Termodinámica Técnicared.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2017279/pdf/und_1/cap1... ·...

Alexánder Gómez

Termodinámica TécnicaFundamentos

Bogotá, D.C., 2011

Capítulo 1.: Procesos de transformación de la energía y su análisis

Contenido1.0 Introducción1.1 Formas de la energía1.1.1 Energía mecánica1.1.2 Energía interna1.1.3 Calor y trabajo1.2 Análisis termodinámicos1.2.1 Sistemas termodinámicos1.2.2 Primera ley de la termodinámica1.2.3 Segunda ley de la termodinámica1.3 Propiedades termodinámicas de la materia1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas1.4 Sistemas técnicos de transformación1.4.1 Sistemas de generación de potencia1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento

Contenido

1.5 Procesos termodinámicos1.5.1 Estado termodinámico1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado1.5.4 Equilibrio termodinámico1.6 Temperatura y equilibrio térmico1.6.1 Ley cero de la termodinámica1.6.2 Energía cinética molecular y la temperatura1.6.3 Temperatura empírica1.7 Dimensiones y unidades1.8 Resumen

1.0 Introducción

Primera ley de la termodinámica: principio de conservación de la masa y la energía Criterio cuantitativo

Segunda ley de la termodinámica: asimetría de la transformación de la masa y la energía Criterio cualitativo

Propiedades termodinámicas de la materia

Maquinaria y equipos de transformación

Tecnología

EconomíaEcología

Energía primaria

Procesos de transformación

Energía final

Energía útil

Usos no energéticos y disipación

Disipación

Termodinámica

Campos de estudioTermodinámica química:

equilibrio químicoTermodinámica técnica:

equilibrio térmico

Escala de referenciaTermodinámica estadística:

enfoque microscópicoTermodinámica clásica: enfoque

macroscópico

Termodinámica de ‘no equilibrio’

Termodinámica de ‘equilibrio’

Tiempo

1.0 Introducción

Energía gravitacional

Energía geotérmica

1.1 Formas de la energía

Energía nuclear

Energía químicaEnergía

solar

Fuente de energía ‘Transportador’ de energía

Combustibles fósiles

Radiación solar

Uranio y otros

Planetas, satélites

Núcleo terrestre

Procesos de transformación

Combustión

Fisión nuclear

Transferencia de calor

Absorción

Movimiento

Energía geotérmica

Energía solar

Energía gravitacional

Uso directo

Uso indirecto

Central térmica solar

Colectores solares (Q)

Fotovoltaica, celdas

Energía hidráulica

Energía eólica

Celdas combustible; H2

Térmica: atmosférica

Biomasa


Fuentes renovables de energía


Energía

Energía interna: U

Energía mecánica

Calor: ΔQ

Trabajo: ΔW

Cinética: Ec

Potencial: Ep

Convección

Radiación

Conducción

Mecánico

Eléctrico,etc

Volumétrico

2v2

c

rmE =

mgzE =p

1.1.1 Energía mecánica

1p,11mec, mgzEE ==

2v2

2c22mec,

rmEE ==

cte.pcmec =+= EEE0;0v 1c1 == Er

Energía mecánica:

m

m

Z2=0

0;0 2p2

Z1

== EzUQ Δ→

1.1.2 Energía interna

En un sistema en reposo, en el que la energía mecánica es cero, su energía total es igual a su energía interna U.

Energía térmica interna: energía cinética y potencial del movimiento molecular

Energía química: por los enlaces

moleculares

Energía nuclear:contenida en el núcleo o átomo

m

UEE =⇒= totalmec 0

Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de temperatura.

1.1.2 Energía interna

Q

Wm

UΔ

Variación de la energía interna:La energía interna de un sistema se modifica por el transporte de energía a través de las fronteras del sistema, por tres formas diferentes:

1.Por transferencia de calor

2.Por realización de trabajo

3.Por la energía asociada al transporte de masa

T

1.1.3 Calor y trabajo Mecanismos de transferencia de calor

21 TT > Conducción1T 2T

1fluido TT ≠ Convección1fluidoT 1T

RadiaciónIncidente

Absorbida

TransmitidaReflejada

1.1.3 Calor y trabajoAlgunas formas de energía transferida por trabajo

φF

dz1

2 Trabajo:

∫∫ ⋅==2

1

2

112 cos dzFdzFW φ

Trabajo volumétrico:

( ) ∫∫ −=⋅−=2

1

2

1

Vrev,12 pdvdzApW

V

p

dz

área transversal:A

Trabajo de eje:

τττπτ

τdMnW )()(2 d

2

1 deje

12 ∫=ταω

πω

ddn == ;

2dF+F−

α αd

bdM

Corte del eje

1.2 Análisis termodinámicos

Transformación de la energía

Principio de conservación: Primera ley de la termodinámica

Principio de asimetría: Segunda ley de la termodinámica

Análisis cuantitativo Análisis cualitativo

thη

Calidad de la energía

Baja MediaAlta

Exergía

ex

Anergíaη

Frontera: fs Ambiente: aImaginaria

Real

Estática

Móvil

Rígida

Variable

Analogía con la mecánica: diagrama

de cuerpo libre

1.2.1 Sistemas termodinámicos

Identificación del objeto de análisis: Sistema termodinámico


Gas

Ambiente

Frontera:• Sin espesor• No ocupa masa ni volumen• No permite acumulación de

energía• Su posición y propiedades se

deben definir claramente (por medio de símbolos y texto)

• Puede ser conveniente el análisis a través de subsistemas

Identificación del objeto de análisis: Sistema termodinámico

Gas en dispositivo pistón-cilindro

dm

dm

dE

Abierto (volumen de control)

dm = 0 dE

Cerrado (masa de control)

dm = 0 dE = 0

Aislado


SistemaPropiedades de intercambio

Energía MasaAbierto o volumen de control

Sí Sí

Cerrado o masa de control Sí No

Aislado No No


1.2.2 Primera ley de la termodinámica

J. R. Mayer: realiza en 1842 la primera publicación del principio de la conservación de la energía en el sentido con el que se comprende actualmente.

J. P. Joule: en 1843 publica los resultados de sus estudios experimentales sobre el principio de conservación de la energía.

H. L. F. von Helmholtz: ofrece en su publicación de 1847 una interpretación mécanica completa del principio de conservación de la energía.* Fotografías en dominio público


Algunas formulaciones de la primera ley:

• En toda modificación de un sistema aislado, la energía total del sistema se conserva constante

• La energía de un sistema se modifica únicamente con el suministro o retiro de energía a través de sus fronteras.

• La energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma.


Q

⇐Δ⇒ U

Aislamiento térmico T

QdU δ=

W

WdU δ=

Procesos para dT iguales:

Aumento de U por fricción

Equivalencia energética entre el calor y el trabajo

T

1.2.3 Segunda ley de la termodinámica

Thomas Newcomen: desarrolla la primera máquina de vapor funcional en 1712, en Gran Bretaña.

James Watt: desarrolla el condensador de vapor separado del sistema pistón cilindro de la máquina de vapor alrededor del año 1770.

Sadi Carnot: busca optimizar el funcionamiento de las máquinas de vapor mediante su análisis teórico. En 1824 se pregunta:¿Tiene un límite el posible mejoramiento de la eficiencia térmica de la máquina de vapor?¿Se puede convertir todo el calor en trabajo?* Fotografías en dominio público

Clausius: ‘El calor no puede fluir por si mismo desde una temperatura menor a una mayor’

Thomson (Lord Kelvin): ‘Es imposible extraer calor de un recipiente y convertirlo completamente en trabajo sin causar otros cambios en el universo’

Max Planck: ‘Es imposible construir una máquina que funcione cíclicamente, que no genere más efectos que el de elevar una carga y enfriar un recipiente térmico’


* Fotografías en dominio público


T = 75 °C

Calor

Ambiente: T = 20 °C

T /°C

tiempo

El principio de Carnot introduce el cambio: la asimetría

¿Calor?


entQ

salQ

mayorT

menorT

netoW

Sistema

entQ

netoent WQ =

mayorT

menorT

netoW

Sistema

¡Imposible!

La formulación tecnológica de la segunda ley establece que no es posible construir una máquina con una eficiencia térmica del 100 %.

Modelo de sólido: las moléculas tienen libertad de movimiento restringida y una energía vibracional alta.

1.3 Propiedades termodinámicas de la materia

Modelo de gas: las moléculas tienen mayor libertad de movimiento y una energía cinética alta.

Modelo de líquido: las moléculas están relativamente cerca, pero tienen mayor energía cinética que en el sólido correspondiente.

1.3 Propiedades termodinámicas de la materia

Diagrama de fases

A BC

ED

F

G HI J

Sustancia: Dióxido de carbono - CO2

Superficie presión, volumen, temperatura

1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas

Propiedades termodinámicas

p, T m, V

Propiedades intensivas: no dependen de la masa

Propiedades extensivas: dependen de la masa

m; T

21 TTT == 21 21

21 mmm +=1: 1/2 2: 1/2

Propiedades específicas: extensivas / masa

ρ1 :específicoVolumen ==

mVv

1.4 Sistemas técnicos de transformación

Clasificación según sus aplicaciones

Calentamiento y enfriamiento

Generación de potencia

Clasificación según las sustancias de trabajo

Operación con vaporOperación con gas

1.4.1 Sistemas de generación de potencia

Generación de potencia

Combustión externaCombustión interna

Operación con gas Operación con vapor

MotoresTurbinas

Joule-Brayton

Motores Turbinas

Stirling Clausius-Rankine

Seiligero dual

Otto Diesel

1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento

Calentamiento y enfriamiento

Calentamiento Refrigeración

Tradicional (egía. primaria)

