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Tecnología Mecánica Eléctrica

CURSO TERMODINÁMICA APLICADA Docente: Ing. Rocío Córdova Ubillús

Copyright © Setiembre de 2018 por TECSUP

OBJETIVOS DEL CURSO •

Reconocer los conceptos básicos de la termodinámica aplicada

en procesos industriales. •

Valorar la importancia de la energía, sus formas y principios.

•

Utilizar la primera ley de la termodinámica para realizar cálculos

de energía en sistemas cerrados y abiertos. •

Conocer aplicaciones directas de los principios termodinámicos en sistemas de generación de vapor, turbinas y refrigeración.

•

Estudia los fenómenos de la utilización de la energía en aplicaciones productivas.

COMPETENCIA DEL CURSO

“Aplicar el cálculo superior, ciencias básicas y tecnología para evaluar, analizar y dar solución a problemas industriales, demostrando la conservación de energía” Copyright © Setiembre de 2018 por TECSUP

Material de uso frecuente •

Calculadora

•

Tabla de elementos químicos

•

Tablas de factores de conversión

•

Tablas y diagramas termodinámicos: De vapor (saturado y sobrecalentado) Refrigerantes

Semana 1

Conceptos Termodinámicos y

Definiciones Básicas Ing. Rocío Córdova Ubillús

Copyright © Setiembre de 2018 por TECSUP

Saberes previos • ¿Qué es la termodinámica? • ¿A qué llamaremos sistema? • ¿Qué formas de energía conoces? • ¿En qué unidades se mide la energía?

Problematización ¿Por qué es importante la aplicación de las leyes termodinámicas en equipos industriales?

COMPETENCIA TERMINAL

Comprender los conceptos básicos de Termodinámica.

Logro de la sesión

Al finalizar la sesión, el estudiante calcula parámetros

en sistemas abiertos y cerrados, aplicando la primera ley termodinámica, con exactitud y coherencia.

Motivación Observe con atención el siguiente video sobre un proceso

de fabricación de lápices. https://www.youtube.com/watch?v=HmbfKLsRcB0

TERMODINÁMICA TERMO: DINÁMICA:

Calor fuerza

Es el estudio de la relación entre la energía y los cambios que se producen en

los estados de los sistemas.

TERMODINÁMICA Energía Interna Energía cinética Almacenamiento

Energía Potencial Energía Química

ENERGÍA Transformación

Cambio entre los tipos de energía

Calor Transferencia Trabajo

Termodinámica • La termodinámica se puede definir como la ciencia de la

energía • El término termodinámica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energía. • Una de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservación de la energía.

ENERGÍA Térmica Nuclear

Eléctrica

ENERGÍA Potencial

Total

Mecánica

E

Química

Magnética Cinética 14

SISTEMAS TERMODINÁMICOS

ABIERTO

CERRADO SISTEMA SISTEMA

Aislado No aislado

Paredes del sistema Rígidas No rígidas

Las paredes del sistema pueden ser

Permeables

Impermeables Térmicamente conductores Adiabáticas

Sistemas tipos: según fronteras

Sistemas Abiertos y Cerrados • Sistema Cerrado: a través de sus fronteras no pasa

materia

Sistemas Abiertos y Cerrados • Sistema Abiertos: a través de sus fronteras pasa materia

(Volumen de control)

• La frontera encierra al sistema ahora debemos definir al

sistema

SISTEMA ADIABÁTICO • Un proceso adiabático no conduce calor.

VARIABLES TERMODINÁMICAS TEMPERATURA

COMPOSICIÓN

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

VOLUMEN

PRESIÓN

FUNCIÓN DE ESTADO • Son variables que definen el estado de un

sistema.

Composición

Presión

Temperatura

Volumen

Entalpía

Entropía

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO Las propiedades macroscópicas del sistema se mantienen constantes.

Equilibrio mecánico

No hay contacto del sistema con sus alrededores y no hay cambio en las propiedades.

Equilibrio material

Equilibrio térmico

PROCESO

• Se refiere a cualquier cambio que experimenta un sistema, de un

estado de equilibrio a otro. • La serie de estados por los que pasa el sistema durante el proceso

es una trayectoria del proceso.

SISTEMAS SEGÚN VARIABLES

SISTEMA

ISOBÁRICO

La presión permanece constante

ISOTÉRMICO

La temperatura permanece constante

ISOCÓRICO

El volumen permanece constante

CICLO • Cuando

regresa

un

a

su

sistema

estado

inicial al final de un proceso; es decir, los estados inicial y final son idénticos.

CICLO

Leyes de la termodinámica • Principio Cero: La temperatura tiene sentido. • Primer Principio: La conservación de la energía

• El Segundo principio: es el principio de la entropía. • El Tercer Principio dice que hay una temperatura tan

baja que nunca se puede alcanzar.

Ley Cero de la termodinámica "Si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma

independiente con un tercer sistema, deben estar en equilibrio térmico entre sí."

LEY CERO • Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están

en equilibrio entre sí.

://fisicoquimica.wikidot.com/4-ley-cero-de-la-termodinamica

Primera Ley Termodinámica La energía no se crea ni se destruye Sólo se transforma

Q-W=(ΔE)

Segunda Ley Termodinámica Indica la irreversibilidad de los procesos naturales, y, en

muchos casos, la tendencia de los procesos naturales a conducir a la homogeneidad de la materia y energía

Tercera Ley Termodinámica Postulado de Nernst afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas.

Áreas de aplicación de la Termodinámica Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para comprobar esto. • Nuestro cuerpo. • La estufa eléctrica o de gas, los sistemas de calefacción y aire acondicionado, el refrigerador, el humidificador, la olla de presión, el calentador de agua, la regadera, la plancha e incluso la computadora y el televisor. • Motores automotrices, cohetes, motores de avión, plantas de energía convencionales o nucleares, colectores solares,

Estado Termodinámico de Equilibrio ESTADO • Un sistema que no experimenta ningún cambio, en estas condiciones se miden sus propiedades o magnitudes de estado, los cuales describirían por

completo la condición o estado del sistema.

Calor • Calor es la forma de energía que se transfiere entre

dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito que se reconoce solo cuando se cruza la frontera de un sistema termodinámico.

Calor sensible y Calor latente • Energía sensible:

puedes sentirla con el cambio de temperatura, depende de la agitación molecular de la sustancia. • Energía latente : esta allí pero no la sientes porque no hay cambio de temperatura, esta se da en un cambio de fase, donde esa energía vence las fuerzas intermoleculares y viceversa para lograr un cambio de estado.

El calor y la segunda ley

TEMPERATURA • La temperatura : es una magnitudes fundamentales, por lo

tanto no es posible definirla a partir de otras magnitudes. • La temperatura solo es intuitiva , relacionada con la

sensación de caliente o frio.

TEMPERATURA • Propiedades termosensibles o magnitudes termosensibles. • “dilatación térmica”

Termómetro • La ley cero de la termodinámica establece que si dos

cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.

• Sirve como base para la validez de la medición de la temperatura. Si el primer y tercer cuerpo se sustituye por un termómetro, la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.

Escalas de temperatura • Se basan en ciertos estados fácilmente reproducibles

como los puntos de congelación y ebullición del agua, a 1 atm de presión. • Las escalas de temperatura usadas actualmente en el SI y en el sistema inglés son: •

la escala Celsius • la escala Fahrenheit

0 y100 °C 32 y 212 °F

• la escala Kelvin

K R

• la escala Rankine

• La escala de gas enrarecido a v=const

Escalas de temperatura • La escala Kelvin se relaciona con la

Celsius mediante • La escala Rankine se relaciona con

la Fahrenheit mediante • Las escalas de temperatura en los

dos sistemas de unidades relacionan mediante:

se

Cómo expresar el aumento de temperatura en unidades distintas • Durante un proceso de calentamiento, la temperatura

de un sistema aumenta en 10 °C. Exprese este aumento de temperatura en K, °F y R.

• Solución El aumento de temperatura de un sistema se va a

expresar en diferentes unidades. • Análisis Este problema trata con cambios de temperatura, que son idénticos en las escalas Kelvin y Celsius. Entonces,

• Los cambios de temperatura en las escalas Fahrenheit y Rankine también son idénticos y se relacionan con los cambios en las escalas Celsius y Kelvin mediante las ecuaciones.

• Comentario Observe que las unidades en °C y K son intercambiables cuando se trata con diferencias de temperatura.

Actividad Práctica grupal • Por qué un ciclista acelera al ir pendiente abajo, aun

cuando no está pedaleando? ¿Viola eso el principio de la

conservación de la energía?

• Un oficinista dice que una taza de café frío en su escritorio se

calentó hasta 80 C, al tomar energía del aire que lo rodea, que está a 25°C. ¿Hay algo de verdad en su aseveración o viola las leyes termodinámicas?

Actividad Práctica grupal • ¿Cuál es la Ley Cero de la Termodinámica? • El punto de ignición de un aceite de motor es 363°F ¿Cuál es

la temperatura absoluta del punto de ignición en °Ranking. • ¿Cuál es la diferencia entre presión manométrica y

presión absoluta? • En un tanque de almacenamiento de aire comprimido, la

presión es de 1500 kPa. Exprese esta presión en las siguientes unidades: a). kN y m; b). kg, m y s; c) Kg, km y s.

Actividad Práctica grupal • Al realizar un análisis metabólico de una persona ¿Cómo

se definiría el sistema para estos fines? ¿Qué tipo de

sistema es?

• Qué tipo de sistema es el cilindro émbolo – pistón. • Al analizar la aceleración de gases al fluir por una

boquilla, ¿Qué elegirías como sistema? ¿Qué tipo de

sistema es?

Actividad Práctica grupal Imagínese que un bloque de aluminio de 50 g y temperatura inicial de 100°C se coloca dentro de una taza con tapa, hecha de espuma de poliestireno aislante, que contienen 250 g de

agua a 22°C. El calor fluirá desde el aluminio hacia el agua hasta que ambos estén a la misma temperatura. ¿Cuál será esta temperatura?

Conclusiones de la Sesión • Se logró definir la Termodinámica.

• Las variables termodinámicas son: • •

•

•

Presión, volumen, temperatura. Un proceso es una serie de etapas por las que pasa un sistema. Un ciclo es un proceso que tiene el estado inicial igual que el estado final. Equilibrio es el estado en el que no se observa modificaciones de composición, fuerzas internas y/o temperatura. La Ley cero manifiesta que dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero

Tarea / Asignación de Casa 1. ¿Por qué un ciclista acelera al ir pendiente abajo, aun cuando no esté

pedaleando? ¿Viola eso el principio de la conservación de la energía? 2. Explique por qué la dimensión del año-luz es longitud. 3. ¿Cuál es la fuerza neta que actúa sobre un automóvil que va a la

velocidad constante de 70 km/h a) en un camino horizontal y b) en un camino de subida? 4. Determine la masa y el peso del aire contenido en un recinto cuyas

dimensiones son 6 m 6 m 8 m. Suponga que la densidad del aire es 1.16 kg/m3. Respuestas: 334.1 kg, 3.277 N 5. ¿Cuál es el peso, en N, de un objeto con una masa de 200 kg, en una

ubicación en la que g = 9.6 m/s2?

Tarea / Asignación de Casa 6.

Se le solicita a usted hacer el análisis metabólico (de energía) de una persona. ¿Cómo definiría usted el sistema para estos fines? ¿Qué

tipo de sistema es? 7.

Está usted tratando de comprender cómo funciona un compresor alternativo (de cilindro-émbolo) de aire. ¿Qué sistema usaría usted?

¿Qué tipo de sistema es? 8.

¿Qué es un proceso de cuasiequilibrio? ¿Cuál es su importancia en ingeniería?

9.

Defina los procesos isotérmico, isobárico e isocórico.

10. La temperatura del aire ambiente en cierta ubicación se mide como –

40 °C. Exprese esta temperatura en unidades Fahrenheit (°F), Kelvin

(K) y Rankine (R).

Tarea / Asignación de casa Para complementar la información de clase y reforzar el conocimiento adquirido, se recomienda visitar los siguientes

enlaces web:

• https://es.wikipedia.org/wiki/Termodinámica • https://es.wikipedia.org/wiki/Calor • https://es.wikipedia.org/wiki/Termómetro

• https://www.youtube.com/watch?v=CArQYFapYRw • https://www.youtube.com/watch?v=IKUNt8uFToo Traer para la próxima clase tablas termodinámicas.

Bibliografía  BARTOW, GORDON M. (1998).

• QUÍMICA FÍSICA. Barcelona- Reverté  CENGEL, BOLES. (2012). • TERMODINÁMICA. México – Mc Graw Hill