conceptos termodinamicos relacionados con el uso eficiente de los recursos energeticos 3.- primer...
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CONCEPTOS TERMODINAMICOS RELACIONADOS CON EL USO EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGETICOS
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas.Modelo de gas ideal.
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema.
Propiedad, equilibrio, estado y proceso.Temperatura.Propiedades de las sustancias puras.
4.- Máquinas térmicas. Concepto. Ciclo de Carnot. Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius. Teorema de Carnot. Rendimientos Termodinámicos
5.- Segundo Principio de la Termodinámica.Teorema de ClausiusFuncion entropíaEvolución de los ProcesosIncremento de Entropía
6.- La degradación de la energía. Calidad de la EnergíaTrabajo ReversibleTrabajo Perdido y Trabajo RealFunción Exergía
1.- La Energía. Recursos Energeticos. Transformaciones de Energia. Clasificación de acuerdo al origen .
· DEFINICIONES DE ENERGIA
Þ L a energía es una propiedad inherente a todo sistema material.Þ Es la capacidad que tiene un sistema material de promover un cambio en otro sistema.Þ Da cuenta de la interacción entre sistemas. Þ Concepto mecánico: Capacidad de realizar trabajo.
· FORMAS BASICAS DE ENERGIA
Þ CinéticaÞ PotencialÞ Interna
CLASIFICACION SEGÚN TIPO DE INTERACCION U ORIGENÞ mecánica, térmica, eléctrica, magnética, química, elástica, nuclear, solar, eólica, etc.
Unidades mas usadas de la Energía
Julio [J] (S.I.)Caloría [cal]British Thermal Unit [Btu]
Ergio (Erg)
Julio(J)
Kilovatio-hora
(kWh)
Kilocaloría (kcal)
Caballo de Vapor hora
(CV-h)
British thermal
unit (Btu)
Ergio (Erg) 1 1 E-7 2,778 E-14 2,389 E-11 0,377 E-13 9,480 E-11
Julio (J) 1 E+7 1 2,778 E-7 2.389 E-4 0,377 E-6 9,480 E-4
Kilovatio-hora (kWh) 3,600 E+13 3,600 E+6 1 860 1,359 3.413
Kilocaloría (kcal) 4,186 E+10 4.186 1,163 E-3 1 1,581 E-3 3,969
Caballo de Vapor hora (CV-h)
2,650 E+13 2,650 E+6 0,736 632,6 1 2.510
British thermal unit (Btu)
1,055 E+10 1.055 2,930 E-4 0,252 0,398 E-3 1
1.- LA ENERGÍA. RECURSOS ENERGETICOS.TRANSFORMACIONES DE ENERGIA. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL ORIGEN .
¿Qué es la Termodinámica?
La Termodinámica es una Ciencia Física que trata sobre el estudio de las
TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA
y de las relaciones entre las
PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS EN EQUILIBRIO
las cuales son afectadas por aquellas transformaciones
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Lavoiser 1743- 1794
Carnot1796-1832
Clausius1822-1888
Kelvin1820-1907
Joule1818-1889
Gibbs1839-1903
S. XVIII S. XIX S. XXI
Ley conservación de la materia
Análisis de las máquinas térmicas
Equiparación entre energía térmica y trabajo
Ecuaciones fundamentales entre propiedades
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
EntropíaEscala de temperaturas
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Sistema Termodinámico. Frontera del Sistema.
• Es una Porción del Universo objeto de estudio
• Esta delimitado por una frontera o pared (Real o Imaginaria)
• El exterior es el Entorno o alrededores
Ambos conforman un Universo = Sistema + Entorno
Sª Termodinámico
Entorno
Universo
FronteraReal
FronteraImaginaria
• Aislantes No permiten ningún tipo de interacción entre el sª y sus alrededores
• Impermeables/Permeables Intercambio de materia (interacción material)
• Rígida/Móvil Intercambio de energía en forma de TRABAJO con cambio de volúmen (interacción mecánica)
• Adiabática/Diatérmana Intercambio de energía en otra posible forma (interacción térmica)
Pared Impermeable Pared permeable
W
Q
1) Material (Flujo) 2) Trabajo (mecánico, eje) 3) Calor (térmico, superficie)
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Sistema Termodinámico. Interacciones.