Sistemas por compresión

Sistemas por absorción

Licuefacción de gases

Sistemas de bombas de calor

Sistemas de potencia - calor

Operación con gas Operación con vapor

Joule-Braytoninvertido

Clausius-Rankineinvertido

patm = 1,013 bar

Liq. Liq. + vap. Vapor

V / m3

T / °C

20 1Expansión

Estados: 1 2 3 4 5 6

Sistema heterogéneo: (2 fases)

1.5 Procesos termodinámicos

Cambio de fase representado en el diagrama T – v

Sustancia pura: Agua - H2O Sistema homogéneo: (1 fase)

Propiedades: p, v, T

Cambios de estado, procesos y ciclos

),(),( vTfpyxfz =⇒=Ecuación de estado:

702

1003 4 5

6

• Sistemas homogéneos: composición química y propiedades físicas iguales en todo el sistema (fase única).

• Sistemas heterogéneos: se componen de dos o más fases. Se presentan gradientes apreciables en la interfase (p.e., densidad).

• Sistemas continuos: variación continua de las propiedades de las sustancias de trabajo (p.e.,una vela en combustión).

• Sustancias puras: tienen una composición química uniforme e invariable. Si la sustancia se presenta en más de una fase, su composición química se conserva en cada una de ellas.

1.5 Procesos termodinámicos

Estado de un sistema: representa el conjunto de sus propiedades mensurables y que son independientes de su historia o trayectoria previa.

Estas propiedades describen el sistema de manera macroscópica a través de la asignación de valores numéricos determinados para ellas.

No todas las propiedades termodinámicas son independientes entre sí.

1.5.1 Estado termodinámico

1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos

Cambios de estado: constituyen el paso de un sistema de un estado a otro debido a los efectos externos sobre el sistema (solamente se pueden generar por variaciones en las propiedades intensivas).

Procesos termodinámicos: corresponden a cambios o una serie de cambios de estado asociados a una tecnología específica.

Ciclos termodinámicos: constituyen un proceso o una serie de procesos en los que el estado final es idéntico (en sus propiedades termodinámicas) al estado inicial.

1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado

Ecuaciones de estado: son las expresiones matemáticas para los posibles estados de equilibrio de un sistema. Estas ecuaciones representan las relaciones entre las propiedades del sistema. El estado se determina de manera unívoca mediante los valores de sus propiedades independientes (no todas son independientes entre sí) y que no son función de la trayectoria del sistema (en el sentido termodinámico).

Propiedad Z como función de n propiedades independientes X1, X2, … Xn :

Z = f ( X1, X2, … Xn ) [enunciado experimental]

1.5.3 Ecuación de estado y principio de estadoPrincipio de estado: El principio de estado establece que el número de propiedades independientes en un sistema, es uno más que el número de interacciones relevantes de trabajo del sistema.

Sistema simple: Sólo se presenta una forma de transferencia de energía por medio de trabajo.

Principio de estado para sistemas simples: El estado de un sistema simple se especifica completamente por dos propiedades intensivas independientes.

Equilibrio termodinámico: se presenta cuando las propiedades termodinámicas no varían al aislar el sistema de

su ambiente (ausencia de gradientes).

Equilibrio

Equilibrio termodinámico

Químico

Fases Térmico, T

Mecánico, p

1.5.4 Equilibrio termodinámico

1.6 Temperatura y equilibrio térmico

Medida de lo ‘caliente’ o ‘frio’: sensaciones

Incapacidad de hacer mediciones precisas, reproducibles y en intervalos amplios

Se desarrollan los termómetros: usan como principio la medición de propiedades físicas que varían en función de

la temperatura (dimensiones geométricas; resistencia eléctrica; potencia de radiación; fuerza electromotriz, etc.)

1.6.1 Ley cero de la termodinámica

“Dos cuerpos en equilibrio térmico (sistemas 1 y 2) con un tercero (sistema 3), están en equilibrio térmico entre sí.”

T1

T2

Sistema aislado

T1 > T2

Sistema 3

Termómetro

Sistema 1

Sistema 2

Luego de un tiempo suficiente t,

T1 = T2

1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura

Energía térmica : formas sensible y latente de la energía interna

Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de temperatura.

