, turbulento); de que el

intercambio de calor provoque evaporación, condensación o formación de la película; de

la forma del sólido (pared plana o curva, vertical u horizontal); de la naturaleza de la

superficie (rugosa o lisa) y de que el sólido sea buen o mal conductor.

La cantidad de calor transmitida por convección se expresa por la Ley de Newton:

Q = h S Z ( T2 - T ) ecuación de Newton

En esta expresión empírica, “h” se denomina coeficiente de convección, coeficiente

pelicular o coeficiente de conductibilidad exterior, y se puede definir como la cantidad

de calor que se transmite a través de la unidad de superficie de separación entre el sólido

Page 272: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

72

y el fluido, cuando la diferencia de temperatura entre ambos es unitaria y en la unidad de

tiempo. El coeficiente pelicular tiene en cuenta todas las variables enunciadas

anteriormente por lo que el problema fundamental de la transmisión de calor por

convección es encontrar el valor que resulte apropiado para cada caso en particular. Su

valor en el sistema técnico oscila entre unas pocas unidades (aire casi quieto) y más de

10.000 (vapor saturado que se condensa).

Unidades de h: si despejamos en la expresión de Newton:

h = Q / S Z ( T2 - T )

En el sistema SI.: h = J / m2 Seg. °K o bién h= W / m

2 °K

En el Sistema Técnico: Cal / m2 hs. °C

En el Sistema c.g.s h = Cal / cm2 Seg. °C

Un ejemplo de caso de convección natural es el de un recipiente que contiene un fluido,

las paredes horizontales del recipiente se suponen aisladas y las verticales actúan como

Page 273: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

73

fuente caliente y fría, las flechas punteadas indican la forma en que se produce la

circulación.

La importancia de la transmisión por convección es mayor al de la conductibilidad,

puede verse éste efecto colocando en un tubo de ensayo lleno de agua un trozo de hielo

en el fondo, calentamos con un mechero por la parte de arriba se observa que el agua

llega a hervir antes de que se funda el hielo, esto sucede porque el agua caliente queda

en la parte superior por su menor peso específico con la del hielo y el calor se transmite

a través del tubo solo por conducción.

Si por el contrario, el hielo se coloca en la parte superior del tubo y se calienta con el

mechero por debajo se produce rápidamente la fusión del hielo debido a que el flujo

caliente asciende por ser mas liviano y funde el hielo.

………………………………………………….

Page 274: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

74

TEMA 58- COEFICIENTO TOTAL DE TRANSMISION DEL

CALOR

Transmisión del calor por conducción y convección

Uno de los casos más frecuentes en la práctica es la transmisión de calor entre sólidos y

fluidos, o sea la transmisión mediante la conducción y convección combinadas.

Consideraremos una pared sólida que separa dos fluidos, uno de los cuales calienta al

otro trazamos en ordenadas el eje correspondiente a las caídas de temperaturas

producidas en la pared y cada una de las películas.

Llamaremos t1 la temperatura del fluido caliente y su coeficiente pelicular (h1) , ta la

temperatura del de la cara A del cuerpo solido de coeficiente de transmisión () ; tb es la

temperatura de la cara B del sólido y tb es la temperatura de fluido frío y su coeficiente

pelicular (h2)

las expresiones anteriores pueden escribirse como:

Page 275: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

75

sumando miembro a miembro y simplificando:

El coeficiente K se denomina coeficiente de transmisión de calor total, y se lo puede definir como

la cantidad de calor que en la unidad de tiempo atraviesa la unidad de superficie de pared

interpuesta entre dos fluidos, cuando la diferencia de temperatura entre ambos fluidos es

unitaria.

Para dos paredes superpuestas de distinto material:

…………………………………………

Page 276: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

76

TEMA 59- TRANSMISION DEL CALOR POR RADIACION

Todo cuerpo cuya temperatura sea superior al Cero Absoluto (0K) (-273°C) emite

energía radiante a expensas de su energía interna por medio de ondas electromagnéticas

que se propagan a la velocidad de la luz en el vacio o en cualquier medio , en línea recta

y en todas las direcciones.

La transmisión por Radiación cumple con las leyes de la óptica , es decir , la energía

radiante se refleja, se refracta, se absorbe y se polariza etc. Las radiaciones

electromagnéticas se caracterizan por su longitud de onda y su frecuencia.

Todos los cuerpos calientes emiten energía radiante; por ejemplo la energía irradiada por

una estufa se propaga en el aire hasta encontrar en su camino a algún cuerpo ; parte de

ésta energía irradiada se refleja , parte se absorbe y el resto se transmite a través del

cuerpo.

Cuerpo negro ideal

Es aquel cuerpo que absorbe todas las radiaciones que recibe.

No se conoce ningún “cuerpo negro ideal” , sin embargo hay superficies recubiertas con

negro que forman una buena aproximación al negro ideal.

