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Lección 1Conceptos y definiciones básicas de termodinámica.
Primer principio de la Termodinámica.
1
Centro Universitario de la Defensa de San JavierMDE-UPCT.
Tecnología Energética
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
2
Nomenclaturav volumen específico (m3/kg), inversa de la densidad
V volumen (m3)
C velocidad (m/s)
c capacidad calorífica específica (sólidos y líquidos) (J/(kg·K))
cp calor específico a presión constante (gas ideal) (J/(kg·K))
cv calor específico a volumen constante (gas ideal) (J/kg·K))
U energía interna (J)
u energía interna específica (J/kg)
H entalpía (J)
h entalpia específica (J/kg)
E energía total del sistema (J). Ec energía cinética, Ep energía potencial
gasto másico (kg/s) ( = velocidad·área· densidad)m m
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
3
Nomenclatura
Q calor (J). q calor específico (J/kg)
W trabajo (J). w trabajo específico (J/kg)
Potencia (J/s=W)
Potencia calorífica (J/s=W)Q
W
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
4
Conceptos previos conocidos (Física de 1º)
•Sistemas abierto, cerrado. Magnitudes intensivas y extensivas.
•Definición de estado de equilibrio, proceso y ciclo
•Procesos isotérmico, isóbaro, isócoro y adiabático
•Principio cero de la termodinámica. Equilibrio térmico. Medidas de
temperatura
•Ecuación del Gas ideal. Leyes de Boyle-Mariotte, Gay-Lussac
•Definición energía interna
•Trabajo realizado por el cambio de volumen de un sistema
•Trabajo de un proceso isócoro, isóbaro, isotérmico, y de un ciclo
•Concepto de Calor
•Capacidad calorífica y calor específico
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
5
Conceptos previos conocidos (Física de 1º)
•Primer principio de la termodinámica sistemas cerrados
•Entalpía. Calor a presión constante
•Calores específicos de los gases ideales cv, cp
•Relación de Mayer
•Aplicaciones del primer principio a sistemas cerrados
•Transformaciones de un gas ideal: proceso isócoro, isóbaro,
isotermo, adiabático
•Posición relativa de adiabáticas e isotermas
•Segundo principio de la termodinámica. Enunciados
•Definición de motor termodinámico, máquina frigorífica y bomba de
calor
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
6
Conceptos previos conocidos (Física de 1º)
•Ciclo de Carnot
•Entropía
•Diagrama entrópico T-s
•Variación de entropía en procesos reversibles: proceso adiabático,
isotermo, isócoro, isóbaro y en un ciclo.
•Ecuación fundamental de la termodinámica (relaciones S con otras
propiedades)
•Variación de entropía en un gas perfecto
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
7
Conceptos previos conocidos (Química de 1º)
•Energía de las reacciones químicas
•Reacciones endotérmicas y exotérmicas
•Calor sensible y latente (calor de cambio de estado)
•Primer principio de la termodinámica
•Ley de Lavoisier-Laplace
•Ley de Hess
•Ley de Kirchoff para cálculo de entalpías de formación
•Medidas en calorímetro
•Cálculo del poder calorífico de un combustible
•Estados de agregación. Diagrama fase P-T
•Calor latente de fusión y vaporización
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
8
Conceptos previos conocidos (Química de 1º)
•Segundo principio de la termodinámica para sistemas cerrados
•Entropía y desorden.
•Cálculo de entropía en reacciones químicas y entropía normal de
formación
•Procesos reversibles e irreversibles. Evaluación de un proceso
•Tercer principio de la termodinámica
•Energía libre de Gibbs.
•Evaluación de procesos y capacidad de valorar si son espontáneos o
no espontáneos, reversibles o irreversibles. Aplicación a reacciones
químicas.
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
9
Conceptos previos conocidos (Física & Química 1º)
Propiedades termodinámicas describen el estado del sistema y
son variables de estado cuando un sistema pasa de un estado a
otro y el cambio en el valor de una propiedad queda determinado
por los estados inicial y final y no depende de la forma concreta en
la que ha ocurrido el proceso (no depende del camino seguido).
