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MÓDULO II
FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA
CURSO DE CAPACITACIÓN DE CERTIFICADORES ENERGÉTICOS
Prueba Piloto Rosario 2017
Secretaría de Estado de la Energía
Provincia de Santa Fe
Fundamentos básicos de termodinámica
Primer principio de la termodinámica
Segundo principio de la termodinámica
Conversión de la energía
Principios básicos de transferencia de calor y masa
Modelo eléctrico equivalente
Radiación solar
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Provincia de Santa Fe
MÓDULO II – FUNDAMENTOS BÁSICOSTEMARIO
La termodinámica estudia las transformaciones energéticas y las relaciones entre las
propiedades físicas de las sustancias afectadas por esas transformaciones.
FUNDAMENTOS BÁSICOS
Secretaría de Estado de la Energía
Provincia de Santa Fe
El estudio de la termodinámica abarca:
procesos de refrigeración y calefacción
expansión y compresión de fluidos en motores de aviación y cohetes
dispositivos productores de potencia mediante: Energía solar
Energía geotérmica
Energía eólica
Energía mareomotriz
FUNDAMENTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA
Cinco leyes o postulados rigen el estudio de la termodinámica:
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Primer principio de la termodinámica
Segundo principio de la termodinámica
La ley cero
Tercer principio de la termodinámica
El postulado de estado
relacionadas con la energía
relacionadas con las propiedades termodinámicas
FUNDAMENTOS BÁSICOSFUNDAMENTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA
Todo sistema cerrado posee una variable de estado (𝑈), denominada energía interna que
posee las siguientes cualidades:
1. En procesos adiabáticos, el incremento de energía interna es igual al trabajo efectuado por
el sistema.
− 𝑊 12 𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏á𝑡𝑖𝑐𝑜 = 𝑈2 − 𝑈1 (Definición de energía interna)
2. En procesos no adiabáticos, el calor (𝑄) cedido al sistema disminuido en la cantidad de
trabajo 𝑊12 efectuado por el sistema es igual al incremento de energía interna.
𝑄12 −𝑊12 = 𝑈2 − 𝑈1 (Definición de calor)
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
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1. Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus
alrededores) sea convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo
hecho por el sistema.
2. No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor de un
nivel de temperatura a otro mayor.
FUNDAMENTOS BÁSICOSSEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
De acuerdo a lo que postula el primer principio
de la termodinámica, la energía no se crea ni
se destruye, simplemente se transforma.
La energía puede transformarse de una forma
a otra, como por ejemplo de electricidad a
calor o de calor a electricidad.
El rendimiento es un factor fundamental que
marca la rentabilidad y eficacia de los
diversos tipos de conversión de la energía.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSCONVERSIÓN DE LA ENERGÍA
La transferencia de calor es la energía en tránsito debido a la diferencia de temperatura.
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Modos de transferencia de calor
Conducción: existe un gradiente de temperatura en un
medio estacionario.
Convección: transferencia de calor entre una superficie
y un fluido en movimiento cuando están a diferentes
temperaturas.
Radiación: todas las superficies con temperatura finita
emiten energía en forma de ondas EM. En ausencia de
un medio, existe un transferencia neta de calor entre
las dos superficies a distintas temperaturas.
FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCIÓN
La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas a las menos
energéticas de una sustancia debido a la interacción de las mismas.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Ejemplo:
El extremo expuesto de una cuchara metálica introducida en
una taza de café caliente se calentará debido a la conducción
de energía a través de la cuchara.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CONDUCCIÓN. LEY DE FOURIER
Para una pared plana unidimensional, la distribución de temperatura 𝑇(𝑥):
𝑄”𝑥 = −𝑘𝑑𝑇
𝑑𝑥
El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área 𝑄”𝑥 [𝑊/𝑚2] es la velocidad con que
se transfiere el calor en la dirección 𝑥 por área unitaria perpendicular a la dirección de
transferencia y es proporcional al gradiente de temperatura, 𝑑𝑇/𝑑𝑥 en esa dirección.
Donde 𝑘 es la conductividad térmica [𝑊/𝑚𝐾].
CONVECCIÓN
La convección es la transferencia de calor entre un fluido en movimiento y una superficie
limitante cuando éstos tienen diferentes temperaturas.
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Tipos de convección
Forzada: El flujo es causado por medios externos (ventilador,
viento, bomba).
