Universidad Nacional del Callao

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA-ENERGÍA

ESCUELA ACADÉMICO - PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

Asignatura Termodinámica II

Catedrático: Dr. José H. Tezén Campos

Semestre Acad. 2011-I

CONTENIDO

1. Desarrollo de la asignatura de acuerdo a silabo

2. Presentación del Trabajo de Inv. (Word) y Exposición del Trabajo de Inv (ETI) - PPT

CRONOGRAMA: 2011-I

Mar Abril. May. Jun. Jul.

ACTIVIDAD Sem: 29 05 , 12, 19 , 26 03, 10, 17 24, 31, 07 14, 21, 28 05, 12, 19

• Des Curso -----------------------------------------------------------------------------------------------------

• C.Grups-E.Trabaj --------

• Exam Parcial ----

• Present –Sust Proy Fin ----

• Exam Final ----

IMPUT(ENTRADAS) PROCESS (PROCESO) OUPUT(SALIDA) REACTANTES PRODUCTOS

    

Mezclas SOLIDO: Carbón. Análisis : Reactivas Combustible LIQUIDO: Petróleo. 1.Gravimetrico o elemental. GAS : Gas Natural. 2.Volumetrico.

 

PROCESO DE COMBUSTION: Gases de la combustión C Liberación de energía química del combustible con H transformación en energía calórica por la oxidación + O rápida de los constituyentes con emisión de luz N S cámara de combustión CO2 Comburente u Oxidante (O2) Aire: N2 O2 ------ Si existe: Combustible con exceso de aire O2 CO ------ Si existe: combustión incompleta H2O. SO2, N2, H2O

    

C + O2 (OXIGENO PURO) CO2 LEY DE LA CONSERVACIÓN DE MASAS. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA 

a)       QUE HACER?Balance de masas: Determinando: MR MPb)       PARA QUE HACER? Para determinar: ra/c, rc/a ex aire o deficiencia de aire(CI), %at, CXHY COMBUSTION REAL: CASOS CONOCIDOS INCOGNITAS SEGÚN EL TIPO DE PROCESO A) PRESION CTE. 1.FORMULA DE COMB. % at EL CALOR DE COMBUSTION PUEDE SER: B)VOLUMEN CTE. ANALISIS DE PRODUCT 1.PROCESO FEES: 2.COMPOSICION DE COMB. ra/c, rc/a Qp=HP-HR=(U+PV)p-(U+PV)r .................(I) ANALISIS DE PRODUCTOS 2.SISTEMA (V=cte). 3.ANALISISDE PRODUCTOS %at,CXHY Qv=Up-Ur.............(II) COMBUSTIBLE DESCONOCIDO.c) POR QUE HACER? (I)-(II) -SE NESECITA SABER: Qp-Qv=(PV)p-(PV)r=(nRT)p-(nRT)r a) Con ex se forma menor cantidad de CO. Qp-Qv=RT(np-nr) . b) La utilidad del ex .ejem Donde : np y nr se determina a partir de la ecuación teórica de la combustión . -MCI: Se reduce el ex par lograr mayor eficiencia -TG: Se requiere gran ex par mantener T de los productos lo suficientemente bajo par que la maquina no se malogre. -Utilizar gran ex tiene la desventaja de provocar mayor perdida de energía en los productos descargados al medio ambiente

    

MR-COMBUSTIÓN

MEZCLA REACTIVA:Es un sistema de composición múltiple cuyos constituyentes químicamente reaccionan entre si.

REACCION QUÍMICA: Es un suceso en el que ocurre un acomodamiento de los átomos que conforman la reacción.

LEYES FUNDAMENTALES:1)CONSERVACIÓN DE LA MATERIA: ESTEQUIOMETRIA2)PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Aplicación de principio de conservación de la energía.3)SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:Establecer una distinción entre procesos reversibles e irreversibles.Establece que la composición de equilibrio de una mezcla reactiva depende de la temperatura y de la presión.

JTC 4

COMBUSTIÓN:Proceso en el que reaccionan un combustible y un comburente.

COMBUSTIBLE:Compuesto que reacciona en presencia del oxigeno.Entre los combustibles tenemos: carbono, hidrógeno , azufre,

entre otros.

