Termodinámica

I.Q. Ramiro E. Domínguez Danache

Termodinámica

• ¿Qué es la

Termodinámica?

• ¿Para qué sirve?

• ¿Donde la

encuentro?

• ¿Donde la estudio?

Termodinámica

• Parte de la Fisicoquímica que

estudia la materia, la energía y

sus transformaciones.

• Las transformaciones de la

energía de un tipo de energía en

otro están regidas por las...

Leyes de la Termodinámica.

La Termodinámica es...

La Termodinámica se puede estudiar

desde dos enfoques...

• Termodinámica Clásica

•Fenomenológica (empírica)

• Termodinámica Estadística

•Microscópica (modelos)

Leyes de la Termodinámica:

• Ley Cero: Equilibrio Térmico

• 1a. Ley: Conservación de la Energía DU = Q + W

• 2a. Ley: Permite predecir la dirección

natural de cualquier proceso y pronosticar

la situación de equilibrio.

• 3a. Ley: La entropía de una sustancia

pura y perfectamente cristalina es cero,

en el cero absoluto de temperatura.

Termodinámica ¿Donde la encuentro?

• En la Casa

• En la Oficina

• En la Escuela

• En el Transporte

• En la Industria

• En el Campo

• En el Mar

• En la Tierra

• En el Espacio

• En el Universo

Telescopio

Espacial

Hubble

NASA

Lenguaje Termodinámico:

• Sistema

• Alrededores

• Universo

• Paredes – Rígidas, Flexibles

– Diatérmicas, Adiabáticas

– Porosas

• Propiedades – Intensivas

• Densidad

• Presión

• Temperatura

– Extensivas

• Masa (g)

• Cantidad de materia (mol)

• Volumen

• Capacidad térmica

• U (Energía interna)

• H (Entalpía)

• S (Entropía)

• Energía libre: – A (Helmholtz),

– G (Gibbs).

(Extensiva/Extensiva) = Intensiva P.ej. r =(m/V)

Lenguaje Termodinámico:

Energía

Trabajo

Temperatura

Calor

Lenguaje Termodinámico: Expresiones coloquiales

• ¿Esta haciendo, o tengo mucho calor...? – Ni tengo ni hace calor...

• Creo que tengo temperatura... – Hasta los cadáveres tienen

temperatura...

• Creo que estoy muy caliente... – Comparado con qué...

• ¿Tengo o hace frío?... – Ni tengo ni hace frío...

• El termómetro indica 40°C, ¿eso es frío o caliente?

• Depende...

• Un refresco... – estará caliente

• Una taza de café... – estará “tibia”

• Un horno para pan... – estará frío

• Caliente y frío son conceptos relativos

Termodinámica: Calor y Trabajo

• Calor: Forma de

transferencia de

energía debido a una

diferencia de

temperaturas

– Conducción

– Convección

– Radiación

• Trabajo: Forma de

transferencia de

energía debido a la

acción de una fuerza

– Trabajo mecánico

– Trabajo de expansión

– Trabajo eléctrico

Tanto el calor como el trabajo son formas de

transferencia de la energía (o energía en tránsito)

Termodinámica: Temperatura

• Propiedad de los sistemas que permite: – Comparar el “grado de

calentamiento” de dos cuerpos

– Decir si dos cuerpos se encuentran en Equilibrio térmico.

– Decir de “donde” a “donde” fluye la energía

térmica (Calor)

– Ley cero de la Termodinámica

• Escalas termométricas – Relativas

• Celsius y Fahrenheit

– Absolutas • Kelvin y Rankine

373 K 100 °C 212 °F

273 K 0 °C 32 °F

0 K - 273 °C -460 °F

Termodinámica: Procesos

• Exotérmicos • Endotérmicos

Termodinámica: Clasificación de los Sistemas

• El cuerpo humano es un

Sistema Abierto que

intercambia energía tanto en

forma de calor como de trabajo

• Un Sistema Cerrado puede

intercambiar Energía pero no

Masa

• Un Sistema Aislado no

permite el intercambio de

materia ni de Energía

¿Y esta olla...?

Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?

• En la casa:

– En la cocina: estufa, olla Express, refrigerador, batidora, licuadora, lavadora de platos.

– En el baño: regadera, lavabo, boiler, secadora de pelo.

– En las habitaciones: aire acondicionado, calentadores ambientales

– En lugares muy extremosos las “paredes” son “aislantes” (adiabáticas).

Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?

• En la oficina:

– En la Cafetera, base

térmica para taza

– En el baño

– En el aire acondicionado y

calentadores ambientales

– En lugares muy

extremosos las “paredes”

son “aislantes”

(adiabáticas).

Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?

• En el Transporte

• En la Escuela

• En el Campo

• En la Industria

Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?

• En el Mar – Plataformas marinas para

extracción de petróleo

– Evaporación de agua

• En la Tierra – Manantiales de agua caliente

(geotermia), termoeléctricas, nucleoeléctricas

• En el Aire – Condensación de la humedad,

formación de nubes (agua y hielo), lluvia, tormentas, ciclones

• En el Espacio – Globos aerostáticos, aviones,

Transbordadores espaciales, Satélites

• ¿En otros planetas?

Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?

• ¿En donde encuentran ustedes a la

Termodinámica?

• ¿Podrían dar algunos ejemplos de

sistemas donde se vea a la

Termodinámica?

Mars Pathfinder rover, Sojourner

NASA and NSSDC

Después de décadas de uso

en la tierra, los sistemas

fotovoltaicos se usaron pro

primera vez en otro planeta

en 1997 cuando el Sojourner

exploró Marte. Las celdas

solares proporcionaron 16

watts bajo pleno sol.

Combustibles Fósiles

Líneas Eléctricas de transmisión enfrente de una

planta operada con carbón (2002)

Combustibles fósiles

• Tampa Electric Company's Polk Power Station, en Lakeland, Florida es una de las plantas operadas con carbón más limpias

Energía geotérmica

Planta de Vapor Flash en el sur de California. Programa de Energía

Geotérmica. Actualmente las plantas operadas con agua caliente son

la principal fuente de energía geotérmica en el mundo entero

Energía geotérmica

Los géiseres son una importante fuente de energía geotérmica

Energía geotérmica

Glenwood Springs, Colorado, usando un sistema intercambiador de calor,

se aprovecha la energía geotérmica para mantener calientes las albercas,

proveer de agua caliente de uso doméstico y para fundir la nieve.

Energía Solar

• El Cid Mega Resort Mazatlán usa un sistema Solar

Heliocol para calentar 5 albercas y proveer al sistema

de agua caliente fuera de temporada alta.

Combustibles Fósiles

Refinería de Petróleo

Energía a partir de Etanol de maíz

El etanol se puede producir a partir de almidón de maíz. También se está

desarrollando la tecnología para obtener el alcohol a partir del material

fibroso (celulosa y hemicelulosa)

Termodinámica: Biomasa (Termoquímica)

Productos plásticos hechos con aceite de pirolisis

obtenido a partir de desechos de madera.

Actualmente se trabaja en la

industria para desarrollar

tecnologías aceptables económica

y ambientalmente, para utilizar

desechos industriales y domésticos

para convertirlos en combustibles.

También se han desarrollado

procesos para hacer adhesivos y

resinas a partir de desechos de

madera. Estas resinas pueden

reemplazar a las resinas hechas a

base de petróleo y en el moldeado

para fabricación de diversos

materiales plásticos como los que

se muestran

Termodinámica: Biomasa (Termoquímica)

Planta productora de etanol a partir de tallos de la planta de de arroz, cerca

de Sacramento California. El proyecto contempla 8 millones de galones de

etanol por año y 40 millones de ácido cítrico. Debido a que los tallos de arroz

tienen una alto contenido de silica, se planea co-producir silica precipitada. - Michael McCoy, "Biomass Ethanol Inches Forward," Chemical & Engineering News, December 7, 1998,

pp. 29 - 32.

Termodinámica: Biomasa (Termoquímica)

La nueva tecnología de alta

eficiencia permite la

generación de electricidad

con biomasa.

El gasificador Batelle en

Burlington, Vermont provee

combustible gaseoso para

sistemas modernos de

potencia que pueden

alcanzar eficiencias del doble

de los equipos actuales.

Gasificador de biomasa Batelle en Burlington, Vermont. USA

Termodinámica:

Biomasa

Termoquímica

Torres de destilación

de Etanol a partir de

Biomasa.

Compañía de energía

Pekin.

Instalaciones en

Illinois

Termodinámica:

Geotermia

Sistema Geotérmico de

“Bombeo de Calor”.

Circulan agua a través

de intercambiadores

geotérmicos de calor.

Bomba de tamaño

comercial

Celdas de combustible

• Pila de combustible, también

llamada célula de combustible

o celda de combustible, es un

dispositivo electroquímico en el

cual un flujo continuo de

combustible y oxidante sufren

una reacción química

controlada que da lugar a los

productos y suministra

directamente corriente eléctrica

a un circuito externo.

«Fuel cell NASA p48600ac». Publicado bajo la licencia Dominio público vía Wikimedia Commons -

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_cell_NASA_p48600ac.jpg#/media/File:Fuel_cell_NASA

_p48600ac.jpg.

Celdas de combustible

• Una celda de combustible convierte

hidrógeno y oxígeno en agua,

produciendo electricidad y calor en el

proceso.

• Tiene dos electrodos, al ánodo

negativo y el cátodo positivo,

separados por un electrolito que sólo

permite el flujo de iones específicos.

• El combustible va en el ánodo y el

oxígeno va a l cátodo

http://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/fuel_cells.html

Locomotora de Trevithick.

Primera Locomotora usada

exitosamente. La caldera fue hecha

de acero con una cámara de

combustión interior. Los productos de

la combustión estaban dirigidos

directamente a una chimenea

localizada en la boca de la cámara.

La máquina de vapor, es decir, el

cilindro con el pistón estaba

dispuesto verticalmente, y las barras

de conexión (de transmisión) iban

conectadas al eje del motor.

Termodinámica: Máquinas de vapor

¿Qué tal ahora?

Termodinámica:

Trabajo y máquinas

2000 Ford Ranger

Esta camioneta pickup producida por Ford esta impulsada por etanol.

Desde 1999, Ford ha producido esta versión de consumo versátil de

combustibles con motor de 3.0 litros. La camioneta puede funcionar con

cualquier combinación de gasolina y etanol.

Un sensor mide el contenido de etanol y gasolina en el combustible y

ajusta los inyectores de combustible mientras opera. El combustible ya

preparado (conocido como E85), se vende en algunas gasolineras (USA),

mezclado con 15% de gasolina. La gasolina sirve para desnaturalizar al

etanol y proveer la presión de vapor necesaria para arrancar el motor en

ambientes fríos, ya que ésta tiene una presión de vapor mayor que la del

etanol.

Termodinámica: Celdas de Combustible

(Termoquímica)

Este vehículo, usa un motor eléctrico energizado por una celda de

combustible y una batería. Impulsado sólo por el hidrógeno puro

comprimido, tiene una velocidad de más de 95 millas por hora y una

independencia de más de 180 millas.

Vehículo

Toyota de

Celdas de

combustible

(Hidrógeno)

Termodinámica: (Termoquímica)

Orion II

Prototipo híbrido

eléctrico.

Manufacturado por

Bus Industries of

America.

Autobús prototipo. Eléctrico e impulsado por gas natural.

Opera silenciosamente con emisiones extremadamente bajas.

2002

Termodinámica

Superconductores

Caracterización de

Materiales

Superconductores

Determinación de los

niveles de resistencia

de Superconductores

de “alta” temperatura

de transición.

(Baño de nitrógeno

líquido)

Energía Nuclear

País UNID MW (net)

1. Estados Unidos 104 101.216

2. Francia 58 63.236

3. Japón 55 47.348

4. Rusia 32 23.084

5. Alemania 17 20.339

6. R. Corea 20 17.716

7. Ucrania 15 13.166

8. Canadá 18 12.679

9. R. Unido 19 11.035

10. China 12 9.624

11. Suecia 10 9.399

12. España 8 7.448

13. Bélgica 7 5.943

14. India 19 4.183

15. R. Checa 6 3.686

País UNID MW (net)

16. Suiza 5 3.252

17. Finlandia 4 2.721

18. Bulgaria 2 1.906

19. Brasil 2 1.901

20. Hungría 4 1.880

21. Sudáfrica 2 1.842

22. Eslovaquia 4 1.760

23. México 2 1.310

24. Rumanía 2 1.310

25. Argentina 2 935

26. Eslovenia 1 696

27. Países Bajos 1 485

28. Pakistan 2 400

29. Armenia 1 376

Energía Nuclear

Fuente: Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)-agosto 2010

Centrales

nucleares

(2013)

País UNID MW (net)

1. Estados Unidos 104 102.136

2. Francia 58 63.130

3. Japón 44 44.215

4. Rusia 33 23.643

5. Alemania 9 12.068

6. R. Corea 23 20.739

7. Ucrania 15 13.107

8. Canadá 20 14.135

9. China 17 12.860

10. Reino Unido 18 9.938

11. Suecia 10 9.395

12. España 8 7.560

13. Bélgica 7 5.927

14. India 20 4.391

15. R. Checa 6 3.804

16. Suiza 5 3.278

17. Finlandia 4 2.752

18. Bulgaria 2 1.906

19. Hungría 4 1.889

20. Brasil 2 1.884

21. Sudáfrica 2 1.860

22. Eslovaquia 4 1.816

23. México 2 1.530

http://www.minetur.gob.es/energia/nuclear/centrales/mundo/paginas/centrales_mundo.aspx

Consultada el 1 de febrero de 2016

Fuente:

Organismo

Internacional de

Energía Atómica

(OIEA)

Febrero de 2016

Energía

Nuclear

• Laguna Verde 1 Laguna Verde, Veracruz, Mexico

Boiling Water Reactor (BWR)

Salida Neta: 654 MWe

Operable. Initial criticality: 11/1988. Commercial start: 07/1990.

• Laguna Verde 2 Laguna Verde, Veracruz, Mexico

• Boiling Water Reactor (BWR)

Net Output: 654 MWe

Operable. Initial criticality: 07/1994. Commercial start: 06/1995.

Laguna Verde

Energía Nuclear

Diagrama de un reactor nuclear

¿Qué nos toca a nosotros?

• Se aceptan propuestas…