1

TERMODINÁMICATERMODINTERMODINÁÁMICAMICADORY CANO DDORY CANO DÍÍAZAZ

MScMSc. Ingeniero Civil Mec. Ingeniero Civil Mecáániconico

Junio de 2007

INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN

OBJETIVOSOBJETIVOS

• Comprender y aplicar los principios y conceptos básicos de la Termodinámica

• Realizar balances simples de masa y energía en máquinas térmicas.

• Conocer y aplicar las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento térmico de la materia, en la resolución de los problemas de Ingeniería

2

•• CONCEPTOS:CONCEPTOS:

1. ENERGÍA

2. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS : P Y T

3. SISTEMAS TERMODINÁMICOS: ABIERTOS, CERRADOS Y AISLADOS

4. DEFINICIÓN DE LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA Y EXPRESIÓN

DE LA PRIMERA LEY

5. ANALISIS DE PROCESOS CON VAPOR DE AGUA.

6. DEFINICIÓN DE PROCESOS POLITRÓPICOS

7. DEFINICIÓN DE CICLOS TERMODINÁMICOS

8. EJERCICIOS DE APLICACIÓN

¿ De donde proviene ? Griego:

Thermè � Calor

Dynamis� Fuerza o potencia

Describe los esfuerzos por convertir el Calor en potencia

1.1.1.1.-- TermodinTermodináámica Y Energmica Y Energííaa

3

¿ Qué es ? Es la ciencia del calor o de la energía (capacidad de producir cambios).

Involucra conceptos de:

•Calor

•Trabajo

•Temperatura

El Calor comienza a ser objeto de estudio (S XVIII-XIX) a raíz del invento de la MAQUINA DE VAPOR

posibilidad de obtener

Trabajo a partir del Calor

Nacimiento de la Nacimiento de la TermodinTermodináámicamica

4

Unidad 1: Introducción a la Termodinámica

www.museoscienza.org/energia/ vapore/new.gif

5

Primer ppo de la Termodinámica

Equivalencia entre Calor y trabajo

Concepto de Entropía

Para conseguir que pase calor de un cuerpo a otro a T°más alta siempre es necesario realizar trabajo

Segundo ppo de la Termodinámica

Unidad 1: Introducción a la Termodinámica

Principio de la Conservación de la energía

Ley Fundamental de la Naturaleza:

Durante una interacción la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de

energía permanece constante

La 1°LT: Expresión sencilla del ppo conservación de la energía � Energía es una Propiedad Termodinámica

La 2°LT: Establece que la energía tiene tanto Cantidad como Calidad. Procesos reales � Degradación de energía

6

Frontera: Superficie real o imaginaria que separa el sistema de sus alrededores.

Sin espesor, masa o Volumen.

Esta puede ser: Fija o móvil

Sistemas Termodinámicos

Tipos de límites ó fronteras de los sistemas

· Adiabáticos, cuando no pueden ser atravesados por el calor.

· Diatérmicos, si permiten la transferencia del calor.

· Rígidos, si no permiten el cambio de volumen.

AislaciAislacióónn perfectaperfecta

Sistema Adiabático

Q = 0

Sistemas Termodinámicos

7

1.1.-- Sistemas Cerrado Sistemas Cerrado óó Masa de ControlMasa de Control

Mechero

• Materia fija (constante)

• No hay intercambio de masa a través del límite.

• Sí hay intercambio de energía

• Límite puede variar

Ejemplo

Ampolleta

El agua en plantade fuerza

Sistemas Termodinámicos

Sistemas Termodinámicos

2.2.-- Volumen de control o Sistema abiertoVolumen de control o Sistema abierto

límite

Flujo A

Flujo B

• Intercambio de masas y energías a través del límite.

Ejemplo

Turbinas (vapor o gas)

Motor de combustión.

Bomba

8

Motores y bombas térmicasSe definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos fuentes de energía , no obstante el cual permanece sin cambios.

Ciclos de Potencia

C. Potencia C. Refrigeración (BBs Acond. Aire)

C. Gas C. Vapor

MCI:

Ciclo OTTO y DIESEL

MCE:

Ciclo de BRAYTON:

Simple, C/ regeneración

C/ interenfriamiento, recalentamiento y

regeneración

Ciclo ideal de refrigeración por

compresión de vapor

Ciclo en cascada

Ciclo por compresión múltiples etapas

Ciclo por absorción

Los Ciclos TermodinLos Ciclos Termodináámicosmicos

C. Gas C. Vapor

MCE:

Ciclo de RANKINE:

Simple, C/ recalentamiento , C/ regeneración.