COMBURENTE:Compuesto que activa la combustión, este comburente es el O2 Para que se produzca la combustión es necesario contar con la

presencia de:Combustible.Comburente.Agente eterno, que permite alcanzar la temperatura necesaria

para que seinicie la combustión.

JTC 5

Esquema de la combustiónLa mezcla del combustible con el comburente recibe el nombre de

reactante y el resultado del proceso de combustión recibe el nombre de producto.

JTC 6

Proceso de combustión

Q

Agente externo (T)

combustible

comburente

reactantesproductos

(1) InputEntrada

Process(Proceso)

(2) Output(Salida)

(Gases o humos)

Análisis de la combustión1) ANALISIS GRAVIMETRICO O ELEMENTAL:Especifica el % en masa de los elementos químicos.

2) ANALISIS VOLUMÉTRICO:Especifica el % en volumen o en moles de los compuestos

químicos.

ECUACIONES BASICAS DE COMBUSTIÓN PARA COMBUSTIBLES FOSILES:

Si el combustible se quema por completo (C,H2,S), entonces se forman los

productos siguientes:C + O2 → CO2H2 + ½ O2 → H2O (VAPOR DE AGUA)S + O2 → SO2

JTC 7

Combustión Completa e incompleta

LA COMBUSTIÓN COMPLETA, es el suceso en el que al reaccionar los reactivos se quema todo el combustible, dando lugar a que en los productos no existe la presencia de CO (Monóxido de carbono)

La combustión completa de los hidrocarburos, da lugar a la formación de

dióxido de carbono y agua.CH4 + 2O2 → CO2 +2H2O

Si el carbono no se quemara totalmente, entonces se formaría monóxido de carbono.

C + 1/2O2 → CO

A esto se le conoce con el nombre de COMBUSTION INCOMPLETA , porque en los productos se encuentra CO que contamina el ambiente.

JTC 8

AIRE ESTEQUIOMETRICO O AIRE TEORICO: (AT)

Es la cantidad de aire que entrega oxigeno estrictamente suficiente para que

se realice la combustión completa.

MEZCLA ESTEQUIOMETRICA:

Es aquella que contiene las proporciones de aire y combustible mínimas

necesarias para que se realice la combustión completa .En los procesos de combustión el O2 puro, se usa en los

laboratorios, pero en la mayoría de los casos, la combustión se realiza con aire

atmosférico ( que también contiene O2)

JTC 9

COMPOSICIÓN DEL AIRE SECO: Esta compuesta por N2,O2 y gases inertes.

1. Análisis Volumétrico

21% de O2 + 79% N2 →100%aire21Kmol O2 +79Kmol N2 → 100Kmol de aire1 Kmol O2 +3.76 Kmol N2 → 4.76 Kmol aire1 m3 O2 +3.76m3 N2 →4.76 m3 aire

2. Análisis Gravimétrico

23% de O2 + 77% N2 →100%aire23Kg O2 +77Kg N2 → 100Kg de aire1 Kg O2 +3.35 Kg. N2 → 4.35 Kg aire

JTC 10

RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE : (rA/C)Relación que hay entre la masa del aire y la masa del combustible

utilizada en la combustión. Esta dada por:

rA/C = mA / mC

DONDE: mA :Masa del airemC :Masa del combustible.

RELACIÓN COMBUSTIBLE-AIRE: (rC/A)Es la inversa de la relación aire-combustible. se expresa por la

ecuación siguiente:

rC/A = mC / mA = 1 / rA/C

JTC 11

En general el balance de masa en la combustión ideal y real se realiza con el

objetivo de:

COMBUSTIÓN IDEAL: Para determinar:1.- La cantidad de aire requerida para quemar completamente un combustible.2.- La composición de los productos resultantes.

COMBUSTIÓN REAL: Para determinar:1.- A partir del análisis de los productos la cantidad de aire

realmente suministrada.

JTC 12

COMBUSTIÓN IDEAL CON AIRE:Se presenta cuando el H2 se oxida hasta formar

H20 y el C se oxida hasta formar CO2, si existiera S este se oxidaría hasta formar SO2, pero también el S puede reaccionar hasta formar SO3, el mismo que en presencia del agua, formaría ácido sulfúrico que es muy corrosivo.

