TURBOMÁQUINAS TÉRMICASCT-3412CT-3412

2-Conceptos básicos 1

Prof. Nathaly Moreno SalasIng. Victor Trejo

Contenido

� Principios básicos de la termodinámica� Primera ley de la termodinámica� Segunda ley de la termodinámica� Propiedades de estancamiento� Ecuación de continuidad� Ecuación de continuidad� Trabajo específico en una turbomáquina� Notación y triángulos de velocidad� Principio de funcionamiento de una turbomáquina� Ecuación de Euler� Rotalpía

¿Qué es la termodinámica?

Es la ciencia que estudia las transformaciones energéticasEs la ciencia que estudia las transformaciones energéticas

Se expresa a travésde 4 principios

Conceptos básicos

Sistema

Es una región del espacio definida por

un observador

Propiedad Termodinámica

Variable que cuantifica

Ciclo

Proceso que inicia y termina en el mismo

Intensivas

FRONTERA

Variable que cuantifica la situación de un

sistema

Estado

Condición del sistema definida por sus propiedades

independientes

Proceso

Es la transformación de un estado a otro

termina en el mismo estado Extensivas

Isotérmico

Isocórico Adiabático

IsobáricoReversible Irreversible

Conceptos básicos

EQUILIBRIO

Un sistema está en equilibrio siempre y cuando no ocurran

cambios en sus propiedades sin un estímulo externo

Térmico

FASE

Cantidad homogénea y uniforme de materia

Térmico

Químico

Mecánico

De fase

Sólido

Líquido

Vapor

Propiedades Termodinámicas

PRESIÓN

TEMPERATURA

Propiedades Estáticas

� El estado termodinámico de una partícula de fluido se define por sus propiedades (p, T, u, h, s); pero desde el punto de vista de la mecánica, también se requiere saber la velocidad de la partícula y, posiblemente, su posición en un campo gravitatorio.

� Las propiedades termodinámicas se denominan � Las propiedades termodinámicas se denominan propiedades de estado; son los valores que se medirán con instrumentos que son estáticos respecto al fluido.

� Las propiedades estáticas representan la estructura molecular del fluido y obedecen a todas las ecuaciones de estado y otras leyes relacionadas con las propiedades y las ecuaciones termodinámicas. La velocidad de la partícula y la elevación se especifican aparte.

Propiedades de Estancamiento

� Estado de estancamiento o total: estado queobtendría un fluido en movimiento si sufriera unadesaceleración adiabática reversible hasta llegar avelocidad cero.

Presión de estancamiento: 21cPP ρ+=Presión de estancamiento:

Entalpía de estancamiento:

Temperatura de estancamiento:

Fuentes: Fundamentos de termodinámica – Van WylenGas Turbine Theory – Savaramuttoo et al.

20 2

1cPP ρ+=

20 2

1chh +=

20 2

1c

CTT

p

+=

Propiedades estáticas y de estancamiento

0… corriente no perturbada1… punto de estancamientoP1 = P0 + ½ρC2

Representación de las propiedades

Diagrama de Fase

M

RR

RTpv

=

=

Tablas de Propiedades

Ecuaciones de estado

Primera ley de la termodinámica

Para un proceso (entre dos estados):

Donde∫ −=−112 )( dWdQEE

mgzmcUE ++= 21

Para un volumen de control abierto en estado estable:

(1)

mgzmcUE ++= 2

2

( ) ( ) ( )

−+−+−=− 1221

2212 2

1zzgccmhhmWQ x &&&

Fuente: Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery – Dixon S. y Hall C.

“La Energía del Universo se conserva”

Segunda ley de la termodinámica (1/3)

� La segunda ley establece la dirección de estastransformaciones (por ejemplo el calor fluyesiempre de un cuerpo a alta temperatura a uno demenor temperatura a menos que se realice trabajo)y su calidad (irreversibilidades en los procesos)y su calidad (irreversibilidades en los procesos)

Los procesos espontáneosno son reversibles

Segunda ley de la termodinámica (2/3)

� Para un ciclo reversible se tiene que:

� Esto es un indicio de la existencia de una propiedad

∫ = 0T

dQrev

� Esto es un indicio de la existencia de una propiedad(depende del estado y no de la trayectoria). A estaintegral evaluada entre dos estados se le llamacambio de entropía:

12

2

1SS

T

dQrev −=∫

Fuente: Manual del ingeniero mecánico Marks

Segunda ley de la termodinámica (3/3)

� Para un proceso no reversible:

� Esta expresión se puede reescribir en términos de una producción de entropía debido a irreversibilidades como fricción, procesos de mezclado o cualquier otra

12

2

1SS

T

dQ −≤∫

como fricción, procesos de mezclado o cualquier otra fuente de irreversibilidades:

irrevrev S

T

dQSS ∆+=− ∫

2

112

Fuente: Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery – Dixon S. y Hall C.

Ciclo de Carnot

Máquina de CarnotRendimiento

• No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas

tenga mayor rendimiento que una de Carnot

que funcione entre esas mismas fuentes

térmicas.

TEOREMAS DE CARNOT

• Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo

rendimiento.