Ej: si dos monedas de plata , una pulida y la otra pintada de negro se introduce en un

horno , la moneda pintada de negro absorberá mas energía que la pulida y también

irradiará mas energía, es decir que todos los cuerpos que absorben bien la energía son a

su vez buenos emisores o radiadores.

La cantidad de energía irradiada por un cuerpo depende solo de su temperatura y de la

naturaleza de su superficie y ésta energía crece rápidamente cuando su temperatura

aumenta.

Page 277: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

77

Q = S T4

= poder emisivo

S = superficie del cuerpo

T = temperatura absoluta del cuerpo

El intercambio de energía radiante se lleva a cabo entre dos cuerpos cualquiera ; la

rapidez del calor transferido entre ambos cuerpos a diferentes temperatura es:

Q = S ( T14 – T24 ) Ley de stefan boltzmann

T1 = temperatura de la superficie que irradia

T2 = temperatura de la superficie irradiada

T1 T2

= 4.95x10-8

Kcal / hs. m2 °K (Es una constante universal)

……………………………………………

Page 278: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

78

TEMA 60- INTERCAMBIADOR DE CALOR (DMLT)

Consideramos un intercambiador de calor formado por un sistema de tubos

concéntricos en donde el fluido más caliente circula por el tubo interior y el fluido

mas frio circula por el espacio anular. A medida que circulan los fluidos la

temperatura de ellos va cambiado entre la entra y la salida , mientras el fluido mas

caliente se enfría , el fluido frio se va calentando ; el salto térmico entre la entrada y

Page 279: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

79

la salida del fluido mas frio será positivo y el salto térmico del fluido más caliente

será negativo.

Nomenclatura

T1 : temperatura de entrada del fluido caliente

m1 : masa del fluido caliente

C1 : calor especifico a P=cte. del fluido caliente

T2 : temperatura de salida del fluido caliente

t1 : temperatura de entrada del fluido frio

m1 : masa del fluido frio

C2 : calor especifico a P=cte. del fluido frio

t2 : temperatura de salida del fluido frio

Consideraciones

Flujo paralele en igual sentido

Flujo de calor transmitido positivo

El tubo exterior está perfectamente aislado de manera que no hay pérdidas da calor al

exterior

La cantidad de calor que cede el fluido caliente es totalmente absorbido por el fluido

frio

Page 280: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

80

Aplicando la ecuación general de la Calorimetría tenemos:

Page 281: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

81

Aplicando la ecuación de Fourier (1) tenemos:

dQ = K. S. t (c)

igualando las ecuaciones (a) = (c)

Page 282: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

82

Si representamos gráficamente las variaciones de temperatura de ambos fluidos entre la

entrada y la salida del tubo es decir a lo largo L de transmisión

Del análisis de éstos diagramas vemos que mientras la temperatura del fluido caliente

disminuye, la temperatura del fluido frio aumenta.

Para el caso de corrientes paralelas de igual sentido las diferencias de

temperaturas entre ambos fluidos va disminuyendo en cada sección en forma

asintótica hacia el valor cero.

Además vemos que la máxima temperatura que adquiere el fluido frio 2 es siempre

menor a la mínima temperatura que adquiere el fluido caliente 1 ; es decir t2 T2

Para el caso de corrientes paralelas en contracorriente las diferencias de

temperaturas entre ambos fluidos casi que se mantiene constante en cada sección

Comparando ambos gráficos , vemos que es más ventajoso utilizar el sentido de

contracorriente porque el salto térmico es prácticamente constante a lo largo de toda la

superficie de transmisión, mientras que en la corriente de igual sentido se aprovecha

más la superficie a la entrada que a la salida ya que los saltos térmicos son importantes.

Page 283: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

83

En la corriente de igual sentido el salto térmico a la entrada es muy alto, lo cual provoca

tensiones térmicas internas en el material y solo se aprovecha el calor a la entrada ,

mientras que el sentido de contracorriente el gradiente térmico es más uniforme y se

aprovecha toda la superficie a lo largo del conducto.

………………………………………………………………..

Page 284: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

84

CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACION

Evalúese Ud. mismo. Trate de contestar las preguntas sin ver previamente las respuestas que

están al final del cuestionario

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMIDINAMICA

CUESTIONARIO 1

Elige la respuesta correcta:

1) La ecuación de estado del gas ideal reproduce el comportamiento de los gases

cuando se encuentran a baja densidad. 1.1 verdadero 1.2 falso

2) La ecuación de estado de Van der Waals sólo es aplicable cuando se

está produciendo el cambio de fase de vapor a líquido.

2.1 verdadero 2.2 falso

3) La capacidad calorífica de un gas ideal monoatómico depende de la

temperatura.

3.1 verdadero 3.2 falso

4) El calor necesario para que se produzca un cambio de fase es proporcional al calor latente de la transición y a la masa de la

sustancia.

4.1 verdadero 4.2 falso

5) En la ecuación de estado de Van der Waals se tienen en cuenta las

fuerzas intermoleculares.

