TERMODINÁMICA (PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS)
I. Conceptos básicos
- Importancia
- Sustancias / propiedades fisicas
- Definiciones termodinamicas
- Diagramas termodinamicos
- Concepto de fluido y su clasificación
II. Ecuaciones fundamentales para un fluido en reposo
- Conservacion de masa
- Conservacion de Momentum
- Conservacion de energia
III. Ecuaciones fundamentales para un fluido en movimiento
- Conservacion de masa
- Conservacion de Momentum
- Conservacion de energia
IV. Aplicaciones termofluidicas para régimen de flujo estable - estado estable
Termodinamica
La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.
La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.
El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.
Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico, cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:
Integrantes
Jose Arana 8-856-302
Jose Cruz 8-876-73
George Yu 8-862-675
Edgar Espinosa 8-869-1721
Israel Chang 8-864-1356
Monica de Puy PE-12-792
Alejandro Millan PE-12-1310
Daniela Campo E-8-106092
Plan de Contenido
I. Conceptos básicos
- Importancia
- Sustancias / propiedades fisicas
- Definiciones termodinamicas
- Diagramas termodinamicos
- Concepto de fluido y su clasificación
II. Ecuaciones fundamentales para un fluido en reposo
- Conservacion de masa
- Conservacion de Momentum
- Conservacion de energia
III. Ecuaciones fundamentales para un fluido en movimiento
- Conservacion de masa
- Conservacion de Momentum
- Conservacion de energia
IV. Aplicaciones termofluidicas para régimen de flujo estable - estado estable
El Manometro
Termodinamica
La Termodinámica es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la energía, y cómo esta energía puede convertirse en trabajo (movimiento). Históricamente, la Termodinámica nació en el siglo XIX de la necesidad de mejorar el rendimiento de las primeras máquinas térmicas fabricadas por el hombre durante la Revolución Industrial.
La Termodinámica clásica (que es la que se tratará en estas páginas) se desarrolló antes de que la estructura atómica fuera descubierta (a finales del siglo XIX), por lo que los resultados que arroja y los principios que trata son independientes de la estructura atómica y molecular de la materia.
El punto de partida de la mayor parte de consideraciones termodinámicas son las llamadas leyes o principios de la Termodinámica. En términos sencillos, estas leyes definen cómo tienen lugar las transformaciones de energía. Con el tiempo, han llegado a ser de las leyes más importantes de la ciencia.
Antes de entrar en el estudio de los principios de la termodinámica, es necesario introducir algunas nociones preliminares, como qué es un sistema termodinámico, cómo se describe, qué tipo de transformaciones puede experimentar, etc. Estos conceptos están resumidos en el siguiente cuadro:
Conceptos Fundamentales
Ciencias Termofluídicas: Ciencia que estudia el comportamiento de las sustancias y su interrelacion con la posibilidad de un cambio de calor y trabajo mecanico.
Definiciones varias:
Sistema:
- Cerrados:sistemas como recipientes, tanques. Son totalmente cerrados, hermeticos. No hay flujo de masa a traves de los limites del sistema. La parte externa de los limites son alrededores o entornos.
- Sistema cilindro embolo: sistema cerrado con limite móvil. Se aplica una fuerza hacia abajo y sucede comprensión del contenido del recipiente. Hacia arriba es descomprension.
La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En este apartado estudiaremos:
Qué es la energía interna de un cuerpo
El primer principio de la termodinámica
El concepto de trabajo termodinámico
Cómo extraer información útil de las gráficas presión - volumen
Cuáles son los principales tipos de procesos termodinámicos
La energía interna de un sistema es una caracterización macroscópica de la energía microscópica de todas las partículas que lo componen. Un sistema está formado por gran cantidad de partículas en movimiento. Cada una de ellas posee:
energía cinética, por el hecho de encontrarse a una determinada velocidad
energía potencial gravitatoria, por el hecho de encontrarse en determinadas posiciones unas respecto de otras
energía potencial elástica, por el hecho vibrar en el interior del sistema
Energía interna en gases ideales
En los gases ideales, la energía interna se puede aproximar a la energía cinética media de las partículas que lo componen. La expresión que se recoge más abajo permite determinar su variación en un proceso cuyo volumen permanece constante (proceso isocórico).
La energía interna de un gas ideal depende únicamente de la temperatura que tenga el gas. La variación de energía interna que experimenta un gas al cambiar de temperatura viene dada por:
Donde:
∆U : Incremento de energía interna del gas ( ∆U = Ufinal - Uinicial ). Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio ( J )
m : Masa. Cantidad de gas considerada. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kilogramo ( kg )
cv : Calor específico a volumen constante. Representa la facilidad que el gas tiene para variar su temperatura cuando intercambia calor con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio por kilogramo por kelvin ( J/kg·K ) aunque también se usa con frecuencia la caloría por gramo y por grado centígrado ( cal/g·ºC ). Cuando conocemos el número de moles de sustancia en lugar de su peso (nos dan m en moles), podemos usar el calor específico molar que se suele específicar en J/mol·K ó cal/g·ºC
∆T : Variación de temperatura. Viene determinada por la diferencia entre la temperatura inicial y la final ∆T = Tf -Ti . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvín ( K ) aunque también se suele usar el grado centígrado o celsius ( ºC )
Primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece una relación entre la energía interna del sistema y la energía que intercambia con el entorno en forma de calor o trabajo.
Al igual que todos los principios de la termodinámica, el primer principio se basa en sistemas en equilibrio.
Por otro lado, es probable que hayas oído más de una vez que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Se trata del principio general de conservación de la energía. Pues bien, la primera ley de la termodinámica es la aplicación a procesos térmicos de este principio. En un sistema aislado, en el que no se intercambia energía con el exterior, nos queda:
El universo en su totalidad se podría considerar un sistema aislado, y por tanto, su energía total permanece constante.
Finalmente observa que, al ser una función de estado, la diferencia de energía interna solo depende de los estados inicial y final, ∆U = Uf - Ui , y no del camino que haya seguido el proceso. El calor y el trabajo, en cambio, no son funciones de estado, por lo que sus valores dependen del caminio seguido por el proceso. Esto quedará bien ilustrado en los diagramas presión - volumen para gases ideales, como verás más abajo.
Trabajo termodinámico
La energía interna de un cuerpo no incluye la energía cinética global o potencial mecánica del mismo, tal y como señalamos anteriormente. Es por ello que no se ve alterada con el trabajo mecánico. En termodinámica nos interesa otro tipo de trabajo, capaz de variar la energía interna de los sistemas. Se trata del trabajo termodinámico.
Trabajo termodinámico presión - volumen
El trabajo termodinámico más habitual tiene lugar cuando un sistema se comprime o se expande y se denomina trabajo presión - volumen (p - v). En este nivel educativo estudiaremos su expresión en procesos isobáricos o isobaros, que son aquellos que se desarrollan a presión constante.
PROCESOS INDUSTRIALES – TERMODINAMICA
Capacidad de producción de una caldera
La capacidad de generación de vapor se da frecuentemente en libras de vapor por hora, pero como quiera que el vapor a distintas presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energía, este sistema no mide exactamente la energía producida.
Por lo anterior la capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma de calor transmitido a través de su superficie en btu/hora
Para unidades pequeñas se utiliza el concepto de caballo de calderas o bhp (boiler horse power), el cual equivale a 33.475 btu/h definido por la asme en el año de 1889
Tipos de calderas
Pirotubulares
Cámara
Parrilla
Acuatubulares
circulación normal
circulación contralada
circulación forzada
Como se utiliza
El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección.
Las calderas pirotubulares se fabrican en capacidades que van desde 1 bhp hasta aproximadamente 900 bhp, en unidades estandarizadas de 5, 10, 20, 40, 100, 200 y más bhp. Las presiones de operación más comunes son de 150 psi y 250 psi aun cuando pueden trabajar a presiones más bajas.
Son de bajo costo ya que su fabricación es muy sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos, líquidos y sólidos.
El principio cero de la termodinámica
Cuando dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema, los dos primeros sistemas están en equilibrio térmico entre sí. Esta propiedad hace que tenga sentido utilizar los termómetros como “tercer sistema” y definir una escala de temperatura.
La primera ley de la termodinámica
También conocida como la ley de conservación de la energía. La modificación de la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor añadido al sistema desde su entorno y el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno.
La segunda ley de la termodinámica
El calor no fluye espontáneamente de una región más fría a otra más caliente. O, lo que es lo mismo, el calor a una temperatura determinada no puede convertirse totalmente en trabajo. En consecuencia, la entropía de un sistema cerrado, o energía térmica por unidad de temperatura, aumenta con el tiempo hacia algún valor máximo. Así, todos los sistemas cerrados tienden a un estado de equilibrio en el que la entropía es máxima y no hay energía disponible para realizar un trabajo útil.
La tercera ley de la termodinámica
La entropía de un cristal perfecto de un elemento en su forma más estable tiende a cero a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto. Esto permite establecer una escala absoluta para la entropía. Desde un punto de vista estadístico, esto determina el grado de aleatoriedad o desorden de un sistema.
La termodinámica está en la base de todos los procesos de calentamiento con aplicaciones directas en la industria y la investigación en los ámbitos correspondientes. En los últimos siglos, la termodinámica se ha desarrollado con gran rapidez, especialmente en lo que respecta a la necesidad urgente de optimizar el rendimiento de la mayoría de los equipos de calentamiento. Por ejemplo, las máquinas de vapor y los calentadores industriales.
Más exactamente, las leyes de la termodinámica ofrecen una descripción completa de todos los cambios en el estado energético de cualquier sistema. Así como su capacidad para realizar un trabajo útil en su entorno.
La termodinámica es una rama de la física y de la ingeniería.
Dimensiones y unidades
Las dimensiones pueden caracterizar cualquier cantidad física. Las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se denominan unidades. Existen dos tipos de dimensiones, las primarias o fundamentales y las secundarias o derivadas, como por ejemplo:
Las dimensiones principales son: masa, m; longitud, L; tiempo, t; temperatura, T
Las dimensiones secundarias son las que se pueden derivar de las dimensiones primarias como: velocidad (m/s2), presión (Pa = kg/m.s2).
