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[footnoteRef:1] [1: En este documento se presentan los conceptos bsicos de un sistema trmico para la asignatura Anlisis de Sistemas Dinmicos.La exposicin ser desarrollada por Cristian Guevara, Andrs Buitrago. Estudiantes de la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas, Proyecto Curricular Ingeniera Elctrica. Documento entregado el da 8 de abril de 2015 para revisin del Docente Adolfo Andrs Jaramillo Matta, IE., M.Sc., Ph.D.]

Sistemas TrmicosGuevara Cristian1, Buitrago Andres2Ccserranor@correo.udistrital.edu.co1, Afbuitragov@correo.udistrital.edu.co2Estudiantes, Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas1, 2Abstract

ResumenEn el siguiente documento se presenta los trminos conceptuales y caractersticas de un sistema trmico, teniendo en cuenta las equivalencias pertinentes con un sistema elctrico y sus respectivos elementos, magnitudes.

Index Terms Thermal system, Electric system, Circuit, Basic laws.

ndice de Trminos Sistema trmico, Sistema Elctrico, Circuito, Leyes Bsicas.

INTRODUCCIONEN este documento se presentan los conceptos bsicos para el estudio de un sistema trmico. Partiendo en sus magnitudes, las principales leyes, los tipos de circuitos trmicos y sus componentes. Posteriormente se determinaran los diferentes tipos de potencia generada por un sistema trmico as como los tipos de energa que genera el mismo. Finalizando se hablara de las analogas entre varios sistemas centrndose en las equivalencias para los sistemas elctricos.

OBJETIVOSGeneral

Mostrar a detalle los componentes y el funcionamiento de un sistema trmico.Especficos

Mostrar las principales leyes de la termodinmica. Ver las diferentes configuraciones para un circuito trmico. Analizar las equivalencias entre un circuito elctrico y un circuito trmico.

Definicin Sistema trmico

Un sistema trmico o termodinmico es una regin del espacio en la cual una variedad de componentes tienen un intercambio de energa trmica. Este tipo de sistemas estn limitados a unos lmites o fronteras dependiendo de la estructura del espacio a estudiar. La zona del espacio que rodea al sistema y con la cul ste interacta mediante intercambios energticos elentorno. Un sistema trmico puede estar abierto o cerrado al entorno, para que un sistema trmico este totalmente aislado del ambiente deba estar rodeado por un entorno adiabtico.

En un sistema cerrado se estudia el comportamiento de una masa (puede ser de gas) en el cual se ve los cambios de volumen y temperatura del mismo con respecto a los cambios generados por el sistema.

Figura 1 Sistema trmico cerrado [1]

No obstante en un sistema abierto se toma un rea de estudio denominada volumen de control este sin verse afectado por presiones generadas por el mismo sistema. [1]

Figura 2 Sistema trmico abierto [1]MagnitudesA continuacin se presenta la descripcin bsica de cada una de las magnitudes que conforman un sistema trmico. Presin

La presin es la fuerza por unidad de rea. Se rige por la relacin

Donde F equivale a la fuerza generada y A al rea donde se ejerci la fuerza.

Sus unidades son los pascales donde un pascal equivale a

Tomado de [2]

Temperatura

Es una medida de la materia la cual relaciona lo frio, caliente o tibio. Esta es una medida escalar la cual se relaciona con la energa interna de un sistema trmico. Se mide en dos escalas [2]

Celsius: Parte del punto de ebullicin y fusin del agua. Fahrenheit: Parte del punto de congelacin del cloruro de amnico y la temperatura corporal humana.

CalorEs la transferencia de energa trmica que se da entre diferentes cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas. Ocurriendo siempre desde el cuerpo que posee ms temperatura al que posee menor temperatura, este fenmeno se presenta hasta que los dos cuerpos lleguen a un equilibrio trmico. La relacin que describe el calor de un cuerpo es:

Donde ms es la masa del sistema, Ce es el calor especfico del sistema.

Numero de moles

Unmoles la cantidad de materia que contiene 6,02 x 1023partculas elementales (ya sea tomos, molculas, iones, partculas subatmicas, etctera).

Para calcular la cantidad de moles que hay en una determinada molcula se usa la relacin. [2]

Entropa

Es una magnitud fsica que permite establecer la energa que no se puede usar al producirse un trabajo. Para calcular la entropa de un sistema se usa la relacin [2]

Leyes termodinmicas

Ley cero

Esta ley enuncia que si dos sistemas estn por separado en equilibrio con un tercero, entonces tambin deben estar en equilibrio entre ellos. [6]

Primera Ley

La primera ley de la termodinmica establece que, cuando se agrega calor Q a un sistema mientras ste efecta un trabajo W, la energa interna U cambia en una cantidad igual a Q - W. Esta ley tambin puede plantearse para un proceso infinitesimal. Sigue la Relacin: Tomado de [2]

Donde es la variacin de energa interna del elemento, Q es el calor del sistema y W el trabajo producido por el mismo.

Segunda Ley

La segunda ley de la termodinmica describe la direccionalidad de los procesos termodinmicos naturales y puede plantearse de varias formas equivalentes.

El planteamiento de mquina es que ningn proceso cclico puede convertir calor totalmente en trabajo; el planteamiento de refrigerador es que ningn proceso cclico puede transferir calor de un lugar ms fro a uno ms caliente sin aporte de trabajo mecnico. Tomado de [2].