5.1 verdadero 5.2 falso

6) A una temperatura superior a la del punto triple la sustancia se

encuentra necesariamente en fase gas.

6.1 verdadero 6.2 falso

Page 285: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

85

7) Cualquier sustancia puede sufrir un cambio de fase de sólido a

líquido aumentando la presión. 7.1 verdadero 7.2 falso

CUESTIONARIO 2

Todos los enunciados siguientes se refieren a transformaciones reversibles realizadas por un gas ideal.

Elige la respuesta correcta:

1) En una expansión isobara:

1.1 la energía interna permanece constante 1.2 el trabajo realizado por el gas es negativo 1.3 el gas cede calor 1.4 el trabajo realizado por el gas es proporcional a la variación de volumen

2) En una compresión isoterma:

2.1 la energía interna disminuye 2.2 el calor y el trabajo coinciden 2.3 la energía interna aumenta 2.4 el gas realiza un trabajo positivo

3) En un calentamiento isócoro:

3.1 la variación de energía interna coincide con el calor absorbido 3.2 el trabajo es proporcional a la variación de presión del gas 3.3 el gas cede calor 3.4 la energía interna disminuye

4) En una expansión adiabática:

4.1 la energía interna aumenta 4.2 la temperatura permanece constante 4.3 el trabajo es proporcional a la variación de temperatura 4.4 el gas absorbe calor

5) En un proceso cíclico:

5.1 el trabajo siempre es positivo 5.2 la energía interna aumenta 5.3 el calor y el trabajo coinciden 5.4 el gas no intercambia calor

6) A lo largo de una transformación adiabática: 6.1 la presión, el volumen y la temperatura están relacionadas, dependiendo del coeficiente adiabático del gas 6.2 la presión, el volumen y la temperatura son independientes entre sí

Page 286: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

86

6.3 la presión y el volumen son inversamente proporcionales 6.4 la temperatura y la presión son directamente proporcionales CUESTIONARIO 3 – SEGUNDO PRINCIPIO- Responda las siguientes preguntas

1) En una máquina térmica, el trabajo producido coincide con el calor cedido a la fuente fría ?

Verdadero

Falso

2) El enunciado d Kelvin-Plank indica que en una transformación cíclica no se puede transformar

todo el calor absorbido en trabajo

Verdadero

Falso

3) La eficiencia de un refrigerador es mayor cuanto menor es el trabajo consumido

Verdadero

Falso

4) En un ciclo de Carnot el trabajo es positivo en todas las transformaciones que lo forman

Verdadero

Falso

5) El rendimiento de una máquina puede ser mayor que el de Carnot si se aumenta la masa del gas

Verdadero

Falso

6) La entropía de una sustancia no puede aumentar bajo ninguna transformación

Verdadero

Falso

7) Cuando sucede un proceso reversible la entropía del universo no varía

Verdadero

Falso

8) Es suficiente que en un proceso se cumpla el Primer Principio para que pueda ocurrir

Verdadero

Falso

Page 287: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

87

RESPUESTAS CORRECTAS A

LOS CUESTIONARIOS

CUEST. 1 CUEST.2 CUEST.3

1.1 1.4 1-F

2.2 2.2 2-V

3.2 3.1 3-V

4.1 4.3 4-F

5.1 5.3 5-F

6.2 6.1 6-F

7.2 7-V

8- F

Page 288: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

88

PROBLEMAS RESUELTOS

Problema N° 1

Un volumen gaseoso de un litro es calentado a presión constante desde 18 °C hasta 58 °C, ¿qué

volumen final ocupará el gas?.

Datos:

V1 = 1 L

P1 = P2 = P = constante

T1 = 18 °C + 273,15 °C (291,15 K)

T2 = 58 °C + 273,15 °C (331,15 K)

Ecuación:

P1.V1/T1 = P2.V2/T2

Si P = constante

V1/T1 = V2/T2

Despejamos V2:

V2 = V1.T2/T1

V2 = 1 l.331,15 K/291,15 K

V2 = 1,14 L

……………………………………………………………………………

Page 289: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

89

Problema N° 2

Una masa gaseosa a 32 °C ejerce una presión de 18 atmósferas, si se mantiene constante el volumen,

qué aumento sufrió el gas al ser calentado a 52 °C?.

Desarrollo

Datos:

T1 = 32 °C ( 305,15 K)

T2 = 52 °C (325,15 K)

P1 = 18 atmósferas

V1 = V2 = V = constante

Ecuación:

P1.V1/T1 = P2.V2/T2

Si V = constante:

P1/T1 = P2/T2

Despejamos P2:

P2 = P1.T2/T1

P2 = 18 atmósferas.325,15 K/305,15 K

P2 = 19,18 atmósferas

………………………………………………

Page 290: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

90

Problema N° 3

Una masa de hidrógeno en condiciones normales ocupa un volumen de 50 litros, ¿cuál es el volumen a

35 °C y 720 mm de Hg?.