Ciclos de vapor BINARIOS

Ciclos combinados GAS-Vapor

Ciclo de BRAYTON INVERTIDO

9

APLICACIONES

•Planta de vapor o de fuerza Energía eléctrica

Caldera

Turbina

Condensador

Bomba

G Generador

2.3.3.- Algunos dispositivos de Ingeniería de Flujo Permanente

INTERCAMBIADORES DE CALOR

10

11

APLICACIONES

• Refrigeración

Válvula de Expansión

Condensador

Compresor

Evaporador

W

QL

QH

12

13

El secado de la madera depende de varios factores:

La velocidad del aire, la humedad dentro de las cámaras secadoras y hornos secadores de madera, la temperatura de la misma, el espesor de la madera, el tipo de madera, etc.

Controlando éstos parámetros, controlamos la velocidad del secado, la calidad del misma y la humedad final de la madera.

14

LAS RELACIONES TERMODINLAS RELACIONES TERMODINÁÁMICAS MICAS APLICABLES A APLICABLES A

SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SIST. ABIERTOS Y SIST. CERRADOS SON DIFERENTES !!!!!!!SON DIFERENTES !!!!!!!

RECONOCER TIPORECONOCER TIPO ANALIZARANALIZAR

15

FORMAS DE ENERGFORMAS DE ENERGÍÍAA

La energía puede existir de distintas formas y su suma constituye la energía total de un sistema .

La Termodinámica trata con variaciones de energía

En Termodinámica es útil considerar la energía en 2 grupos que forman la Etotal:

MACROSCOPICA: Son las que posee un sist. como un todo (dep. de puntos de referencia: veloc, altura)

MICROSCOPICA: Relacionados con estructura molecular del sistema, independiente se marcos de Ref. externos

Σ E_Micro = E_interna (U)

Los sistemas cerrados cuya velocidad y elevación permanecen constantes durante un proceso se conocen

como Sistemas permanentes (SPSP)

La mayoría de los sistemas cerrados son permanentes

�������� no presentan variación de E_cinetica ó E_potencial

El cambio en la Etotal de un SP es identico al cambio en la E_interna

16

ENERGÍA INTERNA

Asociada :

(1)(1) Grado de Actividad Molecular: Suma de la Ec

Ec_rot + Ec_trasl +Ec_vibración = Ec_molecula

• Porción de Einterna asociada a la Energía cinetica de las moléculas se llama ENERGÍA SENSIBLE

(2)(2) Fuerzas Moleculares: Fzas que unen a las moléculas entre sí. Mayores en sólidos�liquido�gas

(cambios de Fase cuando las moléculas se van separando)

• La Einterna asociada a la fase de un sistema se llama ENERGÍA LATENTE

Otras:

• La Einterna asociada a la fuerza que unen los átomos-moleculas se llama ENERGÍA QUÍMICA (o de

enlace)

(Generalmente los procesos termodinámicos ocurren sin modificar la composición química de un sistema

� excepción procesos de Combustión)

• La Einterna asociada a los enlaces dentro del núcleo se llama

ENERGÍA NUCLEAR

17

ENERGÍA MACRO= E Cinética+E Potencial

ENERGÍA MICRO= ESENSIBLE+ELATENTE+EQUÍMICA+ENUCLEAR

Propiedades (o magnitudes de estado) y

Estado de una Sustancia

Propiedad es cualquier característica evaluable de un sistema, cuyo valor depende de las condiciones de éste (de su estado)

18

• Propiedades Extensivas:Propiedades Extensivas: propiedades que dependen del tamaño o extensión del sistema

• Propiedades Intensivas:Propiedades Intensivas: Independientes del tamaño, masa o magnitud del sistemaLas propiedades intensivas se representan con letras minúsculas, (excepción de la temperatura y presión)

Las propiedades extensivas se convierten en intensivasintensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad).

EXTENSIVAS INTENSIVAS

V, U, H,

ESPECÍFICAS MOLARESv, u, h, s v, u, h

(Mol)

T, P, ρρρρ

PROPIEDADES DE UN SISTEMAPROPIEDADES DE UN SISTEMA

(kg)

19

Densidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustanciasDensidad de algunas sustancias

En la tabla se muestra la densidad de algunas sustancias, expresada en kg/m3.