COMBUSTON IDEAL CON EXCESO DE AIRE:

Se presenta cuando algunas moléculas de combustible no se queman completamente al no encontrar el oxigeno necesario, para que esto ocurra es necesario disponer de una cantidad adicional de aire que se conoce con el nombre de EXCESO DE AIRE, lo que permitirá la oxidación completa del combustible.JTC 13

AIRE REAL: (AR)Es la cantidad de aire que ingresa a un proceso de combustión.

EXCESO DE AIRE: (EX)Se define por la siguiente ecuación:

EX = (( AR - AT ) / AT )X 100

PORCENTAJE DE AIRE TEORICO:Se define por la ecuación siguiente:

% AT = ( AR / AT )X 100

MEZCLA RICA:Se define como aquella que contiene una cantidad de aire menor que la Estequiometrica (Aire en defecto)

JTC 14

MEZCLA POBRE:

Se define como aquella mezcla que contiene una cantidad de aire mayor que la Estequiométrica (AIRE EN EXCESO)

COMBUSTIÓN REALEs aquella que se presenta en la práctica. La combustión real es incompleta ya sea que se utilice aire teórico o ya sea que se utilice exceso de aire.

COMBUSTIÓN REAL CON EXCESO DE AIRE:

Es aquella que se presenta en la practica y son incompletas aun con exceso de aire.

PARA DETERMINAR:A) El % de aire teórica (AT)

B) Relación aire-combustible (rA/C)

C) Exceso de aire (EX)

D) Composición del combustible ( CXHY)

JTC 15

Se deben realizar cálculos basados en el análisis de los productos mediante métodos como:A) analizador Orsat.B) Conductividad térmicaC) Resistencia magnética D) Medidor de CO2

EN LOS CÁLCULOS BASADOS EN EL ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS:Se presenta los siguientes casos:

A) Dado lo formula del combustible y el análisis de los productos.B) Dado la composición del combustible y el análisis de los productos.C) Dado el análisis de los productos y combustible desconocido.

JTC 16

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LOS

SISTEMAS REACTIVOS

La ley de conservación de la energía es aplicada tanto a los sistemas no reactivos como a los sistemas reactivos. sin embargo, los sistemas químicamente reactivos implican cambios en su energía química y en consecuencia es necesario reescribir las relaciones de la primera ley de manera que los cambios de la energía química se expresen en forma clara y precisa. Esto significa definir los conceptos siguientes:

ENERGIA QUIMICA:Es la energía asociada a la estructura molecular. En el caso de los combustibles como un tipo de sistemas reactivos viene a ser la energía que poseen y que es liberada durante el proceso de combustión. Se debe tener en cuenta que la energía química es fija para cada combustible pero es diferente en los reactantes y en los productos.

JTC 17

CALOR DE REACCION:Cantidad de calor que deben transferir los productos de cualquier reacción química para enfriarse hasta la temperatura inicial de los reactantes. Para el caso de los combustibles, cuando la combustión es completa, entonces el calor de reacción es denominado calor de combustión.

CALOR DE REACCION ESTANDAR:Es el calor de reacción que se obtiene considerando el estado de referencia estándar de presión y temperatura. El estado de referencia estándar elegido es 1 atm de presión y 25°C.

JTC 18

DETERMINACION DEL CALOR DE COMBUSTIÓN ESTANDAR:

Dependiendo del tipo de proceso, a presión constante o a volumen constante, el calor de combustión se denomina:

A) Calor de combustión a presión constante.B) Calor de combustión a volumen constante.

Para el primer caso, al aplicar el principio de conservación de la energía (proceso FEES y despreciando los cambios de energía cinética y potencial, se tiene:

QP = HP - HR .....(1)

DONDE:QP: Calor de combustión a presión constante.HP: Entalpía de los productos.HR: Entalpía de los reactantes.

JTC 19

Para el segundo caso, la combustión se realiza en un sistema y al aplicar la primera ley, se tiene:

QV = UP - UR ..... (2)

DONDE:QV: Calor de combustión a volumen constante.

UP: Energía interna de los productos.

UR: Energía interna de los reactantes.