Desarrollo

Datos:

V1 = 50 L

P1 = 760 mm Hg

T1 = 273 K

T2 = 308 K

P2 = 720 mm Hg

Ecuación:

P1.V1 / T1 = P2.V2 / T2

V2 = (P1.V1.T2)/(P2.T1)

V2 = (760 x 50 x.308 / (720 x 273

V2 = 59,54 L

…………………………………………

Page 291: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

91

Problema N° 4

Un recipiente está lleno de aire a presión normal y a 0 °C. Posee una válvula de seguridad que pesa 100

N y su sección es de 8 cm ². Si la presión se mantiene normal, se desea saber qué temperatura deberá

alcanzar el recipiente para que la válvula se abra, despreciando la dilatación del recipiente.

Desarrollo

Datos:

P1 = 1 atmósfera

P1 = 101325 Pa

F = 100 N

S = 8 cm ²

S = 0,0008 m ²

t1 = 0 °C

T1 = 0 °C + 273,15 °C

T1 = 273,15 K

Primero calculamos la presión a la que abrirá la válvula:

Pv = F/S

Pv = 100 N/0,0008 m ²

Pv = 125000 Pa

Ecuación:

P1.V1 / T1 = P2.V2 / T2

Se supone volumen constante.

Si V = constante:

P1 / T1 = P2 / T2

T2 = P2.T1/P1

P2 = 125000 x 273 / 101325

T2 = 336,79 K

t2 = 336,79 K - 273,15 K

t2 = 63,82 °C

……………………………………………….

Page 292: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

92

Problemas Resueltos de Sistemas Cerrados

Problema Nº 1

Se calientan 0.06 kg de Oxido de Carbono a la presión constante de 1.23 kg/cm2

desde 0°C hasta 650°C. Calcular:

Los estados inicial y final del gas.

El trabajo externo de expansión en [kJ]

El aumento de energía interna desarrollado [kJ]

Graficar la evolución del gas en el diagrama P;V

Datos

m= 0.06 kg.

P= 1.23 atm.( 124,62 KPa )

T1= 0°C = 273 K

T2= 650°C = 923 K

R (CO2 ) = 0.1889 KJ/Kg K

Cp= 0.846 KJ/Kg K

Cv= 0.657 KJ/Kg K

Solución

V1 = m R T1 / P1 = 0.06 x 0.1889 x 273 / 124.62 = 0.02 m3

V2 = m R T2 / P2 = 0.06 x 0.1889 x 923 / 124.62 = 0.08 m3

v1 = V1 / m = 0.02 / 0.06 = 0.33 m3 / kg

v2 = V2 / m = 0.08 / 0.06 = 1.33 m3 / kg

W = m P ( v2 – v1 ) = 0.06 x 124.62 ( 1.33 – 0.33 ) = 7.48 KPa m3 (KJ)

U = m Cv ( T2 – T1) = 0.06 x 0.657 ( 923 – 273 ) = 25.62 KJ

Qp = m Cp ( T2 – T1) = 0.06 x 0.846 ( 923 – 273 ) = 33 KJ

Se verifica la ecuación del primer principio para sistemas cerrados

Q = U+W

33 = 25.62 + 7.48

Page 293: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

93

Problema Nº 2

Un recipiente de paredes rígidas contiene 0.8 kg. de Aire a la presión atmosférica y a la temperatura de

32ºC recibiendo desde el exterior una cantidad de calor de 45 Kcal. Calcular:

1. La temperatura final que alcanzará el Aire.

2. La presión final obtenida.

3. La variación de energía interna que genera.[kJ]

4. Graficar la evolución en el diagrama P; V.

Datos

m = 0.8 Kg

P1 = 1 atm. (101.32 KPa)

T1= 32°C ( 305 K)

Q= 45 Kcal. ( 146.3 KJ)

R= 0.2870 KJ/Kg K

Cv = 0.718 KJ/Kg K

Solución

Q = m Cv ( T2 – T1) despejando T2

T2 = T1 + Q / m Cv = 305 + 146.3 / 0.8 x 0.715 = 559.70 K ( 286.7°C)

V1 = m R T1 / P1 = 0.8 x 0.2870 x 305 / 101.32 = 0.69 m3

P2 = m R T2 / V2 = 0.8 x 0.2870 x 559.70 / 0.69 = 186.24 KPa

Q = U = m Cv ( T2 – T1) = 0.8 x 0.718 ( 559.70 – 305 ) = 146.30 KJ

…………………………………………………….

Page 294: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

94

Problema Nº 3

10 kg. de Oxígeno (O2) son calentados desde 32ºF hasta 212ºF a la presión constante de 1 atm. y

volumen constante. Indicar para cada transformación la cantidad de calor que es necesario suministrar.