Libre o natural: El flujo es inducido por fuerzas de empuje que
surgen a partir de diferencias de densidad ocasionadas por las
variaciones de temperatura en el fluido.
Mezclada (forzada + natural).
FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Ejemplos:
El movimiento de fluido inducido por las burbujas de vapor generadas en el fondo de una
cacerola en la que se está hirviendo agua.
La condensación de vapor de agua sobre la superficie externa de una tubería de agua fría.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
CONVECCIÓN. LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
𝑄” = ℎ (𝑇𝑆 − 𝑇∞)
El flujo de calor por convección 𝑄” [𝑊/𝑚2] es proporcional a la diferencia de temperaturas de
la superficie y del fluido, 𝑇𝑆 y 𝑇∞ , respectivamente.
Donde ℎ es el coeficiente de transferencia de calor por convección [𝑊/𝑚2𝐾].
RADIACIÓN. LEY DE STEFAN-BOLTZMANN
La radiación térmica es la emitida por la materia que se encuentra a una temperatura finita.
La radiación que una superficie emite se origina a partir de la energía térmica de la materia
limitada por la superficie, y la velocidad a la que libera energía por unidad de área [𝑊/𝑚2] se
denomina potencia emisiva superficial (𝐸), cuyo límite superior viene dado por:
𝐸𝑏 = 𝜎 𝑇𝑠4
Donde 𝑇𝑠 es la temperatura absoluta [𝐾] de la superficie y es la constante de Stefan-
Boltzmann (5,67 𝑥 10−8 𝑊/𝑚2 𝐾4). Dicha superficie se llama radiador ideal o cuerpo negro.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de masa es la masa en tránsito como resultado de una diferencia en la
concentración de las especies en una mezcla.
LEY DE FICK
Modelo de transferencia de masa por difusión:
𝐽𝑑𝑖𝑓, 𝐴 = −𝐷𝐴𝐵𝑑𝜌𝐴𝑑𝑥
Donde 𝐽𝑑𝑖𝑓, 𝐴 es el flujo de masa por difusión de la especie A [𝑘𝑔/𝑠 𝑚2], 𝐷𝐴𝐵 es la difusividad de
masa, 𝑑𝐴/𝑑𝑥 es el gradiente de la densidad de la especie A.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE MASA
TRANSFERENCIA DE MASA POR CONVECCIÓN
Es el mecanismo de transferencia de masa entre una superficie y un fluido en movimiento en el
que intervienen tanto la difusión de masa como el movimiento de la masa de fluido, (𝑚𝑐𝑜𝑛𝑣).
𝑚𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝑚𝑎𝑠𝑎𝐴𝑆(𝐶𝑆 − 𝐶∞)
Donde ℎ𝑚𝑎𝑠𝑎 es el coeficiente de transferencia de masa, 𝐴𝑆 es el área superficial y (𝐶𝑆 − 𝐶∞) es
una diferencia apropiada de concentración de uno a otro lado de la capa límite de
concentración.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSPRINCIPIOS BÁSICOS DE TRANSFERENCIA DE MASA
EJEMPLO: DIFUSIÓN ESTACIONARIA DE MASA A TRAVÉS DE UNA PARED
Pared plana sólida (medio B) de área 𝐴, espesor 𝐿 y densidad .
Pared con concentraciones diferentes de una especie A (permeable) a ambos lados.
Superficies fronteras: fracciones de masa de A , 𝑤𝐴,1(𝑥0) y 𝑤𝐴,1(𝑥𝐿), están localizadas dentro del
sólido adyacente a las interfaces.
La fracción de masa de la especie A en la pared varía sólo en la dirección 𝑥: 𝑤𝐴(𝑥).
Por lo tanto, en este caso, la transferencia de masa a través de la pared puede modelarse
como estacionaria y unidimensional.
La concentración de la especie A en cualquier punto no cambia con el tiempo, puesto que la
operación es estacionaria.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSMODELO ELÉCTRICO EQUIVALENTE
EJEMPLO: DIFUSIÓN ESTACIONARIA DE MASA A TRAVÉS DE UNA PARED
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FUNDAMENTOS BÁSICOSMODELO ELÉCTRICO EQUIVALENTE
No hay producción ni destrucción de la especie A, ya que
no están ocurriendo reacciones químicas en el medio.
