UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Ejemplo Trabajo Colaborativo 1 Elaborado por: Ingeniero Víctor Fonseca Curso Termodinámica

Editado por: Ingeniera Carolina León.

EJEMPLO 1 - ESTUDIO DE UN SISTEMA TERMODIÁMICO

Ejemplo para el Trabajo Colaborativo 1

A continuación se presenta información útil para el desarrollo del primer trabajo

colaborativo, es imprescindible realizar una lectura cuidadosa de este material antes de

iniciar con el desarrollo del proyecto.

FUNDAMENTOS TÉÓRICOS

Definición de sistema termodinámico: Sistema termodinámico es un objeto real o ideal

que el observador selecciona para su estudio.

Tomemos como una nevera, es importante considerar que la nevera está constituida por

un sistema estructural que incluye el refrigerador y el congelador. Además tiene un

sistema operacional que consta de:

Un compresor (unidad), que comprime un gas (refrigerante)

Un serpentín (condensador de gas) colocado en la parte trasera de la estructura.

Un capilar ( elemento de expansión) o válvula de expansión y

Un serpentín interno (evaporador del refrigerante) colocado en una bandeja

debajo o en las paredes del congelador

Igualmente tiene un sistema de control y regulación.

Definición de alrededores: Como su nombre lo indica es lo que rodea al sistema y es

seleccionado por el observador.

En el caso de la nevera puede ser el ambiente del cuarto incluyendo el piso en el cual se

soporta la nevera, pero también la toma de la red eléctrica.

Es de aclarar que el cable eléctrico que permite el paso de corriente a la nevera puede

integrarse al sistema nevera o se puede dejar fuera a consideración del observador.

Otro alrededor puede ser el cuarto, donde se encuentra la nevera, incluyendo paredes,

techo, ventanas y piso, en una de las paredes se puede incluir la toma de corriente

eléctrica.

Si la nevera está cerrada y no está funcionando la unidad, se puede tomar como sistema

el refrigerador (sus paredes), los alrededores serían los alimentos que se encuentran

dentro del refrigerador, en un momento dado hay transferencia de calor entre los

alimentos y el refrigerador, así el compresor no funcione.

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Otro sistema que podría seleccionarse es el gas refrigerante, y los alrededores son el

compresor, el condensador que está en la parte trasera de la nevera, la válvula de

expansión o el capilar y las paredes de la tubería (evaporador) que está en contacto con

el refrigerador o con el congelador.

A continuación se presenta un diagrama que esquematiza los alrededores del sistema

refrigerante:

Para complementar la información presentada en la figura se debe acceder al siguiente

enlace en el que se presenta de forma didáctica el análisis de un frigorífico doméstico.

Realice la autoevaluación que encuentra en la página y evalúe sus conocimientos.

Constitución y funcionamiento de un frigorífico doméstico

El compresor 1, recibe energía eléctrica (es otro sistema) de la red y produce trabajo que

se utiliza para comprimir el refrigerante en estado gaseoso. Al comprimirse el gas

aumenta su presión y también la temperatura. El refrigerante, gas comprimido y caliente,

pasa a través de un serpentín o condensador 2 en donde se enfría, y se condensa.

Cuando el interior de la nevera se calienta un termostato hace que la válvula de

expansión o se abra o que el refrigerante se expanda a través del capilar 3. Para que el

gas se expanda requiere de calor que lo retira en el evaporador 4, enfriando los

alimentos. El refrigerante en estado gaseoso es succionado por el compresor reiniciando

el ciclo llamado inverso de Carnot.

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Veamos otro sencillo ejemplo, Un motor de combustión. Para efectos del estudio

termodinámico, el motor puede ser escogido como sistema, y los alrededores el cigüeñal,

elemento que recibe el trabajo producido por el motor, pero si escojo el interior del motor,

por ejemplo un pistón, el sistema debe ser el pistón elemento que recibe la presión de la

explosión de la mezcla gasolina-aire y esta presión produce un trabajo en el recorrido o

carrera del pistón.

Y un tercer ejemplo, una caldera que recibe calor de un combustible y calienta para

convertir en su interior agua en vapor; si se considera la caldera con el agua en el interior

e igualmente el combustible que se quema en el hogar (o cámara de combustión, que

hacer parte de la caldera), los alrededores serán el aire ambiente que rodea la caldera y

que recibe los gases aún calientes de combustión. Se asume que las paredes y el piso de

la caldera son refractarios y no hay flujo de calor a través de ellos.