1.6.3 Temperatura empírica

°C °F100 212

0,010

40 104PF PF

ΘC = 5/9 (ΘF – 32)

ΘF = 9/5 ΘC + 32

Líquido del termómetro: Mercurio

Fusión del hielo:θ = 0 °C / Hoy: θ = 0,01 °C(punto triple del agua)

Evaporación del agua:θ = 100 °C(presión normal)

Fusión de mezcla agua-sal:

θF = 0 °F -- θ = -17,8 °C

Evaporación del agua:

θF =212 °F / θ=100 °C

Escalas en 100 partes iguales

Astrónomo Anders Celsius (1701 – 1744) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736)

1.7 Dimensiones y unidades

Dimensión

Fuerza

Presión*

Energía**

Potencia

Algunas unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades (SI)Unidad

Newton

Pascal

Joule

Watt

Símbolo

N

Pa

J

W

Definición

1 N = 1 kg m s-2

1 Pa = 1 N m-2 = 1 kg m-1 s-2

1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2

1 W = 1 J s-1 = 1 kg m2 s-3

* 1 bar = 105 Pa = 105 N m-2 / 1 atm = 1,01325 bar** Cantidad de calor: 1 cal = 4,18068 J

1.8 Resumen

• La termodinámica clásica o fenomenológica sigue un enfoque macroscópico.

• Dentro de la termodinámica clásica, la termodinámica técnica estudia el equilibrio térmico a través de las leyes generales que rigen la transformación de la energía; las variaciones en las propiedades termodinámicas de la materia y su aplicación en el análisis de procesos y equipos técnicos.

• Los procesos termodinámicos (cambios de estado de sistemas termodinámicos) ocurren, principalmente, por medio de la transferencia de energía en forma de calor y de trabajo.

• Las herramientas fundamentales para los análisis termodinámicos se soportan en tres principios físicos fundamentales: la conservación de la masa; la conservación de la energía y las limitaciones presentes en sus procesos de transformación (disipación de la energía).

1.8 Resumen

• Las fuentes de energía y sus procesos de transformación son un paso fundamental para el desarrollo económico y social y, al mismo tiempo, generan grandes impactos ambientales. Por estas razones la termodinámica es un campo de estudio fundamental para el desarrollo sostenible.

• El origen de la termodinámica se ubica en las labores de explicación del funcionamiento de las máquinas térmicas (del motor de vapor).

• La termodinámica técnica brinda un apoyo fundamental en las labores de explicación y análisis pero…¡no provee reglas o recetas de cocina para la invención!

Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica • ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.: Termodinámica. Ed. McGraw-Hill:

Bogotá y otras, 2006.Es un texto sencillo y extenso en sus explicaciones, que cubre todo el contenido del curso y puede seguirse para su desarrollo.

• JONES, J. B.; DUGAN, R. E.: Ingeniería Termodinámica. Ed. Prentice Hall.: México, D.F., 1997.Se hace un buen manejo teórico y explica con detalle el planteamiento y la deducción de ecuaciones.

• MORAN, J. M.; SHAPIRO, H. N.: Fundamentos de termodinámica técnica (2. Edición en Español correspondiente a la 4. Edición Original). Ed. Reverté, S.A.: Barcelona, 2004.Presenta un buen equilibrio entre teoría, ejemplos y ejercicios; cubre el contenido completo del curso; es una buena guía para el estudio autónomo.

Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.: Fundamentals of Classical

Thermodynamics (SI Version). Ed. John Wiley & Sons: Singapore, 3ra. edición, 1985. Cubre el contenido completo del curso y presenta una amplia variedad y equilibrio de ejemplos y ejercicios.

• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.: Fundamentos de Termodinámica. Ed. Limusa – Grupo Noriega Editores: México, D.F., 2004.Corresponde a la evolución de “Fundamentals of ClassicalThermodynamics”, con complementos en teoría y ejercicios.

• POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W.: Termodinámica paraIngenieros (Traducción de Schaum´s outline of theory and problems of thermodynamics for engineers). McGraw-Hill: Madrid, 2004. ISBN 84-481-4282-9Se hace una presentación resumida de la teoría y se enfoca en ejemplos y problemas resueltos.

Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica• BAEHR, H.D.; KABELAC, S.: Thermodynamik. Grundlagen und

technische Anwendungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New York, 2006.

• STEPHAN, P.; SCHABER, K.; STEPHAN, K; MAYINGER, F.: Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New York, 2006.

• LUCAS, K.: Thermodynamik. Die Grundgesetze der Energie- undStoffumwandlungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, 1995.

Los textos de termodinámica técnica alemanes cubren el contenido completo del curso; presentan de manera detallada los fundamentos teóricos y hacen uso de ejemplos específicos y bien seleccionados; estos textos no hacen una presentación excesiva de ejercicios, pero los que se incluyen son bien estructurados.

¡Gracias por su atención!

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