Entonces, el principio de conservación de la masa para
la especie A puede expresarse como: el gasto de masa de
la especie A, a través de la pared y en cualquier sección
transversal, es el mismo; es decir:
𝑚𝑑𝑖𝑓,𝐴 = 𝑗𝐴 𝐴 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑘𝑔/𝑠]
EJEMPLO: DIFUSIÓN ESTACIONARIA DE MASA A TRAVÉS DE UNA PARED
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FUNDAMENTOS BÁSICOSMODELO ELÉCTRICO EQUIVALENTE
Entonces la ley de Fick de la difusión queda:
𝐽𝐴 =𝑚𝑑𝑖𝑓,𝐴
𝐴= −𝜌𝐷𝐴𝐵
𝑑𝑤𝐴𝑑𝑥
= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
Trabajando…
𝑚𝑑𝑖𝑓,𝐴,𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = (𝑤𝐴,1 − 𝑤𝐴,2)/ 𝐿/𝜌𝐷𝐴𝐵𝐴
Y definimos 𝑅𝑑𝑖𝑓,𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 = 𝐿/𝜌𝐷𝐴𝐵𝐴 como la resistencia a
la difusión de la pared, en [𝑠/𝑘𝑔], la cual es análoga a la
resistencia eléctrica o a la conducción de una pared
plana de espesor 𝐿.
El Sol es una fuente de energía con un flujo radiante de 3,8𝑥1026 𝑊, equivalente a una
densidad de 62,5 𝑀𝑊 por cada 𝑚2 de superficie solar. De esta emisión solar, llega a la Tierra
aproximadamente 1 𝑘𝑊/𝑚2, debido a la distancia a que se encuentra del Sol.
El Sol emite radiación electromagnética con una distribución espectral que abarca desde
100 𝑛𝑚 hasta 3000 𝑛𝑚, similar a la emisión de radiación de un cuerpo negro a 6000 𝐾.
Es por ello que el uso de la energía solar a través de sus aplicaciones diversas requiere de la
caracterización de la radiación tanto en su densidad de energía como en su distribución
espectral.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSRADIACIÓN SOLAR
Los parámetros que caracterizan la radiación solar se establecen para condiciones de distancia
media Sol-Tierra y éstos son: la constante solar y la distribución espectral de la radiación.
Se entiende por constante solar a la irradiancia sobre una superficie orientada normalmente a
la dirección de los rayos solares y situada fuera de la atmósfera terrestre a la distancia
astronómica unidad (1 𝐴𝑈 ≡ 1,5𝑥1011𝑚, distancia media Sol-Tierra).
El valor estándar admitido por la NASA (National Aeronautics and Space Administration) para
los criterios de diseño de vehículos espaciales y por la ASTM (American Society for Testing
Materials): 1367𝑊/𝑚2.
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FUNDAMENTOS BÁSICOSRADIACIÓN SOLAR
Cuando la radiación solar atraviesa la atmósfera terrestre es absorbida y reflejada en forma
selectiva, modificando su distribución espectral.
Para ángulos de elevación del sol (𝛿), comprendidos entre aproximadamente 30° y 90°, la
variación de masa de aire atmosférica en función de δ se puede aproximar por:
𝑚 = 1/ 𝑠𝑒𝑛 (𝛿)
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FUNDAMENTOS BÁSICOSRADIACIÓN SOLAR
Se define masa de aire (𝑚), al espesor de atmósfera
atravesado por la radiación solar para una dirección
angular dada respecto del espesor correspondiente al
Sol en el zenit (vertical del lugar).
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RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE
La distribución de energía proveniente del Sol que alcanza una superficie perpendicular al
límite superior de la atmósfera se denomina AM0.
FUNDAMENTOS BÁSICOSRADIACIÓN SOLAR
RADIACIÓN SOLAR A NIVEL DEL MAR
La distribución de energía proveniente del Sol que
atraviesa la atmósfera y llega a una superficie
perpendicular sobre la Tierra (el Sol en el zenit)
se denomina AM1,5.
LONGITUDES DE ONDA DE LA RADIACIÓN SOLAR
Comprende parte del ultravioleta (UV), el visible y parte del infrarrojo (IR)
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FUNDAMENTOS BÁSICOSRADIACIÓN SOLAR
RADIACIÓN SOLAR
Radiación que llega a la superficie terrestre se puede distinguir:
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Radiación difusa
Radiación global
Radiación directa Se mide con pirheliómetro
+
=
Se mide con piranómetro
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