Fase: conjunto de materia que es homogénea en composición
química y en estructura física.
Sustancia pura: sustancia uniforme e invariable en su composición
química.
Ej: agua+hielo (2 fases 1sustancia), agua+alcohol diluidos (1fase)
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
10
Definiciones termodinámicas
Calor Q: energía en tránsito de un sistema a otro debida a la
diferencia de temperaturas entre los 2.
Trabajo W: el trabajo de las fuerzas de presión es:
Energía E: cinetica+potencial+interna
Criterio de signos (mismo que en Física 1º):
xdFW ·
2
1
2
1
21 ·dVpWW
Es positivo si el sistema realiza trabajo sobre el entorno
(extraemos trabajo del sistema). Por el contrario, es
negativo si aportamos trabajo al sistema desde fuera.
(criterio opuesto al aplicado en Mecánica de Fluidos)
Q
W
Es positivo si aportamos calor al sistema y negativo si lo
extraemos del sistema (mismo criterio que Mecánica de
Fluidos)
SISTEMA
+Q
-Q
-w
+w
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
11
Definiciones termodinámicas
Energía total E= Ec+Ep+U
E cinética: ½mC2 siendo C velocidad. E potencial: mgz
Energía interna: U (J), u (J/kg)
Entalpía: H (J), h(J/kg)
Utilizaremos las siguientes definiciones:
Sólidos y líquidos caloríficamente perfectos:
v=1/=cte,
puvpuh ·
constante
T
uc
pvTcuh
Tcuu
o
o
·
·
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
12
Gases caloríficamente perfectos
Cumple la ecuación de estado de los gases perfectos:
para el aire Rg=287 N·m/(kg·K)
Cumple la condición de caloríficamente perfecto:
= constante , = constante
Importante: el vapor de agua no es gas caloríficamente
perfecto. No se puede calcular con estas fórmulas. Se usarán
tablas termodinámicas
TRpvp g
T
ucv
p
pT
hc
gvp Rcc
v
p
povo
vo
c
c
Tchp
Tcuh
Tcuu
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
13
Primer principio de la termodinámica
Es el principio de conservación de la energía. Es la misma ecuación
que se vió en Mecánica de fluidos (ec 3.22 con el nuevo criterio de
signos y la nueva nomenclatura):
Al aplicarlo hay 2 casos:
1-Para sistemas cerrados: como no hay transferencia de masa en la
frontera el flujo en superficies es cero y queda simplificada a:
WQdnCCgzChdVgzCudt
d
t
c
tV cc
2
212
21
WQ
dt
EEUd Pc WQEEUd Pc
WQdVgzCudt
d
tVc
2
21
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
14
Primer principio de la termodinámica
La variación de energía total del sistema (energía interna+ cinética+ potencial) por
unidad de tiempo es debida a la aportación de calor al sistema por unidad de
tiempo, menos el trabajo por unidad de tiempo realizado por el sistema sobre el
exterior. (visto en Física de 1º)
Para un proceso en el que el sistema va del estado 1 al estado 2:
Ejemplo: expansión del gas con rozamiento en el pistón
y calentamiento por ventilador
212112 WQEEUEEUEEU PcPcPc
2
12112 pdVWQUU rozamiento
WQ
dt
EEUd Pc WQEEUd Pc
Integrando en el espacio y/o en tiempo queda:
Q
Wrozamiento
F
gas
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
15
Primer principio de la termodinámica
2-Para sistemas abiertos (hay transferencia de masa en el volumen
de control) es la misma ecuación que en Mecánica de fluidos con la
nueva nomenclatura y signos:
Al integrar en el volumen y las superficies del volumen de control
queda:
(a veces las variaciónes de Ec y de Ep pueden despreciarse por ser pequeñas)
La mayoría de las veces será necesario aplicar también el principio de conservación
de la masa (ec 2.7 Mec Fluidos).