SUSTANCIA DENSIDAD (kg/m3)Aire 1,28

Petróleo 800

Benceno 880

Agua 1.000

Aluminio 2.700

Hierro 7.860

Cobre 8.900

Plomo 11.340

Mercurio 13.500

Oro 19.300

Osmio 22.610

ESTADO Y EQUILIBRIOESTADO Y EQUILIBRIO

Estado es un punto donde el sistema no tiene ningún cambio

De esta forma se pueden calcular sus propiedades.

Un conjunto de propiedades describen el estado

ObsObs::

En un estado todas las propiedades tienen valores fijos. Si el valor de una propiedad cambia ��������

EXISTE OTRO ESTADOEXISTE OTRO ESTADO

20

Estado de Equilibrio:

un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades.

Equilibrio Termodinámico:

Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. (Ej: Equilibrio Térmico, mecánico, químico, etc)

• Procesos CProcesos Cííclico: clico: Un sistema se somete a un CICLO si al terminar el proceso regresa a su estado inicial (eini=efin)

• Proceso ReversibleProceso Reversible: S/efectos disipativos(S/roce, S/TdeC, S/degrad. Energía) Es un proceso idealizado.

• Proceso IrreversibleProceso Irreversible: Proceso Real

21

Trayectoria : es la serie de estados por la cual pasa un sistema durante un proceso

Descripción Completa de un proceso ⇒ especificar:

• Estado inicial

• Estado Final

• Trayectoria

• Interacción con su alrededor

Politrópicas:

Constituyen una gran familia de evoluciones ó procesos que permiten estudiar gran cantidad de fenómenos reales (motores, compresores, ciclos de vapor, ciclos gas-vapor, etc)

• Isóbaras (presión constante). Del tipo P= Cte.

• Isócoras (volumen constante). Del tipo V = Cte.

• Isotermas (temperatura constante). Del tipo P·V = Cte.

• Adiabáticas sin roce (DQ = 0, que después llamaremos isentrópicas) Del tipo p·Vg = Cte.

Prefijo ISO: Denota cuando una propiedad permanece fija o constante durante un proceso

22

Diagramas de procesos más comunes: P-V, T-V

Las politrópicas tienen la forma genérica del tipo:

PVn = Cte.

En que n es el coeficientepolitrópico. El valor de n puede variar de 0 a infinito.

23

PresiPresióónn

La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área

Presión �������� GASES y LIQUIDOS (P. Hidrostática y P. Dinámica)

�������� SÓLIDOS (Esfuerzo)

Recordar...Recordar...

• Presión en un fluido aumenta con la profundidad (mayor peso)

• Si existe gravedad la presión varía en sentido vertical

•Unidades: 1Pa=1N/m1Pa=1N/m22 1bar=101bar=1055Pa= 0.1MPa=100kPaPa= 0.1MPa=100kPa

(SI) 1atm=101325Pa=101,325kPa=1,01325bar(SI) 1atm=101325Pa=101,325kPa=1,01325bar

(Sist. Ingl(Sist. Ingléés) s) lblb/pulg/pulg22 ==psipsi 1atm=14,696 psi

En ECUACIONES ECUACIONES y TABLAS TERMODINTABLAS TERMODINÁÁMICASMICAS la mayoría de las veces se emplea la presión absoluta:

En general ���� P=Pabs

Ejemplo:

Si se le agrega ‘a’ � absoluta Psia

‘g’ � manométrica Psig

24

•Presión absoluta: Presión real de un sistema

•Presión manométrica: Presión medida abierta a la atmósfera

•Presión de vacío: Presiones bajo la Presión atmosférica

Pabs=Pmanométrica+ Patm Pvacío =Patm - Pabs

1.1.1.1.99..-- Temperatura y Ley Cero de la TermodinTemperatura y Ley Cero de la Termodináámicamica

Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos

diferentes:

la TTemperaturaemperatura es una propiedadpropiedad de un cuerpo y el CCaloralor es un flujo de energflujo de energííaa entre dos cuerpos a

diferentes temperaturas.

Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico y determina la capacidad de un sistema para

intercambiar calor. Su unidad es el Kelvin (K)

25

Ley cero de la TermodinLey cero de la Termodináámicamica

Dos cuerpos estDos cuerpos estáán en equilibrio tn en equilibrio téérmico si rmico si indican la misma Temperatura, incluso si no se indican la misma Temperatura, incluso si no se

encuentran en contactoencuentran en contacto

∆∆∆∆ t [ ºC ] = ∆∆∆∆ t [ K ]

∆∆∆∆ t [ ºF ] = ∆∆∆∆ t [ R]1K1K 11°°CC 1.8R1.8R 1.81.8°°FF

Las escalas de temperatura se basan en los puntos de congelamientocongelamiento y ebulliciebullicióónn del agua.

SI: Escala Celcius (°C)

Sistema Inglés: Escala Fahrenheit (°F)

Existe también la escala de T° termodinámica. Esta escala en :

(indep. De prop de 1 o varias sustancias)

Sistema Internacional: Escala Kelvin (K)

Sistema Inglés: Escala Rankine (R)

26

Comparación de escalas de temperatura

ºK ºC ºR ºF

0,00 -273,15 0,00 -459,67

273,16

273,15

32,02

32,00

491,69

491,670,00

0,01

373,15 100,00 671,67 212,00

Ceroabsoluto

Punto deebullicióndel agua.

Punto tripledel agua,punto decongelación

.

Punto de ebullición a presión atmosférica

Punto de congelamiento

Cero absoluto

ºFºC ºRºK

212672373

0

100

32273 492

0 -273 0 -460

Wark

ComparaciComparacióón molecular entre sn molecular entre sóólidos y llidos y lííquidos quidos

GASES-Desorden total-Partículas tienen completa libertad de movimiento.-Partículas tienden a estar alejadas entre si- Forma y volumen indeterminado.

LÍQUIDOS-Menor desorden-Partículas tienen movimiento relativo entre si-Partículas tienen mayor cohesión (juntas)- Forma determinada al recipiente que los contiene

SÓLIDOS-Orden-Partículas fijas en una posición determinada. -Partículas unidas entre si- Forma y volumen determinado

Calentar

Enfriar

Calentar

o reducir

presión

Enfriar o

comprimir

Las sustancias existen en fases distintas dependiendo de la Temperatura y la Presión

Fases principales � GASEOSOSGASEOSOS -- SSÓÓLIDOSLIDOS –– LLÍÍQUIDOSQUIDOS

27

2.1.2.- Fases de una Sustancias puras

SolidificaciónFusión

CondensaciónVaporización

Sublimación Deposición

Sólido

Gas

líquido

ENERGIA

1.1. LIQUIDO COMPRIMIDO:LIQUIDO COMPRIMIDO: QUE NO ESTÁ A PUNTO DE EVAPORARSE

2.2. LIQUIDO SATURADO:LIQUIDO SATURADO: LIQUIDO A PUNTO DE EVAPORARSE

3.3. VAPOR SATURADO:VAPOR SATURADO: VAPOR A PUNTO DE CONDENSARSE

4.4. MEZCLA SATURADAMEZCLA SATURADA DE LIQUIDO-VAPOR

5.5. VAPOR SOBRECALENTADO:VAPOR SOBRECALENTADO: VAPOR QUE NO ESTÁ A PUNTO DE CONDENSARCE

ESTADO 1

Mezcla saturada liq-vapor

ESTADO 5

28

29

a) Estados de líquido saturado y de vapor saturado

SubSubííndice ndice ‘‘ff’’::

Se emplea para denotar prop. De LIQUIDO SATURADOLIQUIDO SATURADO

SubSubííndice ndice ‘‘gg’’::

Se emplea para las propiedades de VAPOR SATURADOVAPOR SATURADO

SubSubííndice ndice ‘‘fgfg’’:

Denota la diferencia entre los valores de vapor saturadovapor saturado y liquido saturadoliquido saturado de la misma propiedad

30

• CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL AGUA

Punto Crítico

Punto Triple

PRESIÓN

TEMPERATURA

LÍQUIDO

VAPOR

SÓL IDO

2.1.2.1.-- Propiedades de las sustancias purasPropiedades de las sustancias puras

2.1.2.1.33..-- Procesos de cambio de fase de Procesos de cambio de fase de SustanciaSustanciass purapurass

31

Diagramas de fases

Un diagrama de fases es un gráfico que muestra las presiones y temperaturas a las que están en equilibrio diferentes

fases. (Se representa la T vs P)

PuntoCrítico

PuntoTriple

Temperatura

Presión

Punto de :-Ebullición/condensación-Sublimación-Fusión/Congelación

Diagramas de fasesPunto Triple: Punto (Tª y presión) donde las tres fases están en equilibrio.

Punto crítico:Punto (Tª y presión crítica) sobre el cual la fase líquida y gaseosa una sustancia son indistinguibles.