Datos

m = 10 kg

T1= 32°F ( 273 K)

T2=212°F (373 K)

P=cte= 1 atm ( 101.32 KPa)

V=cte

R(CO2) = 0.1889 KJ/kg K

Cp= 0.918 KJ/Kg K

Cv= 0.658 KJ/Kg K

La relación de escalas termométricas es:

°C/100 = (°F-32) / 180 = (°K – 273) / 100

Solución

Qp= m Cp ( T2 – T1) = 10 x 0.918 ( 373-273) = 918 KJ

Qv= m Cv ( T2 – T1) = 10 x 0.658 ( 373-273) = 657 KJ

El Qp es al Qv porqué además de aumentar la energía interna debe producir trabajo

termodinámico

V1 = m R T1 / P1 = 10 x 0.1889 x 273 / 101.32 = 5 m3

V2 = m R T2 / P2 = 10 x 0.1889 x 373 / 101.32 = 6.95 m3

W = P ( V2 – V1 ) = 101.32 ( 6.95 – 5 ) = 197.6 KPa. m3 [ KJ]

………………………………………………………………

Page 295: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

95

MEDIDA DEL TITULO DE VAPOR

Una línea de suministro transporta una mezcla bifásica líquido-vapor a 20 bar. Una pequeña fracción

del flujo transportado se deriva a través de un calorímetro de estrangulación y se libera a la atmósfera a

1 bar, la temperatura del vapor evacuado, medida por el calorímetro es de 120°C.

Calcular el título del vapor en la línea de suministro

Aclaración:

El volumen de control (VC) en línea de trazos en el dibujo está en estado estacionario

El vapor derivado sufre un proceso de estrangulación ( h=cte )

Page 296: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

96

Problemas Resueltos de Sistemas Abiertos

Problema Nº 1

Un compresor aspira Aire a la presión de 1 atm. y 0.84 m3/kg. y lo expulsa a la presión

de 9 atm. y un volumen de 0.14 m3/kg. La Energía interna a la entrada es de 10.87

KJ/kg. y a la salida es de 115 KJ/kg., transfiriendo a la refrigeración 66.88 KJ/kg.

Suponiendo que el compresor comprime

160 kg/hs.

Calcular:

1. Potencia discipada [kW]

2. Potencia teórica del compresor en kW

considerando que las variaciones de Ec. y

Ep. son despreciables.

Solución

Q’ = Q x C

Q’= 66.88 KJ/kg (160/3600) kg/seg. = 3 KW

Q+U1 + P1 V1 = Wc + U2 + P2 V2

Wc = Q+U1 + P1 V1 - U2 - P2 V2

Wc = - 66.88 + 10.87 + 101.32 x 0.84 –

- 115 – 912 x 0.14 = - 213.6 KJ/kg

Nc = Wc x C

Nc = 213.6 [KJ/kg] x (160/3600) kg/seg.

Nc = 9.5 KW

…………………………………………….

Page 297: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

97

Problema Nº2

Entra vapor a una turbina adiabática a 10 MPa y 400ºC y sale a 20 kPa con un título de

X=0.90

Sin tomar en cuenta los cambios en la energía cinética y potencial, determine la relación

de flujo de masa requerida para una salida de potencia de 5 MW.

Datos:

P1= 10 MPa ; t1= 400°C ; P2= 20kPa ; X2 = 0.90

Solución

Q + h1 + EC1 + EP1 = WT + h2 + EC2 + EP2 de donde:

WT = h1 – h2

Con: P=10 MPa y 400°C de tabla leo h1 = 3096.5 KJ/kg

Con :P= 20 kPa de tabla se saca: ha = 251.40 KJ/kg ; ( hb – ha ) = 2358.3 Kj/kg

Por definición de entalpia del vapor:

h2 = h1 + ( hb – ha ) X2 = 3096.5 + 2358.3 x 0.90 = 2373.87 KJ/kg

WT = 3096.5 – 2373.87 = 722.53 KJ/kg

N = 5000 KW = 5000 KJ/seg.

El caudal másico C= N / WT = 5000 / 722.63 = 7 kg/seg. …………………………………………………………..

Page 298: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

98

Problemas Resueltos de Entropia

Una máquina Térmica que trabaja entre dos focos térmicos a 100 K absorbe en cada

ciclo 1000 J

de calor del foco caliente. Si su rendimiento es del 20 % , responder la pregunta, la

máquina funciona reversible o irreversiblemente.

El rendimiento de la máquina de Carnot es:

= 1 – T2 / T1 = 1 – 100/500 = 0.80 (80%)

maquina = 1- Q2 /Q2 = 0.20 despejando

Q2 = (1-0.20) 1000 = 800 J

El rendimiento de la máquina Termica

maquina = 1- 800 / 100 = 0.20 (20%)

Vemos que el rendimiento de la máquina térmica es menor al de carnot por lo que la

máquina funciona Irreversiblemente.

Para la máquina reversible de Carnot. La variación de entropía es cero S=0

Para la máquina térmica que funciona irreversiblemente, la variación de entropía es:

SFC = Q1 / T1 = 1000 / 500 = - 2 J /°K el signo – indica que el calor se pierde de la

fuente caliente.

SFF = Q2 / T2 = 800 / 100 = + 8 J/°K el signo + indica que la FF recibe calor.

universo = SFC + SFF = -2 + 8 = + 6 J/°K 0 indica que la máquina es irreversible

…………………………………………..

Page 299: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina2

99

CICLO DE CARNOT

PROBLEMA

Page 300: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

00

Page 301: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

01

Page 302: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

02

Problema Resuelto de Ciclo de Rankine

Determinar el rendimiento térmico, la potencia en KW de una máquina que cumple un

ciclo de Rankine teórico que consume 3.8 kg/seg. de vapor sobrecalentado a la presión

de saturación de 1,4 MPa y temperatura de recalentamiento de 250°C.

El proceso de condensación se realiza a la presión de 10 kPa

Determina analíticamente la entropía al principio de la expansión y el titulo obtenido al

final de la misma.

Realizar el ciclo en el diagrama T, S.

Solución

De tabla de agua saturada con 1.4 MPa :

h1 = 830.30 KJ/kg. ( entalpia del liquido)

h2 = 2790 KJ/kg. ( entalpia del vapor)

De tabla de agua saturada con 10 kPa :

h5 = 191.83 KJ/kg. ( entalpia del liquido)

(h4’-h5)= 2392.8 KJ/kg ( entalpia de vaporización)

(S4’-S5)= 7,5009 KJ/kg.K ( entropia de vaporización)

S5= 0.6493 KJ/kg. K ( entropía del liquido)

V5 = 0.001010 m3/kg (volumen específico del agua liquida)

De tabla de agua sobrecalentada con 1.4 MPa :

h3= 2927.2 KJ/kg ( entalpia del vapor sobrecalentado)

S3= 6,7467 KJ/kg. K ( entropia del vapor sobrecalentado)

………………………………………..

Por definición de Entropia del vapor húmedo:

S4 = S5 + (S4’-S5) X4 = S3 despejando:

X4= (S3-S5) / (S4’-S5) = (6,7467 – 0,6493) / 7,5009 = 0.81

Page 303: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

03

Por definición de Entalpia del vapor húmedo:

h4= h5 + ( h4’-h5) X4 = 191.83 + 2392.8 x 0.81 = 2130 KJ/kg

Trabajo de la Turbina: Wt = h3-h4= 797.20 KJ/kg

Trabajo de la Bomba Wb = V5 ( Ps-Pc) = 0.001010 ( 1400 – 10 ) = 1.4 KJ/kg

Trabajo de la Bomba Wb = h6-h5 h6= 1.4 + 191.83 = 193.23 KJ/kg

Trabajo Util : Wu = Wt – Wb = 795.80 KJ/kg

Calor Suministrado Qs= h3-h6= 2734 KJ/kg

= Wu / Qs = 795.80 / 2734 = 0.29 ( 29 % )

Potencia del ciclo Nc= Wu x C = 795.80 (KJ/kg) x 3.8 (kg/seg.) = 3024 KW

……………………………………….

Page 304: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

04

PROBLEMAS RESUELTOS DE CICLOS DE GAS

Problema 1 ( Ciclo Brayton Teórico )

Un motor con turbina de gas, funcionando con ciclo Brayton teórico, admite el aire al compresor a

1 bar y 15ºC y sale del compresor a 8 bar. La temperatura máxima del ciclo es de 900ºC. Con los

valores de CP= 1 kJ/kg ºK, y = 1.4. Calcular:

Valores de la presión, temperatura y del volumen específico en los cuatro vértices del ciclo.

Trabajo del compresor.

Trabajo de la turbina.

Calor entregado por kg. de aire.

Trabajo neto del ciclo.

Rendimiento térmico del ciclo.

R (aire) = 0.2870 KJ/kg. K

Page 305: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

05

………………….

Page 306: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

06

Problema 2 ( Ciclo Brayton Real con Regenerador )

Una planta de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton con regeneración,

entrega 20000 kW a un generador eléctrico. La temperatura máxima es 1200 K

y la temperatura mínima es 290 K. La presión mínima es 95 kPa y la presión

máxima es 380 kPa. La eficiencia del regenerador es de 75%. La eficiencia del

compresor es de 80% y la de la turbina es 85%.

a) ¿Cuál es la potencia de la turbina?

b) ¿Qué fracción de la potencia de la turbina es usada para mover el

compresor?

DATOS: Cp= 1.0035 kJ/kg K ; = 1.40

Page 307: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

07

Page 308: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

08

Problema 3 (Ciclo Brayton Real )

En un ciclo Brayton simple de aire normal se tiene una relación de presiones de 12, una

temperatura a la entrada del compresor de 300 K y una temperatura a la entrada de la

turbina de 1000 K.

Determine el flujo másico requerido de aire para una salida de potencia neta de 30 MW;

suponga que tanto el compresor como la turbina tienen una eficiencia isoentrópica de 80%.

Considere los calores específicos constantes a temperatura ambiente.

En caso de que se pudiera hacer regeneración, ¿Qué cantidad de calor se podría aprovechar? Explique. DATOS:

= 12 (relación de compresión)

T1= 300 K

T4= 1000 k

C = T = 0.80

Nneta = 30.000 KW

Cp= 1.0035 kJ/kg K

= 1.40

Page 309: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

09

Page 310: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

10

Problema 4 (Ciclo Brayton Real)

Calcule el rendimiento térmico del ciclo de un motor de turbina de gas cuyas

características de operación son: T1 = 15°C ; T3= 980°C ; = 8 ; =1.37

para los siguientes casos:

a) C = 1 ; T = 1

b) T = 0.89 ; C = 0.89

c) T = 0.89 ; C = 0.84

d) T = 0.84 ; C = 0.89

e) Graficar los valores obtenidos

Solución

La ecuación del rendimiento térmico del ciclo real es:

Page 311: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

11

a)

…………………………………..

b)

………………………………………..

c)

……………………………………………

Page 312: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

12

d)

COMO PUEDE VERSE EL RENDIMIENTO DEL CICLO

AUMENTA CUANDO EL RENDIMIENTO INTERNO DE

LA TURBINA ES MAYOR AL RENDIMIENTO INTERNO

DEL COMPRESOR

…………………………

Page 313: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

13

PROBLEMA RESUELTO DE CICLO COMBINADO ( GAS-VAPOR )

Problema N°1

Una planta de generación de energía combinada GAS-VAPOR trabaja de la siguiente

manera.

En la Turbina de Gas los rendimientos isoentrópicos tanto en el compresor como en la

turbina son de 0.85, la relación de presiones de 14, entrada del aire al compresor T1=300

K y P1 = 0.1 MPa, la masa de gas que circula mg = 16 kg/s, que posteriormente se

calienta en la cámara de combustión hasta alcanzar la temperatura 1450 K. Los gases

productos de la combustión a la salida de la turbina de gas se emplean para calentar una

masa de vapor a 8 MPa hasta la temperatura de 450˚C; en un intercambiador de calor.

Los gases de la combustión salen del intercambiador a 440 K.

El vapor que sale de la turbina de vapor se condensa a 20 kPA.

El rendimiento isoentrópico de la turbina de vapor es de 0.90 .

Determinar:

a) Diagramas T-s correspondientes a cada ciclo.

b) Flujo másico de vapor.

c) Trabajo neto del ciclo a gas en KW.

d) Potencia neta del ciclo a vapor en KW.

e) Potencia neta del ciclo combinado en KW.

f) Eficiencia térmica del ciclo a gas.

g) Eficiencia térmica del ciclo a vapor.

h) Eficiencia térmica del ciclo combinado.

Page 314: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

14

Page 315: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

15

Page 316: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

16

Page 317: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

17

TABLA DE RESULTADOS

CICLO DE

GAS

CICLO DE

VAPOR

CICLO

COMBINADO

Potencia

Neta [ KW ]

4052.72

2059.13 6111.85

Rendimiento

térmico [ % ] 34 % 37 % 51 %

Page 318: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

18

Problema N° 2

Una central de potencia de ciclo combinado como la ilustrada en la figura funciona con los siguientes

datos:

Ciclo de gas:

= 9 (relación de compresión)

T1= 290 K ( temperatura de ingreso al compresor)

T3= 1400 K ( temperatura de los gases a la entrada de la turbina de gas)

T5= 450 K ( temperatura de los gases a la salida del intercambiador de calor)

C = 80 % ( rendimiento isoentrópico del Compresor )

T = 85 % ( rendimiento isoentrópico de la Turbina de Gas )

C = 80 % ( rendimiento isoentrópico del compresor )

ma = 200 kg/seg. (caudal másico de gases)

Cp= 1 KJ/kg. K ( calor especifico de los gases)

= 1.4 (relación de calores específicos)

a = (-1) / = 0.29

Page 319: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

19

Ciclo de vapor

Ps = 6 MPa (presión en la Caldera)

Pc = 10 kPa ( presión en el Condensador)

T7 = 450 °C ( temperatura del vapor al ingreso de la turbina)

TV = 87 % ( rendimiento isoentrópico de la Turbina )

………………………………………………………………..

Calcular:

1. Flujo másico de agua

2. Rendimiento térmico del ciclo de gas

3. Rendimiento térmico del ciclo de vapor

4. Rendimiento térmico del ciclo combinado

Page 320: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

20

Page 321: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

21

Page 322: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

22

Page 323: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

23

PROBLEMA DE CICLO FRIGORIFICO

CICLO SIMPLE DE COMPRESION MECANICA

Problema 1

Una máquina frigorífica cuyo rendimiento (coeficiente de efecto frigorífico) es de 1.4 consume una

potencia de 0.120 KW. ¿Cuánto tiempo tardará en enfriar 200 gr. de agua desde 18°C hasta 12°C ?