WQdnCCgzChdVgzCudt
d
t
c
tV cc
2
212
21
WQgzChmgzChmEEUdt
d
entradasee
salidassspc
2
212
21
)( )(
0)(tV t
c
c c
dnCCdVdt
d
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
16
Aplicaciones típicas del Primer principio para sistemas abiertos
Turbinas
Toberas y difusores
Compresores
Bombas y ventiladores
Válvulas y tubos aislados
Intercambiadores de calor
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
17
Aplicaciones típicas del Primer principio para sistemas abiertos
Difusor: frena el aire incidente y eleva su presión
Compresor: comprime el aire aumentando su densidad utilizando el movimiento de sus álabes
que son movidos por la rotación del eje
Cámara de combustión: inyecta combustible en el aire y lo quema generando gases a alta
temperatura y presión (alta entalpía)
Turbina: transforma la energía de los gases que salen de la cámara de combustión en trabajo
de rotación en el eje
Tobera: acelera los gases que salen a costa de bajar su presión. Genera movimiento acción
reacción
Turbinas de gas para aviación
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
18
Aplicación del Primer principio a una Turbina
Los gases con alta presión y temperatura al atravesar la turbina empujan los álabes de la misma haciendo
girar su eje. La turbina extrae energía del los gases que la atraviesan reduciendo su entalpia y obteniendo
trabajo
En condiciones estacionarias:
A través de la turbina se cumple:
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
22
2
2
2
121
CCmhhmW
WzzgCC
hhm
12
2
1
2
212
2
(J/kg)
(J/s)
En este caso no se desprecian las variaciones de energía cinética
Proceso adiabático q=0 y =0
z1z2
Q
22
2
2
2
121
CChhw wzzg
CChh
12
2
1
2
212
2
Turbina Aeroreactor (Lección 6) Representación simbólica
W1
2
T
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
19
Aplicación del Primer principio a una Turbina
Los gases con alta presión y temperatura al atravesar la turbina empujan los álabes de la misma haciendo
girar su eje. La turbina extrae energía del los gases que la atraviesan reduciendo su entalpia y obteniendo
trabajo
En condiciones estacionarias:
A través de la turbina se cumple:
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
21 hhmW WzzgCC
hhm
12
2
1
2
212
2
(J/kg)
(J/s)
C1C2
Proceso adiabático q=0 y =0
z1z2
Q
21 hhw wzzgCC
hh
12
2
1
2
212
2
Turbina producción de potencia (Lecciones 4 y 5)Representación simbólica
W1
2
T
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
20
Aplicación del Primer principio a tobera y difusor
Difusor: frena el aire incidente y eleva su presión
Tobera: acelera los gases que salen a costa de bajar su presión. Genera
movimiento acción reacción
En condiciones estacionarias:
A través de la tobera y difusor se cumple:
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
No se realiza trabajo w=0 y =0
Proceso adiabático q=0 y =0
z1z2
QW
02
12
2
1
2
212
zzg
CChhm
22
2
22
2
11
Ch
Ch
Procesos de derrame: W=0Tobera Difusor1
2 1
2
C1 C2 C2C1
C2>C1
P2<P1C2<C1
P2>P1
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
21
Aplicación del Primer principio a compresores y bombas
En el compresor se aporta trabajo y se aumenta la entalpía del gas incidente. En el proceso puede generarse
algo de calor que se disipa al ambiente (a veces este calor puede despreciarse).
En condiciones estacionarias:
(J/kg)
WCC
mhhmQ
22
2
1
2
212
(J/s)
wCC
hhq
22
2
1
2
212
WQzzgCC
hhm
12
2
1
2
212
2
wqzzgCC
hh
12
2
1
2
212
2
En el compresor se cumple que:
En este caso no se desprecian las variaciones de energía cinética
z1z2
Compresor Aeroreactor (Lección 6)
Representación simbólica
W
1
2
CQ
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
22
Aplicación del Primer principio a compresores y bombas
En el compresor se aporta trabajo y se aumenta la entalpía del gas incidente. En el proceso puede generarse
algo de calor que se disipa al ambiente (a veces este calor puede despreciarse).
En la bomba ocurre lo mismo pero al ser un líquido (al no variar la densidad) el proceso genera prácticamente
sólo un aumento de presión (variación de energía interna despreciable).
Compresorde potencia(Lección 6)
Bomba
En condiciones estacionarias:
En condiciones estacionarias:A través de la bomba se cumple que:
Si además se asume que el proceso es adiabático ( =0, q=0) ytenemos en cuenta que las variaciones de energía interna son
Despreciables, las variaciones de h quedan reducidas a P/
(J/kg)
(J/kg)
WhhmQ 12(J/s)
C1C2
z1z2
1 2
whhq 12
WQzzgCC
hhm
12
2
1
2
212
2
wqzzgCC
hh
12
2
1
2
212
2
En el compresor
se cumple que: C1C2
z1z2
wzzgCCPP
12
2
1
2
212
20
w
PP
120
WzzgCCPP
m
12
2
1
2
212
2
Q
W
PPm
120 (J/s)
Representación
simbólica
W
1
2
CQ
1 2
BW
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
23
Aplicación del Primer principio a válvulas
En condiciones estacionarias:
A través de la válvula se cumple:
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
A través de una válvula de laminación la entalpía del fluido se mantiene constante
Proceso isoentálpico
Representación simbólica
C1C2
Proceso adiabático q=0 y =0
No se realizar trabajo w=0 y =0
z1z2
Q
W
02
12
2
1
2
212
zzg
CChhm
(J/kg)21 hh
02
12
2
1
2
212
zzg
CChh
1 2
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
24
Aplicación del Primer principio a intercambiadores de calor
En condiciones estacionarias:
A través del intercambiador se cumple que:
Y además en este equipo sólo se transmite calor, no se realiza trabajo w=0, por tanto:
Planteamos el balance de energía para el fluido 1
y para el fluido 2:
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
1212
2
1
2
2121 )(
2Qzzg
CChhm fluido
3434
2
3
2
4342 )(
2Qzzg
CChhm fluido
12121 Qhhm fluido
34342 Qhhm fluido
Como T2<T1, h2<h1 por tanto Q12<0 negativo (sale del fluido 1)
Como T4>T3, h4>h3 por tanto Q34>0 positivo (entra en el fluido 2)
(J/s)
(J/s)
1212 qhh (J/kg)
3434 qhh (J/kg)
C1=C2
z1=z2
C3=C4
z3z4
T1>T2
T4>T3
P1=P2
P3=P4
Intercambiador cerrado
Calor cedido = Calor absorbido
Q12 =Q34
1 2
4 3
Fluido 1
Fluido 2
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
25
Aplicación del Primer principio a caldera o generador de vapor
En condiciones estacionarias:
12 hhmQ (J/s)
Generador de vapor
En un generador de vapor se cumple que: C1C2
No se realiza trabajo w=0 y =0
z1z2
W
(J/kg) 12 hhq
QzzgCC
hhm
12
2
1
2
212
2
qzzgCC
hh
12
2
1
2
212
2
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
Q Agua líquida
Vapor de agua
Generador de Vapor
2
1
Tecn
olo
gía
Ener
gét
ica
26
Aplicación del Primer principio a intercambiadores de calor
En condiciones estacionarias:
Hacemos un balance de masa y energía al intercambiador:
(J/s)
Intercambiador abierto (procesos de mezcla)
Fluido 1
Fluido 3Fluido 2
P1=P2=P3
En un intercambiador de calor abierto se cumple que: C1C2 C3
No se realiza trabajo w=0 y =0
Proceso adiabático q=0 y =0
z1z2 z3
QW
WQgzChmgzChmentradas
ee
salidasss
2
212
21
321 mmm (kg/s)
02
2
221
221
2
121
113
2
321
33 gzChmgzChmgzChm
02
2
221
221
2
121
113
2
321
321 gzChmgzChmgzChmm
0221133 hmhmhm
1
23
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