Termodinamica 1

TERMODINÁMICA Clase 1: 15/03/2016 Profa. Dra. Evelyn Edith Gutiérrez Oppe

Programa Profesional de Ing. Industrial - UCSP La Escuela Profesional de Ingeniería Industrial de la Universidad Católica San Pablo permite al profesional diseñar y manejar sistemas que integran al hombre con materiales, maquinarias, equipos, herramientas, información, energía y recursos económicos; para generar entidades o empresas de producción de bienes o de servicios. La carrera además busca una formación integral del alumno centrada en la persona, resaltando la importancia de los valores éticos y morales, respeto y desarrollo de la sociedad y promoción de la ecología.

TERMODINÁMICA 1.

Introducción y Conceptos Fundamentales

2. 3.

Primera Ley de la Termodinámica Segunda ley de la Termodinámica Ciclos termodinámicos

4. 5.

Mezcla Gas - Vapor

Bibliografía: • 541.369 V28 2003 [Universidad Católica San Pablo] Fundamentos de termodinámica / Van Wylen, Gordon J. México: Limusa Wiley, 2003. • 541.369 C46 2012 [Universidad Católica San Pablo], Termodinámica / ÇengelYunus A. México: McGraw-Hill

ESTRUCTURA DE NOTAS

• • •

Evaluación Permanente: 40% Examen Parcial: 30% Examen Final: 30%

EVALUACIÓN PERMANENTE

• • •

Controles escritos y/o orales sobre contenidos dados (anticipados y no anticipados) Trabajos individuales y/o grupales

Laboratorio (60% de la nota permanente)

IND 4-1

IND 4-4

LABORATORIO 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 1 2 3

Laboratorio N°1 Introducción al software EES Utilización de software Reconocimiento de parámetros termodinámicos Generación de modelos matemáticos termodinámicos Analisis de resultados Laboratorio N°2 Instrumentación Reconocimiento de dinamómetro de bancada Reconocimiento de sensores de medición Medición de parametros Análisis de resultados Laboratorio N° 3 Gases Ideales Reconocimiento de módulo de gases ideales Medición de parámetros Análisis de resultados Laboratorio N°4 Planta Térmica Reconocimiento de caldera de 7BHP Medición de parámetros Calculo de eficiencia de caldera Reconocieminto de intercambiador de calor Cálculo de eficiencia de intercambiador de calor Analisis de resultados Laboratorio N° 5 Sistema de Refrigeración Reconocimiento de módulo de refrigeración Medición de parámetros Cálculo de COP real e ideal Analisis de resultados Laboratorio N°6 Psicometría Reconocimiento de módulo de aire acondicionado Medición de parámetros Análisis de resultados

INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA

Heráclito (500 a.c.), Empédocles (400 a.c.) y Aristóteles (300 a.c.)

SIGLO XII A XVIII Nicolás Copérnico (Polonia) Modelo Heliocéntrico

Tycho Brahe (Dinamarca) Leyes astronómicas

Johannes Kepler (Alemania) Leyes sobre el movimiento de los planetas sobre su órbita alrededor del Sol.

Galileo Galilei (Italia) Fundamentar las bases de la mecánica moderna: cinemática, dinámica. observaciones telescópicas astronómicas, heliocentrismo.

Isaac Newton Leyes de la dinámica Leyes de la cinemática Teoría corpuscular de la luz Desarrollo del Cálculo diferencial e integral Ley de la gravitación universal.

Termómetro de Galileo Galilei Termodinámica y temperatura

Duque de Toscana, termómetro de bulbo con alcohol y capilar sellado,

Robert Boyle : constató que en los gases encerrados a temperatura ambiente el producto de la presión por el volumen permanecía constante, y también que la temperatura de ebullición disminuía con la presión.

• 1717 (Fahrenheit)

•

1740

(Celsius)

•

1850

(Kelvin)

Uso del vapor

Siglo XVII :Savery (1698) y la de Newcomen (1711)

•

• • •

Calorimetría En 1765, Joseph Black: calor y temperatura, calor específico y calor latente. El calor se conservaba en los procesos térmicos (teoría del calórico). En 1774 Lomonosov rechazaba esta teoría, el calor al movimiento microscópico molecular, en 1842, se sustenta experimentalmente.

En 1822, Joseph Fourier , teoría de la transmisión del calor por conducción, conforme la conocemos hoy. En 1800, combustión con mezclado previo de combustible y oxidante, inicialmente en cámara cerrada y con objeto de analizar la composición de los gases combustibles (Berthollet, Dalton, Volta, Davy) y posteriormente en mechero abierto (Bunsen, 1855).

Eficiencia Térmica • •

• • •

• • • •

•

Carnot (1824), ciclo termodinámico y su optimización. Clapeyron (1834) , ley de las transformaciones de fase de sustancias puras; la ecuación de estado de los gases ideales, pV=mRT, a partir de la ecuación de Boyle.

Ericson (1852), cambiador de calor de tubos y carcasa. Mayer y Joule (1842) determinan experimentalmente la equivalencia entre la unidad de energía mecánica y la vieja unidad de energía térmica.

Kelvin (W. Thomson) (1850) introduce la palabra "termodinámica", como combinación de thermo=calor y dinámica= potencia o fuerza, el concepto de energía interna para separar la energía almacenada de la energía en tránsito y la escala absoluta de temperatura. Clausius (1865) da nombre al concepto de entropia, Bunsen (1865) desarrolla el mechero de premezcla, primero en calcular la temperatura y velocidad de una llama, y medir entalpías de reacción. Rankine en 1859 escribe el primer libro de texto de Termodinámica , Clausius en 1864 añade la formulación completa. Maxwell (en 1871 publicó su libro "Teoría del calor") y Boltzmann calculan en 1870 la distribución estadística de la energía de un gas ideal,

Helmholtz (1880) energía libre, independientemente de Gibbs.

Siglo XVIII

• Físicos,

buscaban las propiedades de la materia (calor : sinónimo de propiedades térmicas)

• Ingenieros , optimización del rendimiento de las máquinas de vapor. Siglo XIX

• Físicos, dQ + dW = O (igualdad de Joule), • Ingenieros , dQ/dT Micro =>Molecular

SISTEMA TERMODINÁMICO Variación = Entradas – salidas + transporte + producciones

Masa de Control y Volumen de Control • Masa de Control (SISTEMA CERRADO)

• • •

mecánicamente aislado térmicamente aislado

totalmente aislado

• Volúmenes de Control (SISTEMA ABIERTO)

•

Interacciones con el medio externo

SISTEMA ABIERTO RÉGIMEN PERMANENTE (ESTADO ESTACIONARIO)

• •

no hay acumulación de la masa o de la energía dentro del SISTEMA las características en cualquier punto dentro del sistema son independientes del tiempo

RÉGIMEN NO PERMANENTE (ESTADO NO ESTACIONARIO)

1.2 PROPIEDADES DE UN SISTEMA

Propiedad

• Depende del estado del sistema • Es independiente del camino por el cual el sistema llegó al estado considerado

Propiedades Intensivas y Extensivas • Intensivas: temperatura (°C), presión (Pa) y masa específica (kg/m3). • Extensivas: masa (kg) y volumen total (m3)

ESTADO Sistema que no experimenta ningún cambio, todas las propiedades se pueden medir o calcular. El estado de una sustancia es identificado por ciertas propiedades:

• Temperatura • Presión • Masa específica

Equilibrio Termodinámico Equilibrio: estado de balance

• • • •

equilibrio mecánico equilibrio térmico

... de fase … químico

para cada tipo de equilibrio, hay una propiedad termodinámica que debe ser compartida.

POSTULADO DE ESTADO • El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. Sistema compresible simple: cuando carece de efectos eléctricos, magnéticos, gravitacionales, de movimiento y tensión superficial.

Procesos Proceso: Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema. Trayectoria: Serie de estados por los que pasa un sistema durante este proceso.

Equilibrio

Casi Equilibrio

No equilibrio

Algunos procesos mantienen una propiedad constante:

• ISOTÉRMICO • ISOBÁRICO • ISÓCORO P

P

4 1

8 5

2

6 9 7

3 V

V

Procesos Reversibles Irreversibles P

2 re

le b i rs ve

1

procesos ideales reales.

ir r e v

ers

ible

2’ V

1.3 TEMPERATURA Y PRESIÓN

Temperatura •

La temperatura es una medida de la actividad molecular de una sustancia

• •

•

"caliente" o "frío"

transferencia de calor

Escalas de

Temperatura 𝐾 = 𝐶 + 273,15

•

𝐹 = (𝐶 × 5) + 32

•

𝑅 = (𝐶 + 273,15) ×

9

9 5

•

Termómetros de resistencia

Temperatura •

Temperatura y Calor

• • •

Temperatura es la propiedad que determina si un sistema y su entorno están en equilibrio térmico. temperatura está profundamente asociado a un proceso de transmisión de energía la energía es naturalmente transmitida como calor de las regiones de más alta temperatura para las regiones de más baja temperatura.

Temperatura, ºC

Temperatura 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

T  Tc   T0  Tc   e

0

10

 kt

20 Tiempo, s

objeto sensor

30

40

Ley Cero de la Termodinámica • Si dos cuerpos, A y B, separados por una pared adiabática (que no intercambia calor), y estuvieran en equilibrio térmico independientemente con un tercer cuerpo, C, entonces ellos estarán en equilibrio térmico entre si.

•

Claro, el tercer cuerpo puede ser un termómetro.

Te = Td

Presión 𝑃=

𝐹 𝐴

1Pa = 1N/m2

1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa 1 atm = 101 325 Pa 1 lbf/in2 = 6894,757 Pa

Ejemplo •

En la Figura se observa un cilindro-pistón, cuyo diámetro del cilindro (D) es igual a 0,1 m y la masa del pistón-varilla es de 25 kg. El diámetro de la varilla es de 0,01 m y la presión atmosférica (Po) es de 101 kPa. Sabiendo que el conjunto cilindropistón está en equilibrio y que la presión del fluido es de 250 kPa. Determine el modulo de la fuerza que es ejercida en la dirección vertical y en el sentido descendente sobre la varilla

Medidores de Presión

Manómetro de Tubo de Bourdon

Manómetro

Barómetro

∆𝑃 = 𝜌ℎ𝑔

𝑃𝑎𝑡𝑚 = 𝜌𝑔𝐻0

Un manómetro de mercurio es utilizado para medir la presión en un recipiente. El mercurio presenta masa específica igual a 13590 kg/m3. La diferencia entre las alturas de las columnas fue medida y es igual a 0.24 m. Determine la presión en el recipiente.

•

Un conjunto cilindro-pistón, con área de sección transversal igual a 0,01 m2, está conectado, por medio de una línea hidráulica, a otro conjunto cilindro-pistón que presenta área de sección transversal igual a 0.05 m2. La masa específica del fluido hidráulico que llena tanto las cámaras de los conjuntos cuanto la línea es igual a 900 kg/m3 y la superficie inferior del pistón con diámetro grande está posicionada 6 m arriba del eje del pistón con diámetro pequeño. Admitiendo que la presión atmosférica es de 100 kPa y que la fuerza líquida que actúa en el pistón con diámetro pequeño es 25 kN, determine el módulo de la fuerza que actúa en el pistón con diámetro grande.

La diferencia de altura de las columnas de agua (densidad = 1000 kg/m3) en un manómetro en U es igual a 0.25 m. ¿Cuál es la presión relativa? Si el ramo derecho del manómetro fuera inclinado (el ángulo entre la a rama derecha y la horizontal es 30°) y con la misma diferencia de presión, ¿cuál será la nueva longitud de la altura?

El agua en un recipiente se presuriza con aire y la presión se mide por medio de un manómetro de varios fluidos, como se muestra en la figura. El recipiente se localiza en una montaña a una altitud de 1400 m donde la presión atmosférica es 85.6 kPa. Determine la presión del aire en el recipiente si h1 = 0.1 m, h2= 0.2 m y h3 = 0.35 m. Tome las densidades del agua, aceite y mercurio iguales a 1000 kg/m3, 850 kg/m3 y 13600 kg/m3, respectivamente. Aire

Agua