JTC 20

Tomando la definición de entalpía, se tiene:

QP = (U + PV)P – (U + PV)R .....(3)

Restando: la ec. (2) de la ec. (3), se tiene:

Qp - Qv = (PV)P – (PV)R …..(4)

Considerando: Los componentes gaseosos de los productos como gases ideales y el volumen de los componentes líquidos y sólidos despreciables, entonces la ec. (4) queda expresada como:

QP – QV = RT(nP – nR) …..(5)donde:R: Constante universal de los gases.T: Temperatura de los productos o reactantes.nP: Número de moles de los productos gaseosos.nR: Número de moles de los reactantes gaseosos.

Tanto el nP como el nR se determinan a partir de la ecuación teórica de la combustión.

JTC 21

PODER CALORÍFICO DEL COMBUSTIBLE:

Se define como la cantidad de energía liberada cuando un combustible se quema por completo y los productos vuelven al estado de los reactantes, es decir, que los productos se enfrían hasta la temperatura de los reactantes (aire-combustible).

En otras palabras el poder calorífico de un combustible es igual al calor de combustión (entalpía de combustión).El poder calorífico de los combustibles líquidos y sólidos se determinan con una bomba calorimetría (volumen constante) en el laboratorio.Para los combustibles gaseosos el poder calorífico se determina en un calorímetro para gas (PROCESO FEES).La diferencia entre los poderes caloríficos mencionados anteriormente es pequeña (no pasa del 1%) por lo que, en ingeniería, se desprecia esta diferencia.

JTC 22

Asimismo, el poder calorífico depende de la fase de agua en los productos. el poder calorífico recibe el nombre de poder calorífico alto o superior (PCS) cuando el agua en los productos esta en forma liquida y se llama poder calorífico bajo o inferior (PCI), cuando el agua en los productos esta en forma de vapor. estos valores se relacionan por la siguiente ecuación:

PCS = PCI + (mhfg)H2O .....(6)

DONDE:PCS: Poder calorífico superior (KJ/Kg. DE COMBUSTIBLE).PCI: Poder calorífico inferior (KJ/Kg. DE COMBUSTIBLE).m= Cantidad de agua formada durante la combustión (Kg. DE AGUA/Kg. DE COMBUSTIBLE).mhfg: Entalpía de vaporización del agua a la temperatura especificada (KJ/Kg. DE AGUA).

JTC 23

Con el objeto de determinar la entalpía de los elementos que intervienen en la reacción química ( puesto que existen cambios en la composición química durante el proceso), se ha establecido un nivel de referencia a partir de los componentes. La entalpía de reacción, es una propiedad que representa los cambios en la energía química en una reacción, y en los procesos de combustión a esta entalpía se le conoce como entalpía de combustión y se definen como la diferencia de entalpías de los productos y de los reactantes, a las mismas condiciones de presión y temperatura, al producirse una combustión completaSe expresa por la ecuación siguiente:

Hrp = Hp – Hr ………… (7)Donde:Hrp = entalpía de combustión Hp = entalpía de los productos.Hr = entalpía de los reactantes.Tanto la entalpía de los reactantes como de los productos dependen fundamentalmente de la temperatura, en consecuencia la Hrp varia con la temperatura más que con la presión. JTC 24

ENERGÍA INTERNA DE COMBUSTION

Es la diferencia entre la energía interna de los productos y de los reactantes. Se

expresa por:Urp = Up – Ur ………. (8)Donde:Urp = energía interna de combustiónUp = energía interna de los productosUr = energía interna de los reactantes.

Considerando el análisis realizado para la obtención de la ecuación (5) y tomando en cuenta las ecuaciones (7) y (8), se llega a la ecuación

siguiente:

Donde np y nr tienen el mismo significado que en la ec. (5)

JTC 25

)9().........( nrnpTRUH rprp

Las reacciones químicas que liberan energía en forma de calor se conocen

como exotérmicas (calor que sale negativo) y las que absorben energía

endotérmicas (calor que ingresa positivo).Los procesos de combustión son exotérmicos, y como la entalpía

de combustión, así como la energía interna de combustión pueden determinarse a partir del calor de combustión, es necesario

considerar el signo para ser congruente con los calores.

Por lo tanto:- Qp = Hp - Hr = Hrp Qp = - Hrp ………….. (10)De la misma forma se trabaja para la energía interna de

combustión, resultando:- Qv = Up – Ur = Urp Qv = -Urp ……………. (11)En condiciones estándar, se tiene:

JTC 26

prhqrpHpQ p

0000

pruqvrpUvQ0000

ENTALPÍA DE FORMACIÓN ( )

En una reacción química, viene a ser la entalpía de reacción para la

formación de una sustancia o compuesto a partir de sus elementos en

sus formas más estables y a condiciones estándar (entalpía igual a

cero).Cuando esta reacción química es una combustión, entonces

la entalpía de formación se define como la entalpía de

combustión correspondiente al proceso de formación del compuesto.

JTC 27

fhº

Ejemplo: se quiere formar CO2 a condiciones estándar, a partir de

sus elementos: carbono y oxígeno.La ecuación química correspondiente es:C(s) + O2(g) CO2 (g)

El calor transferida por unidad molar:

Puesto que: ; en las condiciones estándar.

Por lo tanto:

=entalpía de formación

JTC 28

rphrhphpq ºººº

22 02ººº coco hhchhpq

0ºº 2 ohch

22º fCOhCOhrph

Se ha determinado mediante mediciones calorimétricas que el calor

transferido para la formación del CO2 a partir del C y O2 es:qºP = - 393, 522 kJ/Kmol.

Es decir que la entalpía de formación es:

Donde el signo negativo indica que la entalpía del CO2 es menor que la entalpía de los reactantes C y O2.

JTC 29

KmolkJfh co /522,393º 2

Generalmente el signo del calor transferido queda sobrentendido, Generalmente el signo del calor transferido queda sobrentendido, utilizándose utilizándose

la expresión: la expresión:

Donde: Donde:

; ;

LuegoLuego

Para una temperatura T se puede inferir que:Para una temperatura T se puede inferir que:

rHpHQ ºº

phnpH ºº

P

ohnrHº

p r

HrphnhnQ )13.....(

)12.......(rpoo

r

o

P

HhnhnQ

JTC 30

CALCULO DE LAS ENTALPÍAS

La entalpía de un compuesto a una temperatura y presión dada, se calcula

en función de T, es decir:

De la Fig. suponiendo que la curva de productos corresponde al CO2. su entalpía para la temperatura TA se determina

por:

Donde:

En general, la entalpía de un compuesto hT,P a una temperatura T y una presión

P dada, se puede calcular por:

Estando: To = 25oC y Po = 1 atm.

Como es conocida para cada compuesto, el problema se reduce a

Calcular

JTC 31

)(Tfh

hAfhhA º

fhAhhA º

)14........(º ,

,,PT

PoToPT hfhh

fhº

h

25 T TA T(ºc)

1

Hºrp

Hrp

2

2’

A

1’

hnH

h

Fig.C2: Diagrama Vs. T.h

JTC 32

MÉTODO PARA CALCULAR

I. Cuando se trata de gases ideales:a) Usando el calor específico variable: Cp = f(T)b) Usando tablas en las que se encuentran tabulados los

valores de en función de T.

II. Cuando se trata de sustancias cuyo comportamiento es diferente a los

gases ideales, entonces se calcula:a) Usando tablas de propiedades de las sustancias.b) Usando los diagramas generalizados.

JTC 33

h

h

h

DETERMINACIÓN DE HR Y HP

A partir de estas ecuaciones se puede construir el diagrama de la Fig. C2;

tomando en cuenta que las curvas de reactantes y productos corresponden a

una misma composición molar, para los reactantes y productos respectivamente.Para el caso de la energía interna, esta puede calcularse con las

ecuaciones siguientes:

CALCULO DEL CALOR TRANSFERIDOI. Para una combustión a p=c, a una temperatura Tc:

II. Para una combustión cualquiera que se produce en un proceso FEES en la

que los reactantes y productos se encuentran a T1 y T2 respectivamente:JTC 34

;º , pTrrhnhfhnHr PT

pphnhfhnHp ,º

)15(..........,, pvhu PTPT )16.....(,, TRhu PTPT

rp

rpba hfhnhfhnHQ )17......(ºº,

rp

hfhnhfhnQ )18......(ºº 122,1

Tc T1 T2

Hrp

a

b

2

12’

a’ Hp - Hr

h

Fig.c3 procesos de combustión

JTC 35