02 Primera Ley de la Termodinámica

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

BUCARAMANGA, MARZO DE 2012

TERMODINÁMICA DE HIDROCARBUROS:

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Erik Giovany Montes Páez

Ingeniero de Petróleos UISEspecialista en Producción de Hidrocarburos UIS

Candidato a Magíster en Ingeniería de [email protected]

CONCEPTOS FUNDAMENTALESENERGÍA: Capacidad para efectuar un trabajo.

TERMODINÁMICA DE HIDROCARBUROS: PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

ENERGÍA

Térmica

Química

Potencial

Cinética

• Todas las formas de energía se pueden convertir (al menos en teoría) en otras.

• Cuando desaparece una forma de energía debe aparecer otra (de igual magnitud).

“La energía total del universo permanece constante”

CONCEPTOS FUNDAMENTALESENERGÍA: Capacidad para efectuar un trabajo.

La energía tiene dimensiones de mL/q2


Nombre Símbolo Unidades Equivalencia en Julios

Julio J N*m = kg*m2/seg2 1

Caloría cal kp*m 4,1855

Vatio hora Wh kg*m2/seg2 3 600

Kilovatio hora kWh kg*m2/seg2 3 600 000

Electronvoltio eV V * C 1,6022x10-19

British Thermal Unit BTU lb*ft2/seg2 1055,05

CONCEPTOS FUNDAMENTALESTRABAJO:

En física, se refiere al efecto que genera la aplicación de una fuerza, desplazando un cuerpo una determinada distancia.

En química, se define como el cambio de energía que resulta de un proceso.

En termodinámica, se refiere al efecto del cambio del volumen de un fluido al aplicársele una determinada presión.


𝑊=∫𝐹𝑑𝑙

𝑊=−∫𝑉 1

𝑉 2

𝑃𝑑𝑉

CONCEPTOS FUNDAMENTALESTRABAJO:


𝑊=−∫𝑉 1

𝑉 2

𝑃𝑑𝑉

Pres

ión

Volumen

CONCEPTOS FUNDAMENTALESCALOR:


Transferencia de energía entre dos puntos que se encuentran a diferentes temperaturas.

POTENCIA:Cantidad de trabajo que se realiza en una unidad de tiempo.

Nombre Símbolo Unidades Equivalencia en Vatios

Vatio W kg*m2/seg3 1

Kilovatio kW kg*m2/seg3 103

Megavatio MW kg*m2/seg3 106

Caballo de fuerza HP Ft*lbf/seg 550

Caballo de vapor CV kgf*m/seg 735,5

EJERCICIOS


1. Un gas se encuentra confinado por un pistón en un cilindro de 47cm de diámetro. Sobre el pistón se pone un bloque metálico. La masa del pistón y el bloque es de 150kg. La aceleración local de la gravedad es de 9,813m/s2 y la presión atmosférica es de 101,57kPa.

a) ¿Cuál es la presión (kPa) del gas?

b) Si se calienta el gas del cilindro, haciendo que el pistón y el bloque se eleven 0,83m, ¿cuál es el trabajo (kJ) hecho por el gas?

2. Las turbinas de una planta hidroeléctrica están alimentadas por agua que cae desde una altura de 40m. Suponga que la eficiencia del proceso de conversión de energía potencial a eléctrica es de 93% y que 9% de la potencia resultante se pierde en la transmisión desde la hidroeléctrica hasta la ciudad. ¿Cuál es la rapidez de flujo de masa de agua requerido para encender un foco de 150W?

LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA•La “Ley Cero” dice que la temperatura tiene sentido.•La “Primera Ley” es la Conservación de la Energía.•La “Segunda Ley” en el Principio de la Entropía.•La “Tercera Ley” dice que hay una temperatura tan baja que nunca se puede alcanzar.


LOS EXPERIMENTOS DE JOULEEntre 1840 y 1878, J.P. Joule realizó una serie de experimentos que permitieron llegar a la Primera Ley de la Termodinámica.


James Prescott Joule(1818-1889)

Joule colocó cantidades conocidas de agua en un contenedor aislado y agitó el agua con un agitador giratorio. La cantidad de trabajo hecha sobre el agua por el agitador fue medida con exactitud, anotándose con cuidado los cambios en la temperatura del agua.Joule encontró que se necesitaba una cantidad fija de trabajo por unidad de masa de agua por cada grado de aumento en la temperatura provocado por el agitador

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Joule.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Joule's_heat_apparatus.JPG

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA“Aunque la energía tome muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece en una forma, aparece

simultáneamente en otras formas”.

“La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.


Teniendo en cuenta las definiciones de SISTEMA y de ALREDEDORES, la Primera Ley de la Termodinámica puede expresarse así:


LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

DEnergíasistema - DEnergíaalrededores = 0

La variación de la energía del sistema puede darse en términos de su energía cinética, su energía potencial o su energía interna.La variación de la energía de los alrededores puede darse en forma de calor o trabajo.Por esto, la ecuación se transforma en:

DEK + DEP + DU = Q + W

O simplemente:

DU = Q + W

Para los signos del calor y el trabajo se puede usar lo siguiente:


LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

DU = Q + W

PROCESO SIGNO

Trabajo realizado por el sistema sobre los alrededores -

Trabajo realizado sobre el sistema por los alrededores +

Calor absorbido por el sistema desde los alrededores +

Calor emitido por el sistema hacia los alrededores -

3. Un gas está confinado en un cilindro por un pistón. La presión inicial es 7bar y el volumen es de 0,10m3. El pistón se mantiene en su posición mediante unos seguros. Luego de liberar el pistón, éste se mueve repentinamente hasta que el gas ocupe el doble de su volumen inicial, quedando nuevamente sujeto el pistón por seguros.Suponga que no hay intercambio de calor.


EJERCICIOS

¿Cuál es el cambio de energía en el aparato luego del proceso? Suponiendo que:a) El aparato se encuentra colocado dentro de una cámara con vacío total?b) El aparato se encuentra expuesto a una presión atmosférica de 101,3kPa.

El análisis de la Primera Ley de la Termodinámica puede reducirse al estudio de cómo la energía de un sistema se transforma.

¿Cómo cambia la energía en el interior de un sistema (en forma de energía interna, cinética o potencial) o cómo es entregada a los alrededores (en forma de calor o de trabajo)?

Analizaremos dos casos fundamentales:• Primera Ley aplicada a una masa de control (sin flujo).• Primera Ley aplicada a un volumen de control (flujo de masa a

través de las fronteras del sistema).


APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY

Este caso se refiere a procesos en los cuales un sistema tiene intercambio de energía con sus alrededores, pero manteniendo su masa constante.Un ejemplo común son los procesos cíclicos.


MASA DE CONTROL

∫ ∫ WQ

0 WQEn un proceso cíclico , los estados final e

inicial son idénticos.

V

P 2

1(1)(2)

Sistema


CAMBIO DE ESTADO DE UNA MASA DE CONTROL

Transferencia neta de energía a (o de)

el sistema como calor y trabajo[ [

=Incremento (o decremento)

neto en la energía total del

sistema[ [

1

2A

BC

EWQ

Transferencia neta de calor a través de las fronteras del sistema

12 EE

p

V

1W2

ΔE

Trabajo neto hecho en todas las formas

Cambio neto en la energía total del sistema (ENERGIA DE LA MASA DE CONTROL)

1Q2

Dependiendo de las condiciones del sistema, la Primera Ley puede expresarse de diversas maneras.


1ª LEY PARA UNA MASA DE CONTROLFo

rma

gene

ral

Form

a di

fere

ncia

l

kJEWQ

EPECUWQ

UWQ

dEWQ

EPdECddUWQ

dUWQ

Forma general.

Se incluye la energía interna, cinética y potencial del sistema.

Sistemas cerrados estacionarios.

Forma general.

Se incluye la energía interna, cinética y potencial del sistema.

Sistemas cerrados estacionarios.

Las tablas de vapor son recopilaciones de datos que permiten describir algunas propiedades del agua u otras sustancias.

Estas tablas incluyen propiedades como el Volumen Específico (v), la Energía Interna (u), la Entalpía (h) y la Entropía (s).

Existen varias tablas dependiendo de la región en la que se encuentre la sustancia:

• Agua sub-enfriada

• Agua saturada

• Vapor húmedo

• Vapor saturado seco

• Vapor sobrecalentado


TABLAS DE VAPOR

Fuente: http://dc189.4shared.com/doc/AeQt7ZD7/preview.htmlTERMODINÁMICA DE HIDROCARBUROS: PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

TABLAS DE VAPOR

Es una propiedad intensiva independiente (con dos propiedades intensivas independientes, como P, T, U, H, etc., se puede determinar el estado de un sistema).

U : Propiedad extensiva al igual Ec Ep (Btu-KJ)

u: Energía interna especifica (BTU/Lbm-KJ/Kg)

Para una sustancia en equilibrio vapor-líquido se puede calcular su energía interna mediante:


ENERGÍA INTERNA

vapliq UUU

gvapfliq umummu fgf

gf

xuuu

xuuxu

)1(

1. Determine la Energía Interna Específica de una muestra de vapor de agua saturado que se encuentra a una presión de 0,6MPa y que tiene una calidad del 95%.

2. Calcule la Energía Interna que poseen 100g de vapor de agua saturado, que se encuentra a 115°C y que posee una calidad del 80%.


EJERCICIOS

Esta variable (representada con la letra H) es una magnitud termodinámica, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.


ENTALPÍA

En otras palabras, la entalpía es la medida de la energía total de un sistema termodinámico.No es posible determinar con exactitud la entalpía que posee una sustancia. Lo que se mide es la variación de la entalpía (DH) que experimenta un sistema.

H = U + PV

La trasferencia de calor en un proceso a presión constante es igual al cambio de entalpia, que incluye tanto el cambio

por la energía interna como el trabajo

Un cilindro provisto de un pistón tiene un volumen de 1m3 y contiene 0,5 Kg de vapor a una presión de 0,4 MPa. Se trasfiere calor al vapor hasta que la temperatura es de 300°C, mientras que la presión permanece constante.Determine la trasferencia de calor y el trabajo para este proceso.


EJERCICIO

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