Cp(agua) = 4.18 KJ/kg K

datos:

Nc = 0.120 KJ/seg.

T1= 18°C ( 291 K)

T2= 12°C ( 285 K)

= 1.4

Page 324: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

24

Problema 2

Una máquina frigorífica utiliza el ciclo estándar de compresión de vapor. Produce 50 kW de

refrigeración utilizando como refrigerante 134-a, si su temperatura de condensación es de 40°C y la de

evaporación de -10°C. Calcular:

1. Caudal másico de refrigerante

2. Potencia de compresión

3. Coeficiente de efecto frigorífico

4. Relación de compresión

5. Caudal volumétrico de refrigerante que opera el compresor

6. Temperatura de descarga del compresor

7. Coeficiente de efecto frigorífico del ciclo inverso de Carnot con las mismas temperaturas de

evaporación y condensación

Solución

Con las temperaturas del evaporador y del condensador nos vamos a la tabla de propiedades del

refrigerante 134-a y leemos los siguientes valores:

Pc = 10.18 bares ( 1018 kPa ) presión en el condensador

Pe = 2.01 bares ( 201 kPa ) presión en el evaporador

h1 = 392.9 kJ/kg entalpia del vapor saturado

S1 = 1,7341 kJ/kg K = S2 entropía del vapor saturado

h3 = h 4 = 256.6 kJ/kg entalpia del liquido saturado (3-4 expansión isoentálpica)

h 2 = 430 kJ/kg ( éste valor surge de la intersección de la isoterma de 40°C con la isoentropica S= 1.73)

…………………………..

1- Para obtener el caudal másico de refrigerante necesario para producir una potencia frigorífica de

50 KW se realiza el balance energético en el Evaporador.

Page 325: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

25

Despejando el caudal másico: m = Ne / h 1 – h 4 = 50 [kJ/seg.] / ( 392.9 – 256.9 ) [kJ/kg]

m = 0.37 kg /seg.

2 – Potencia del compresor ( realizamos el balance energético en el compresor)

Despejando Nc = m ( h 2 – h 1 ) = 0.37 [ kg / seg.] ( 430 – 392.9 ) kJ/kg = 13.73 KW

3 – El coeficiente de efecto frigorífico

= Ne / Nc = 50 / 13.73 = 3.64

4 – Relación de compresión

= Pc / Pe = 1018 / 201 = 5

5 – caudal volumétrico de refrigerante manejado por el compresor

Este siempre se toma a la entrada del compresor. A partir del volumen específico en el punto 1.

De la tabla leemos V1 = 99.56 x 10-3

m3 / kg

C= m. V1 = 0.37 [ kg/seg. ] x 99.56 x 10-3

[ m3 / kg. ] = 132.57 m

3 / hs.

6 – Temperatura de descarga dl compresor

Del diagrama de Mollier por el punto 2 pasa la isotérmica t2= 60°C que es la temperatura mas

elevada del ciclo.

7 – El Coeficiente de Efecto frigorífico del ciclo inverso de Carnot es:

Como vemos el CEF de nuestro ciclo es MENOR que el de carnot

………………….

Page 326: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

26

CICLO OTTO

Problema

Calcular las coordenadas de los vértices de un ciclo Otto estandar de aire con los siguientes datos:

P1= 1 atm.; t1= 27ºC; = 7; diámetro del cilindro D=10 cm; carrera del pistón 10 cm; t= t3-t2=

500ºC; Determinar:

Trabajo útil

Rendimiento térmico

Presión media.

Page 327: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

27

CICLO DIESEL

Determinar El rendimiento térmico de un ciclo Diesel que opera con una presión

máxima de

40 kg / cm2 y una presión de entrada de 1 kg/cm

2 . La temperatura de ingreso es de 50°C

y la relación de compresión volumétrica de 13.34 . La combustión aporta 400 Kcal.

datos: Cp = 0.291Kcal/kg.K ; Cv = 0.208 Kcal/ kg.K ; = 13.34

Solución

…………………………………..

Page 328: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

28

El volumen del cilindro Vc y el volumen nocivo V0 del compresor se pueden calcular a partir de sus

características geométricas:

Page 329: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

29

………………………………

Page 330: Guia de Estudio- Trmodinamica 2012

Pág

ina3

30

PARA EL ESTUDIO DE ESTA ASIGNATURA SE SUGIERE LA SIGUIENTE

BIBLIOGRAFIA

BIBLIOGRAFIA

Termodinámica Técnica – Mario Ninci

Termotecnia- Mario Ninci

Termodinámica Técnica- Facorro Ruiz

Termodinámica Técnica – Alejandro de Estrada

Termodinámica- Stevenazi

Termodinámica - Faires

Termodinámica – Kirillin-Sikiev

Termodinámica- Yunus Cengel y Michael Boles Tomo I y Tomo II

Turbomáquinas Térmicas- Claudio Mataix

Turbomáquinas de fluido compresible- Manuel Polo Encinas-

…………………………………………………………..