Temperatura

Presión

FluidoSupercrítico

A B A- Hay condensaciónB- No hay condensación

Ej.: Para el CO2

Tc= 31ºC y Pc= 72.9atm

32

Diagrama P-v

P

v

Líquido

comprimido

Saturada

líquido-vapor

Vapor

sobrecalentado

Punto crítico

T1

T2 > T

1

Líquido saturado

Vapor saturado

( )fgf vvxvv −+=

Diagrama T-vT

v

Líquido

comprimido

Saturada

líquido-vapor

Vapor

sobrecalentado

Vapor saturado

Líquido saturado

Punto crítico

P 1

P 2 > P

1

total

vapor

m

mx =

33

•EntropíaMedida del desorden molecular

Calidad de la energía disminuye Entropía del Universo aumenta

T

s

Punto críticoP2 > P1

P1

Líquido

comprimido Vapor

sobrecalentados1

s2

s1s

s1 = s1s < s2

PropProp. . TermodTermod. Fluidos inter. Fluidos interéés ts téécnicocnico

RefrigerantesRefrigerantes

AguaAgua

Tablas Gráficos

Diagramas

Algebraica

Ecuaciones de estado

Aire y/o gasesAire y/o gases

34

TIPOS DE TABLAS DE PROPIEDADESTIPOS DE TABLAS DE PROPIEDADES

Tablas de SaturaciTablas de Saturacióónn

Propiedades de bifásica liquido-vapor

Tablas de lTablas de lííquidos y quidos y vaporesvapores

Propiedades de las regiones monofásicas Liquido y vapor

Liquido saturado

Vapores saturados

Mezclas liq-vap Liquidos subenfriados

Vapores sobrecalentados

b) Mezcla saturada de líquido y vapor

Durante proceso de ‘EVAPORACIÓN’ una sustancia existe como:

� Parte líquida

� Parte vapor

Para analizar se necesita conocer las proporciones de

líquido y vapor

Nueva propiedad:

Calidad (X) :Calidad (X) :

RazRazóón entre la masa de vapor y la masa total de la mezclan entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla

35

2.1.6.- Tablas de Propiedades

T[ºC]

[m3/kg]v

100

200

300

400

0,01 0,030,02 0,04

Diagr. : t -v

Líquido

saturado

Línea vapor saturado

Zona de vaporsobrecalentado

Zona de saturación(2 fases)

150100

70

50[bar

]

Pto.Crítico(22,09 Mpa / 374,14ºC / 0,003155[m3/kg])

t [ºC] p [MPa]Pto.Crítico

0,00315522,09H2O 374,14

CO2 34,05

O2

7,39

1,30

0,002143

0,032192H2

-118,05 5,08 0,002438

v [m3/kg]

-239,85

a) Estados de líquido saturado y de vapor saturado

36

c) Vapor Sobrecalentado

Ubicada en la región derecha de la línea de vapor saturado.

Región de una sola fase � P y T ya no son propdependientes

Ver tablas Libro

2.1.6.- Tablas de Propiedades

d) Líquido Comprimido

No existen muchas tablas para el líquido comprimido ya que sufren pequeñas variaciones con la presión:

Esto es...

Si aumento 100 veces la presión ocasiona que las propiedades varíen menos del 1%

S/E propiedad más afectada es la entalpía.

Ante falta de datos se aproxima al liquido comprimido como un liquido saturado a la temperatura dada

37

38

39

•Cambios de fase

Durante un cambio de fase, la presión y la temperatura son propiedades dependientes

Psat

Tsat

A una PresiPresióón dadan dada, la T° a la cual una sustancia empieza a hervir se llama

Temperatura de SaturaciTemperatura de Saturacióón, n, TsatTsat

A una Temperatura dadadada, la presión a la cual una sust pura empieza a hervir se llama

PresiPresióón de saturacin de saturacióón, n, PsatPsat

40

Líquido comprimido o subenfriado

Vapor sobrecalentado

Líquido saturado

Vapor saturadoNÍV

EL DE ENERGÍA

Mezcla saturada de líquido-vapor

•Entalpía

Generación de potencia

Refrigeración

H = U + PV

u1

p1 v1

u2

p2 v2h = u + Pv

Turbinas, compresores y toberas Flujo permanente

)( epechmWQ ∆+∆+∆=− &&& hwq ∆=−

41

1.1.-- DIBUJAR DIAGRAMA T – v DEL VAPOR DE AGUA

2.2.-- BUSCAR Psat Ó Tsat SEGÚN INFORMACIÓN DADA

3.3.-- ENCONTRAR ZONA: SUBENFRIADA – MEZCLA – SOBRECALENTADA

4.4.-- BUSCAR EN TABLA Ó CALCULAR SEGÚN CORRESPONDA

42

43

44

45

46