Pero si se considera el agua y el vapor como sistema, los alrededores serán, o bien los

tubos del caldera o el tanque donde se encuentra el agua convirtiéndose en vapor y que

se llama domo.

Como se ha explicado, es fundamental que el estudiante defina de forma precisa el

sistema y sus alrededores.

Nota importante: En los estudios de termodinámica y para facilitar de un lado la

comprensión de los procesos y de otro la deducción y aplicación de formulismos

matemáticos se acude a un sistema conocido como gas ideal, pero en las

aplicaciones, los sistemas pueden ser líquidos o sólidos y en tal caso no se pueden

aplicar los formulismos empleados para el gas ideal

Definición de proceso termodinámico: Proceso es un paso o una serie de pasos que

permiten que un sistema en un estado inicial con unas condiciones dadas (establecidas

por las variables) llegue a un estado final definido por otras condiciones.

En ocasiones no se conoce la trayectoria (pasos o serie de pasos), pero se conocen los

valores de las variables tanto iniciales como finales y ello nos permite establecer la

trayectoria, o viceversa, se conocen la trayectoria y ello nos permite conocer los valores

de las variables finales o si es el caso, conociendo las finales se puede conocer o calcular

las iniciales.

Para la completa definición de un proceso se deben establecer unas condiciones iniciales

del sistema y de los alrededores y las condiciones intermedias y finales así como la

clase de proceso (trayectoria) realizado.

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A continuación se presenta el desarrollo de un problema similar al que se va a trabajar en

la primera fase del proyecto del curso, por favor léalo detenidamente pues encontrará la

forma en que deberá trabajar el tema asignado a su grupo.

EJEMPLO – PROBLEMA 1

Enunciado: En un intercambiador de placas se pasteriza leche empleando vapor de

agua producido en una caldera y se pasan 10.000 kgs de leche por hora. El estudiante

puede encontrar en internet imágenes y diagramas de operación de un pasteurizador de

leche

La leche a 12°C se calienta hasta 121°C permanece 3 segundos a esta temperatura y

luego se enfría a 20°C para su empaque. La leche entra con una presión de 50 psi, al

salir de la zona de pasterización la presión es de 38 psi y a la salida del equipo de 31 psi.

Para poder determinar el consumo de vapor que se entra al equipo a 140 °C y el de

refrigerante que entra a -6°C y sale a 10°C, e igualmente la potencia de la bomba se

debe:

Establecer para el sistema termodinámico leche:

Procesos termodinámicos desarrollados en el equipo.

Cambios de energía térmica ó calor

Cambios en la energía mecánica o trabajo y

Cambio de entropía.

Desarrollo del Problema

Análisis del proceso: La leche se somete en una primera etapa a un proceso de

calentamiento,( recibiendo calor de un vapor de agua), que se traduce en aumento de la

temperatura con pérdida de presión por el rozamiento de la leche con las paredes de las

placas del intercambiador, luego se tiene por tres segundos un mantenimiento de la

temperatura sin que se tenga una pérdida significativa de presión y a continuación sufre

un enfriamiento con retiro de calor ( por un refrigerante) y descenso de temperatura y con

pérdida de presión por rozamientos.

Es de anotar que las pérdidas de presión del fluido obedecen a fricción o rozamiento del

líquido con la superficie del intercambiador.

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Elaboración del diagrama: Una importante etapa para desarrollar el problema consiste

en hacer un diagrama de flujo que represente visualmente el sistema termodinámico y las

corrientes de entrada y salida.

Definición del sistema termodinámico: El sistema termodinámico es la leche en estado

líquido.

Definición de los procesos termodinámicos: Se tienen tres procesos termodinámicos

Calentamiento con cambio de presión y considerando la leche como un fluido

incompresible no se tiene cambio de volumen, es decir proceso isocórico.

Descanso o mantenimiento de temperatura (proceso isotérmico) y

Enfriamiento en condiciones similares al proceso de calentamiento.

Elaboración de tabla con condiciones del problema: En la siguiente tabla se presentan los

puntos requeridos para definir las condiciones del problema, este es el formato que se

requiere para el trabajo colaborativo 1.

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El calentamiento es producido por el vapor que se condensa y el enfriamiento por el

refrigerante que se calienta. Es de anotar que en el intercambiador de calor para la leche

se presenta trabajo, debido a la caída de presión que sufre la leche al pasar por el

intercambiador de placas, este trabajo es producido por la bomba.

Recuerde que el ejemplo representa un modelo de las actividades que debe desarrollar

para la presentación del primer trabajo colaborativo.