1) Material (Flujo) 2) Trabajo (mecánico, eje) 3) Calor (térmico, superfcie)
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Sistema Termodinámico. Interacciones.
Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso
VARIABLES TERMODINÁMICAS: Son magnitudes físicas que corresponden a las propiedades del sistema en equilibrio y que pueden tomar valores diferentes.
Variables internas: P, V, T, m, , cv, cp, U, S …
Variables externas: Ec, Ep, ...
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
PROPIEDAD: cualquier característica macroscópica (evaluable) de un sistema
HECHO EXPERIMENTAL: Todo sistema termodinámico aislado llega a tener fijas todas sus propiedades.
EQUILIBRIO: Se dice que un sistema aislado está en equilibrio termodinámico cuando todas sus propiedades son fijas (no evolucionan con el tiempo)
Variables Termodinamicas
Intensivas
¿’Dependen’ de la masa?
SI
)(EspecíficaIntensivamasa
Extensiva
NO
N
iiYY
1
21 XXX
Extensivas
Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
NO TODAS LAS VARIABLES TERMODINAMICAS SON INDEPENDIENTES ENTRE SI
Variables de Estado Son las variables independientes de un sistema.
Funciones de Estado Son las variables que dependen de las variables de estado
ESTADO: conjunto de valores de todos las variables de estado (un valor para cada variable)
Ecuaciones de Estado Ecuaciones que relacionan entre sí distintas variables de un sistema
Ejs: Ecuación de estado del gas ideal PV = nRT Ecuación de estado de Clausius P (V - nb) = nRT
(OJO: la Termodinámica proporciona definiciones de funciones de estado o relaciones entre ellas, pero NO proporciona las ecuaciones de estado)
Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
PROCESO: paso de un sistema desde un estado de equilibrio (inicial) a otro (final)(Basta que cambie una sola variable de estado)
Camino: estados intermedios en un proceso
Proceso Cíclico Estado inicial = Estado FinalProceso Cuasiestático el sistema evoluciona por sucesivos estados de equilibrioProceso Reversible proceso cuasiestático sin disipaciónProceso Irreversible procesos con disipación (procesos reales)
Estado Inicial
Estado Finaly
Camino
X
Definición general de una propiedad termodinámica (variables y funciones de estado):
- Magnitud física cuya variación en un proceso (no cíclico) depende SOLO de los estados inicial y final
- Su variación en cualquier proceso cíclico es nula
- Su diferencial es exacta
Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
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HECHO EXPERIMENTAL (Principio Cero de la Termodinámica):
DOS SISTEMAS QUE ESTÁN EN EQUILIBRIO TÉRMICO CON UN TERCERO
ESTÁN EN EQUILIBRIO TÉRMICO ENTRE SÍ
Temperatura
C C
AB
BA
EL SISTEMA C SE DENOMINA TERMÓMETRO
Consecuencia:
Existe una función de estado que caracteriza el equilibrio térmico
Temperatura Empírica
Variable de Estado cuyo valor es el mismo para todos los sistemas en equilibrio térmico.
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Ejemplos de propiedades termométricas: • la longitud de una columna de mercurio,• la presión (o el volumen) de un gas a volumen (o presión) cte., • resistencia eléctrica, ...
Para asignar valores a la temperatura empírica de cualquier sistema es necesaria la introducción de una escala de temperaturas
Escala Termométrica Lineal = (a + b * x ) a y b son ctes. que se fijan asignando valores arbitrarios de temperatura al punto de fusión del hielo f y al punto de ebullición del agua e a P = 1 atm
Escala centígrada f - e = 100Escala Celsius escala centígrada con f = 0 y e = 100 = 100 (x - xf)/(xe - xf)Escala Farenheit f = 32 y e = 212 = 32 + 180 (x - xf)/(xe - xf)
Lord Kelvin: Existe una escala Universal o absoluta de temperaturas (independiente del tipo de propiedad elegida para medirla)
Temperatura
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Propiedades de las Sustancias Puras
Aceite y agua Hielo y agua
Sustancia Pura: sistema formado por un solo componente o especia química homogéno químicamente pero NO físicamente FASES
Sustancia Pura Simple: sustancia pura cuyos estados vienen determinados por sólo 2 propiedades
(p,T,v) = 0
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Estado crítico
Estado triple
Curva de vaporización
Curva de fusión
SÓLIDO
GAS
Curva de sublimación
T
p
Estado crítico
T= cte.SÓLI
DO
LÍQ
UIDO
GAS
v
p
Sólido y vapor
Líquidoy vaporSó
lido
y líq
uido
Líquido y vapor
Sólido y vapor
Só
lid
o y
líq
uid
o
Estado triple
Punto crítico
Líqu
ido
Só
lido
Vapor
Gas
p
T
v
T = cte.
p = cte.
Propiedades de las Sustancias Puras
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras.
Trabajo, W
• Forma de transferencia de energía entre el sistema y su entorno [ J ]
• Tipos de trabajo: Mecánico: W = F drEléctrico: W = dQMagnético: W = H dMElástico: W = k dx…
W = Y dX Trabajo Termodinámico
Fuerza Generalizada
Desplazamiento Generalizado
• Convenio de Signos:Sistema
W > 0W < 0
• Sistemas Simples COMPRESIBLES Trabajo de Compresión/Expansión, Wc/e
Wc/e = p dV 2
1
VpW ec d/
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.
HECHO EXPERIMENTAL:La cantidad de energía en forma de trabajo necesaria para pasar de un estado inicial a otro final en un sistema cerrado y aislado (proceso adiabático) no depende ni del tipo de trabajo realizado ni del modo en que se realice .
12
2
1
2
1
EEEWW dδ adiabadiab
Consecuencia: Existencia de una función de estado E ENERGÍA [ J ]
p
V
Proceso arbitrario, W
Proceso adiabático, Wad
1
2
|Q| = |W| - |Wad|
En un proceso arbitrario, en el que se realiza un trabajo W se tiene que:
E W
La energía del sistema varía además debido a otro tipo de interacción que no es de trabajo INTERACCION TÉRMICA
Se define una nueva magnitud física que da cuenta de esa interacción:
CALOR Q E + W
1
2
Energia de un Sistema , E
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.
• Convenio de Signos:
Sistema
+ W - W
- Q + Q
• PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS CERRADOS: E = Q - W
ETotal = (Ecinética + Epotencial)Extrínseca + (Ecinética + Epotencial)Intrínseca = Ec + Ep + U
Primer Principio de la Termodinamica para sistemas cerrados
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.
La energia de un sistema cerrado solo se modifica si a través de sus fronteras gana o pierde calor y/o trabajo
U = Q – W
= Q – (Wotros + Wc/e)Si el proceso es a p = cte.
Reagrupando: (U + pV) = Q – Wotros H U + pV
Consecuencia: En procesos a p = cte. de sistemas cerrados que intercambian calor Q con su entorno y no se realiza ningún otro tipo de trabajo (Wotros = 0 J), la entalpía es el calor intercambiado: H = Q
La entalpía desempeña un papel fundamental en procesos de sistemas abiertos
- combustión- potencia de turbinas- ciclos de refrigeración…
= Q – (Wotros + p V)
Entalpia
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.
• Convenio de Signos:
Sistema
+ W - W
- Q + Q
• PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS ABIERTOS: H = Q - W
Primer Principio de la Termodinamica para sistemas abiertos
La variacion de entalpia de un sistema abierto es igual al calory/o trabajo ganado o perdido a través de sus fronteras
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.
H1 H2
Propiedades Energéticas (calores específicos)
• La energía interna y la entalpía son funciones de estado, por tanto:
U = U(p, T, V) H = H(p, T, V)
• La ecuación térmica de estado: F(p, T, V) = 0
• Se puede eliminar una variable:
U = U(T, V) H = H(p, T)
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.
• Expresiones diferenciales de las ecuaciones energéticas:
VV
UT
T
UU
TV
ddd
pp
HT
T
HH
Tp
ddd
vv
uTcu
TV ddd
pp
hTch
Tp ddd
• Calor específico a V = cte. : du = q – p dv [J/kg K]v
v T
qc
d
δ
• Calor específico a p = cte. : dh = q [J/kg K]p
p T
qc
d
δ
• cv y cp son funciones de la temperatura.
• Para sólidos y líquidos (sustancias incompresibles) se tiene: cv = cp = c
Propiedades Energéticas (calores específicos)
3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal.