termodinamica fundamentos procesostransfenergia termomagistral 2016-i
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Fundamentos de termodinámica clase magistral unalTRANSCRIPT
Alexánder Gómez
Termodinámica TécnicaFundamentos
Bogotá, D.C., 2016
Capítulo 1.: Procesos de transformación de la
energía y su análisis
Contenido
1.0 Introducción
1.1 Formas de la energía1.1.1 Energía mecánica
1.1.2 Energía interna
1.1.3 Calor y trabajo
1.2 Análisis termodinámicos1.2.1 Sistemas termodinámicos
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
1.3 Propiedades termodinámicas de la materia1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas
1.4 Sistemas técnicos de transformación1.4.1 Sistemas de generación de potencia
1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento
Contenido
1.5 Procesos termodinámicos1.5.1 Estado termodinámico
1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos
1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado
1.5.4 Equilibrio termodinámico
1.6 Temperatura y equilibrio térmico
1.6.1 Ley cero de la termodinámica
1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura
1.6.3 Temperatura empírica
1.7 Dimensiones y unidades
1.8 Resumen
1.0 Introducción
[*] Fuente: Plass, L.; Reimelt, S.: Status und Zukunft der Biotreibstoffe. En: Chem. Ing. Tech. 79 (2007), p. 561-568
1.0 Introducción
Calentamiento Potencia
Enfriamiento
Iluminación
Clasificación general de usos de la energía
1.0 Introducción
Primera ley de la termodinámica: principio de conservación de la masa y la energía Criterio cuantitativo
Segunda ley de la termodinámica: asimetría de la transformación de la masa y la energía Criterio cualitativo
Propiedades termodinámicas de la materia
Maquinaria y equipos de transformación
Tecnología
EconomíaEcología
Energía
primaria
Procesos de
transformaciónEnergía
final
Energía útil
Usos no energéticos
y disipación
Disipación
Termodinámica
Campos de estudio
Termodinámica química:
equilibrio químico
Termodinámica técnica:
equilibrio térmico
Escala de referenciaTermodinámica estadística:
enfoque microscópico
Termodinámica clásica: enfoque
macroscópico
Termodinámica
de „no equilibrio‟
Termodinámica
de „equilibrio‟
Tiempo
1.0 Introducción
Energía
gravitacional
Energía
geotérmica
1.1 Formas de la energía
Energía
nuclear
Energía
química
Energía
solar
Fuente de energía „Transportador‟ de
energía
Combustibles
fósiles
Radiación
solar
Uranio y
otros
Planetas,
satélites
Núcleo
terrestre
Procesos de
transformación
Combustión
Fisión nuclear
Transferencia
de calor
Absorción
Movimiento
Energía
geotérmica
Energía solar
Energía
gravitacional
Uso
directo
Uso
indirecto
Central térmica solar
Colectores solares (Q)
Fotovoltaica, celdas
Energía hidráulica
Energía eólica
Celdas combustible; H2
Térmica: atmosférica
Biomasa
1.1 Formas de la energía
Fuentes renovables de energía
1.1 Formas de la energía
Energía
Energía
interna: U
Energía
mecánica
Calor: ΔQ
Trabajo: ΔW
Cinética: Ec
Potencial: Ep
Convección
Radiación
Conducción
Mecánico
Eléctrico,etc
Volumétrico
2
v2
c
m
E
mgzE p
1.1.1 Energía mecánica
1p,11mec, mgzEE
2
v2
2c22mec,
m
EE
cte.pcmec EEE
0;0v 1c1 E
Energía mecánica:
m
m
Z2=0
Z1
0;0 2p2 Ez
UQ
1.1.2 Energía interna
En un sistema en reposo, en el que la energía mecánica es cero, su
energía total es igual a su energía interna U.
Energía térmica interna: energía cinética y
potencial del movimiento molecular
Energía química:
por los enlaces
moleculares
Energía nuclear:
contenida en el
núcleo o átomo
m
UEE totalmec 0
Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de temperatura.
1.1.2 Energía interna
Q
Wm
U
Variación de la energía
interna:
La energía interna de un sistema
se modifica por el transporte de
energía a través de las fronteras
del sistema, por tres formas
diferentes:
1.Por transferencia de calor
2.Por realización de trabajo
3.Por la energía asociada al
transporte de masa
T
1.1.3 Calor y trabajo
Mecanismos de transferencia de calor
21 TT Conducción1T 2T
1fluido TT Convección1fluidoT 1T
RadiaciónIncidente
Absorbida
Transmitida
Reflejada
1.1.3 Calor y trabajo
Algunas formas de energía transferida por trabajo
1
2 Trabajo:
2
1
2
112 cos dzFdzFW
Trabajo volumétrico:
2
1
2
1
V
rev,12 pdvdzApWV
p
dz
área transversal:A
Trabajo de eje:
dMnW )()(2 d
2
1d
eje
12
d
dn ;
2d
Corte del eje
1.2 Análisis termodinámicos
Transformación de la energía
Principio de conservación:
Primera ley de la termodinámica
Principio de asimetría:
Segunda ley de la termodinámica
Análisis cuantitativo Análisis cualitativo
th
Calidad de la energía
Baja MediaAlta
Exergía Anergía
ex
Frontera: fs Ambiente: aImaginaria
Real
Estática
Móvil
Rígida
Variable
Analogía con la
mecánica: diagrama
de cuerpo libre
1.2.1 Sistemas termodinámicos
Identificación del objeto de análisis:
Sistema termodinámico
1.2.1 Sistemas termodinámicos
Gas
Frontera:
• Sin espesor
• No ocupa masa ni volumen
• No permite acumulación de
energía
• Su posición y propiedades se
deben definir claramente (por
medio de símbolos y texto)
• Puede ser conveniente el
análisis a través de subsistemas
Ambiente
Identificación del objeto de análisis:
Sistema termodinámico
Gas en dispositivo pistón-cilindro
dm
dm
dE
Abierto
(volumen de control)
dm = 0 dE
Cerrado
(masa de control)
dm = 0 dE = 0
Aislado
1.2.1 Sistemas termodinámicos
SistemaPropiedades de intercambio
Energía Masa
Abierto o
volumen de
control
Sí Sí
Cerrado o masa
de controlSí No
Aislado No No
1.2.1 Sistemas termodinámicos
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
J. R. Mayer: realiza en 1842 la primera publicación del principio de la conservación de la energía en el sentido con el que se comprende actualmente.
J. P. Joule: en 1843 publica los resultados de sus estudios experimentales sobre el principio de conservación de la energía.
H. L. F. von Helmholtz: ofrece en su publicación de 1847 una interpretación mecánica completa del principio de conservación de la energía.* Fotografías en dominio público
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
Algunas formulaciones de la primera ley:
• En toda modificación de un sistema aislado, la energía
total del sistema se conserva constante
• La energía de un sistema se modifica únicamente con el
suministro o retiro de energía a través de sus fronteras.
• La energía ni se crea ni se destruye, solamente se
transforma.
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
Q
U
Aislamiento
térmico T
QdU
W
WdU
Procesos para dT iguales:
Equivalencia energética entre el calor y el trabajo
Aumento de
U por fricción T
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
Thomas Newcomen: desarrolla la primera máquina de vapor funcional en 1712, en Gran Bretaña.
James Watt: desarrolla el condensador de vapor separado del sistema pistón cilindro de la máquina de vapor alrededor del año 1770.
Sadi Carnot: busca optimizar el funcionamiento de las máquinas de vapor mediante su análisis teórico. En 1824 se pregunta:
¿Tiene un límite el posible mejoramiento de la eficiencia térmica de la máquina de vapor?
¿Se puede convertir todo el calor en trabajo?* Fotografías en dominio público
Clausius: „El calor no puede fluir por si mismodesde una temperatura menor a una mayor‟
Thomson (Lord Kelvin): „Es imposible extraercalor de un recipiente y convertirlocompletamente en trabajo sin causar otroscambios en el universo‟
Max Planck: „Es imposible construir una máquinaque funcione cíclicamente, que no genere másefectos que el de elevar una carga y enfriar unrecipiente térmico‟
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
* Fotografías en dominio público
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
T = 75 °C
Calor
Ambiente: T = 20 °C
T /°C
tiempo
El principio de Carnot introduce el cambio: la asimetría
¿Calor?
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
entQ
salQ
mayorT
menorT
netoW
Sistema
entQ
netoent WQ
mayorT
menorT
netoW
Sistema
¡Imposible!
La formulación tecnológica de la segunda ley establece que no es
posible construir una máquina con una eficiencia térmica del 100 %.
Modelo de sólido: las moléculas tienen libertad de
movimiento restringida y una energía vibracional alta.
1.3 Propiedades termodinámicas de la materia
Modelo de gas: las moléculas tienen mayor libertad de
movimiento y una energía cinética alta.
Modelo de líquido: las moléculas están relativamente
cerca, pero tienen mayor energía cinética que en el sólido
correspondiente.
1.3 Propiedades termodinámicas de la materia
Diagrama de fases
A B
C
ED
F
G H
I J
Sustancia:
Dióxido de carbono - CO2
Superficie presión, volumen, temperatura
1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas
Propiedades termodinámicas
p, T m, V
Propiedades intensivas:
no dependen de la masa
Propiedades extensivas:
dependen de la masa
m; T
21 TTT 212
1
2
1mmm 1: 1/2 2: 1/2
Propiedades específicas:
extensivas / masa
1 :específicoVolumen
m
Vv
“Una teoría es tanto más impresionante cuanto mayor
es la simplicidad de sus premisas, mayor variedad de
cosas relaciona y más amplio es su campo de
aplicación. A ello se debe la profunda impresión que
me causó la termodinámica clásica. Es la única teoría
física de contenido general de la que estoy
convencido que, dentro del marco de aplicabilidad de
sus conceptos fundamentales, nunca será derribada.”[*]
A. Einstein
[*] Einstein, A.: “Autobiographical Notes,” en P. A. Schilpp (Ed.), Albert
Einstein: Philosopher-Scientist (Evanston, IL: Library of Living
Philosophers, 1971). [Traducción libre del texto original en alemán].
1.4 Sistemas técnicos de transformación
Clasificación según sus
aplicaciones
Calentamiento y
enfriamiento
Generación de
potencia
Clasificación según las
sustancias de trabajo
Operación con vaporOperación con gas
1.4.1 Sistemas de generación de potencia
Generación de potencia
Combustión externaCombustión interna
Operación con gas Operación con vapor
MotoresTurbinas
Joule-
Brayton
Motores Turbinas
Stirling Clausius-
RankineSeiliger
o dual
Otto Diesel
1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento
Calentamiento y enfriamiento
Calentamiento Refrigeración
Tradicional
(egía. primaria)
Sistemas por
compresión
Sistemas por
absorción
Licuefacción
de gases
Sistemas de
bombas de calor
Sistemas de
potencia - calor
Operación con gas Operación con vapor
Joule-Brayton
invertido
Clausius-Rankine
invertido
patm = 1,013 bar
Liq. Liq. + vap. Vapor
V / m3
T / °C
20 1Expansión
Estados: 1 2 3 4 5 6
Sistema heterogéneo:
(2 fases)
1.5 Procesos termodinámicos
Cambio de fase representado en el diagrama T – v
Sustancia pura: Agua - H2OSistema homogéneo:
(1 fase)
Propiedades:
p, v, T
Cambios de estado,
procesos y ciclos
),(),( vTfpyxfz Ecuación
de estado:
702
1003 4 5
6
• Sistemas homogéneos: composición química ypropiedades físicas iguales en todo el sistema (fase única).
• Sistemas heterogéneos: se componen de dos o másfases. Se presentan gradientes apreciables en la interfase(p.e., densidad).
• Sistemas continuos: variación continua de las propiedadesde las sustancias de trabajo (p.e.,una vela en combustión).
• Sustancias puras: tienen una composición químicauniforme e invariable. Si la sustancia se presenta en másde una fase, su composición química se conserva en cadauna de ellas.
1.5 Procesos termodinámicos
Estado de un sistema: representa el conjunto de sus
propiedades mensurables y que son independientes de su
historia o trayectoria previa.
Estas propiedades describen el sistema de manera
macroscópica a través de la asignación de valores
numéricos determinados para ellas.
No todas las propiedades termodinámicas son
independientes entre sí.
1.5.1 Estado termodinámico
1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos
Cambios de estado: constituyen el paso de un sistema de unestado a otro debido a los efectos externos sobre el sistema(solamente se pueden generar por variaciones en laspropiedades intensivas).
Procesos termodinámicos: corresponden a cambios o unaserie de cambios de estado asociados a una tecnologíaespecífica.
Ciclos termodinámicos: constituyen un proceso o una seriede procesos en los que el estado final es idéntico (en suspropiedades termodinámicas) al estado inicial.
1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado
Ecuaciones de estado: son las expresiones matemáticaspara los posibles estados de equilibrio de un sistema. Estasecuaciones representan las relaciones entre las propiedadesdel sistema. El estado se determina de manera unívocamediante los valores de sus propiedades independientes (notodas son independientes entre sí) y que no son función dela trayectoria del sistema (en el sentido termodinámico).
Propiedad Z como función de n propiedades independientesX1, X2, … Xn :
Z = f ( X1, X2, … Xn ) [enunciado experimental]
1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado
Principio de estado: El principio de estado establece que elnúmero de propiedades independientes en un sistema, esuno más que el número de interacciones relevantes detrabajo del sistema.
Sistema simple: Sólo se presenta una forma de transferenciade energía por medio de trabajo.
Principio de estado para sistemas simples: El estado de unsistema simple se especifica completamente por dospropiedades intensivas independientes.
Equilibrio termodinámico: se presenta cuando las
propiedades termodinámicas no varían al aislar el sistema de
su ambiente (ausencia de gradientes).
Equilibrio
Equilibrio termodinámico
Químico
Fases Térmico, T
Mecánico, p
1.5.4 Equilibrio termodinámico
1.6 Temperatura y equilibrio térmico
Medida de lo „caliente‟ o „frio‟: sensaciones
Incapacidad de hacer mediciones precisas, reproducibles y
en intervalos amplios
Se desarrollan los termómetros: usan como principio la
medición de propiedades físicas que varían en función de
la temperatura (dimensiones geométricas; resistencia
eléctrica; potencia de radiación; fuerza electromotriz, etc.)
1.6.1 Ley cero de la termodinámica
“Dos cuerpos en equilibrio
térmico (sistemas 1 y 2) con
un tercero (sistema 3), están
en equilibrio térmico entre sí.”
T1
T2
Sistema aislado
T1 > T2
Sistema 3
Termómetro
Luego de un tiempo
suficiente t,
T1 = T2
Sistema 1
Sistema 2
1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura
Energía térmica : formas sensible y latente de la energía
interna
Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de
temperatura.
1.6.3 Temperatura empírica
°C °F
100 212
0,010
40 104PF PF
ΘC = 5/9 (ΘF – 32)
ΘF = 9/5 ΘC + 32
Líquido del termómetro: Mercurio
Fusión del hielo:θ = 0 °C / Hoy: θ = 0,01 °C(punto triple del agua)
Evaporación del agua:θ = 100 °C (presión normal)
Fusión de mezcla agua-sal:
θF = 0 °F -- θ = -17,8 °C
Evaporación del agua:
θF =212 °F /
θ=100 °C
Astrónomo Anders Celsius (1701 – 1744) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736)
Escalas en 100 partes iguales
1.7 Dimensiones y unidades
Dimensión
Fuerza
Presión*
Energía**
Potencia
Algunas unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades (SI)
Unidad
Newton
Pascal
Joule
Watt
Símbolo
N
Pa
J
W
Definición
1 N = 1 kg m s-2
1 Pa = 1 N m-2 = 1 kg m-1 s-2
1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2
1 W = 1 J s-1 = 1 kg m2 s-3
* 1 bar = 105 Pa = 105 N m-2 / 1 atm = 1,01325 bar
** Cantidad de calor: 1 cal = 4,18068 J
1.8 Resumen
• La termodinámica clásica o fenomenológica sigue un enfoque
macroscópico.
• Dentro de la termodinámica clásica, la termodinámica técnica estudia
el equilibrio térmico a través de las leyes generales que rigen la
transformación de la energía; las variaciones en las propiedades
termodinámicas de la materia y su aplicación en el análisis de
procesos y equipos técnicos.
• Los procesos termodinámicos (cambios de estado de sistemas
termodinámicos) ocurren, principalmente, por medio de la
transferencia de energía en forma de calor y de trabajo.
• Las herramientas fundamentales para los análisis termodinámicos se
soportan en tres principios físicos fundamentales: la conservación de
la masa; la conservación de la energía y las limitaciones presentes
en sus procesos de transformación (disipación de la energía).
1.8 Resumen
• Las fuentes de energía y sus procesos de transformación son un
paso fundamental para el desarrollo económico y social y, al mismo
tiempo, generan grandes impactos ambientales. Por estas razones la
termodinámica es un campo de estudio fundamental para el
desarrollo sostenible.
• El origen de la termodinámica se ubica en las labores de explicación
del funcionamiento de las máquinas térmicas (del motor de vapor).
• La termodinámica técnica brinda un apoyo fundamental en las
labores de explicación y análisis pero…
¡no provee reglas o recetas de cocina para la invención!
Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica
• ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.: Termodinámica. Ed. McGraw-Hill: Bogotá y otras, 2006.
Es un texto sencillo y extenso en sus explicaciones, que cubre todo el contenido del curso y puede seguirse para su desarrollo.
• JONES, J. B.; DUGAN, R. E.: Ingeniería Termodinámica. Ed. Prentice Hall.: México, D.F., 1997.
Se hace un buen manejo teórico y explica con detalle el planteamiento y la deducción de ecuaciones.
• MORAN, J. M.; SHAPIRO, H. N.: Fundamentos de termodinámica técnica (2. Edición en Español correspondiente a la 4. Edición Original). Ed. Reverté, S.A.: Barcelona, 2004.
Presenta un buen equilibrio entre teoría, ejemplos y ejercicios; cubre el contenido completo del curso; es una buena guía para el estudio autónomo.
Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica
• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.: Fundamentals of Classical
Thermodynamics (SI Version). Ed. John Wiley & Sons: Singapore,
3ra. edición, 1985.
Cubre el contenido completo del curso y presenta una amplia
variedad y equilibrio de ejemplos y ejercicios.
• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.: Fundamentos de Termodinámica. Ed. Limusa – Grupo Noriega Editores: México, D.F., 2004.
Corresponde a la evolución de “Fundamentals of Classical Thermodynamics”, con complementos en teoría y ejercicios.
• POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W.: Termodinámica para Ingenieros (Traducción de Schaum´s outline of theory and problems of thermodynamics for engineers). McGraw-Hill: Madrid, 2004. ISBN 84-481-4282-9
Se hace una presentación resumida de la teoría y se enfoca en ejemplos y problemas resueltos.
Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica
• BAEHR, H.D.; KABELAC, S.: Thermodynamik. Grundlagen und
technische Anwendungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New
York, 2006.
• STEPHAN, P.; SCHABER, K.; STEPHAN, K; MAYINGER, F.:
Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen Band 1:
Einstoffsysteme. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New York, 2006.
• LUCAS, K.: Thermodynamik. Die Grundgesetze der Energie- und
Stoffumwandlungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, 1995.
Los textos de termodinámica técnica alemanes cubren el contenido
completo del curso; presentan de manera detallada los fundamentos
teóricos y hacen uso de ejemplos específicos y bien seleccionados;
estos textos no hacen una presentación excesiva de ejercicios, pero
los que se incluyen son bien estructurados.