Ecuacin de estado

La presin p, el volumen V y la temperatura absoluta T de una cantidad dada de una sustancia se llaman variables de estado y estn relacionadas por una ecuacin de estado. Esa relacin implica nicamente estados de equilibrio, con p y T uniformesen todo el sistema. La ecuacin de estado del gas ideal relaciona p, V, T y el nmero de moles n a travs de unaConstante R que es la misma para todos los gases. [2]

Fuentes trmicas

Una fuente trmica es un elemento que transmite energa en forma de calor, este tipos de fuentes las podemos encontrar en diversas formar. Ejemplos claro de una fuente trmica puede ser el sol, una bombilla, una caldera y hasta en nuestro propio cuerpo.

Forma de transferencia de calor

Conduccin

Es un proceso por el cual el calor se traspasa de manera directa mediante el contacto entre dos cuerpos, cumplido con el principio de ley cero de la termodinmica. Para que un cuerpo sea capaz de trasmitir calor debe poseer una capacidad trmica, al igual que su inverso, conocido como la resistencia trmica. Conveccin

Esta forma de trasmisin de calor se caracteriza por darse en lquidos o gases que transportan el calor a zonas con distinta temperatura, en si la conveccin es el movimiento del fluido a distintas zonas para hacer intercambio de temperatura, este tipo de traspaso de calor es el ms comn. Lo que provoca el movimiento del fluido es la diferencia de densidades de este al someterse a una fuente de calor.

Radiacin

Es el calor que emite un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten este tipo de radiacin, aunque su intensidad depende de la temperatura y la longitud de onda considerada.A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que estos reflejan. A temperaturas ms altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por s mismos. As, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a sucolor, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas. [2]

Elementos que componen un circuito trmico

Resistencia trmica

Es la capacidad de un material, para oponerse al paso de calor. En materiales ya definidos es la relacin de espesor con conductividad trmica o simplemente el inverso de est. Sus unidades estn dadas en kelvin sobre watts.

La resistividad trmica para cualquier material est definida como la diferencia de temperatura sobre el flujo de temperatura donde su direccin es del foco caliente a el punto frio. [4]

Donde q es el flujo de calor.

Capacitancia trmica

Representa la capacidad de un material para dar paso de calor, es muy importante en sistemas por conduccin y conveccin, puesto que define que tas eficaz ser el traspaso de calor. Sus unidades estn dadas en Joul sobre kelvin. [4]

Equivalencias entre circuito elctrico y trmico

Tanto la resistencia como la capacitancia trmica son propias del sistema, estos adems poseen un equivalente del sistema elctrico, es decir podemos tratar e la temperatura como el voltaje y al flujo de calor como la corriente, haciendo esto tenemos una relacin idntica a la de los circuitos elctricos: [3]

Figura 5 Equivalencias Trmicas Elctricas Circuitos trmicos

Serie

Consiste en el contacto de materiales unidos por sus lados verticales los cuales tienen una transferencia de calor por conduccin.

Figura 3 Circuito Trmico en serie

Paralelo

Al contrario del circuito serie para que estn en paralelo los materiales conductores deben estar conectados por su parte vertical superior generando de igual forma una transferencia trmica por conduccin.

Figura 4 Circuito Trmico en paralelo

Potencia trmica

Es la inercia trmica por la temperatura en el tiempo. Donde la inercia trmica determina el nivel de capacidad que tiene un material para almacenar la energa trmica. Y est ligada a la relacin

Donde Cth es la inercia trmica y T la temperatura en el tiempo. [4]

Energa Trmica

Se define como el movimiento de las partculas que constituyen a la materia esta se manifiesta en forma de calor. Una forma de ver claramente la manifestacin de la energa trmica es a travs del contacto de dos cuerpos cada uno con diferentes temperaturas en la cual se presenta un intercambio de calor hasta el punto en que los cuerpos tengan la misma temperatura. [5]

Ejemplos

1. Bateras fotovoltaicas

Para mantener las condiciones de carga y estabilidad, adems de vida til las bateras fotovoltaicas funcionan en un rango de 17 a 25 centgrados, lo ideal sera 20 centgrados; entonces en lugares muy clidos o muy fros se necesita un control de temperatura el cual mantenga estabilizada este valor de temperatura.

Figura 5 Bateras Fotovoltaicas

2. Radiador de motores a combustin

En el sistema mecnico de los automviles, las temperaturas que se presentan son muy altas, estas condiciones trmicas podran reducir la vida til de los componentes que interactan en este sistema, para esto se emplea la ayuda de un control de temperatura, el radiador. El radiador proporciona agua fra al motor, controlado de esta manera los niveles de temperatura.

Figura 6 Radiador

Preguntas de evaluacin

Qu es una Resistencia Trmica? El flujo de calor es anlogo al voltaje elctrico? Verdadero Falso

Referencias[1] Sistema trmico, Disponible en:http://laplace.us.es/wiki/index.php/Sistemas_termodin%C3%A1micos_%28GIE%29#Sistemas_termodin.C3.A1micos[2] Magnitudes. Disponible en :Fsica universitaria Sears Zemansky Vol 1 Cap. [18-20][3] Elementos trmicos. Disponible en:http://www.elai.upm.es/webantigua/spain/Asignaturas/Servos/Apuntes/4_Modelado.pdf[4] Apuntes regulacin automtica Disponible en : https://www.dropbox.com/s/wpxyqwqu1a49bqc/4_Modelado.pdf?dl=0[5] Energa trmica Disponible en : http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Calorenergiatermica.htm[6] Leyes de la termodinmica Disponible en: http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jgr/fisest0506/RepasoTermo.pdf

Autores

Cristian Camilo Guevara SerranoEstudiante Ingeniera Elctrica (4 Semestre).Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas.

Andrs BuitragoEstudiante Ingeniera Elctrica (4 Semestre).Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas.