TERMODINAMICA

TERMODINAMICAING. JORGE PAULINO ROMEROCIP 78324IG-3 119SUMILLA1.-Concepto termodinmico2.-Ecuacin de estado3.-Trabajo y Calor4.-lera Ley de Termodinmica (sistema abierto y sistema cerrado)5.-Compresores6.-2da Ley de Termodinmica.7.-Dinmica de los fluidos dentro de ductos.

BIBILOGRAFIASTERMODINMICA:Faires / SimmaflgTERMODINAMICA:Van WaylenTERMODINAMICA:J. ManriqueING. TERMODINMICA:M. David BurghardtING. TERMODINMICA: Jones / DuganTERMODINMICA:CengelTERMODINAMICA:J. Postigo / J. CruzTERMODINAMICA:Ing. Rueda

PROGRAMA ACADEMICO1.-Conceptos termodinmicos-Sistemas-Sustancia Pura-Fases y estados-Propiedades-Procesos y ciclos-Equilibrios termodinmico-Ley Cero de la Termodinmica

PROGRAMA ACADEMICO2.-Ecuaciones de Estados3.-Trabajo y Calor4.-1era Ley de Termodinmica- Sistema Cerrado para sustancias Homogneas- Sistema Cerrado para sustancias Heterogneas- Sistema Abierto para sustancias Homogneas- Sistema Abierto para sustancias Heterogneas5.-Compresores- Concepto, Clasificacin- Procesos de Compresin de Gases- Compresin en Mltiples etapas- Compresores Reciprocntes

PROGRAMA ACADEMICO6.- 2da. Ley de Termodinmica- Ciclo Rankine (Turbina de Vapor)- Ciclo Brayton ( Turbina a Gas)- Ciclo Combinado (Rankine - Brayton)- Ciclo Otto - Ciclo Disel- Ciclo do Refrigeracin7.- Dinmica de los Fluidos dentro de ductos.- Flujo Incompresible- Flujo Compresible

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES UNIDADES FUNDAMENTALES Longitud:metro (m)Temperatura absoluta:Kelvin (K)Masa:kilogramo (Kg)Temperatura relativa:Celsius (C)Tiempo:segundo (s)Corriente elctrica:Ampere (A)Masa molecular:mol (m)SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES MAGNITUDES FUNDAMENTALES

Fuerza : Newton (N)1 N = 1 Kg m / s2Presin : Pascal (Pa)1 Pa = 1 N / s2Energa : Joule (J)1 J = 1 N mPotencia : Watt (W)1 W = 1 J / s

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADESPresinEnerga 1 bar = (10)5 N / m21 Kj =1000 J1 bar = 100 KPa1 Kw. =1 Kj / s1 bar = 0.1 Mpa1 J= 1 Kg m2 / s21 bar = 1.02 Kg / cm21 Kg =9,8 N1 atm = 1.011325 bar1 atm = 1.033 kg / cm21 kPa =1 kN / m21 Mpa=1000 Kpa

CONCEPTO TERMODINAMICO TERMODINAMICA THERMOG = CALOR DYNAMIC = FUERZA o PODER

Es la ciencia que trata de las propiedades de la sustancia, la transformacin de calor y trabajo, que pueden causar el cambio de las propiedades iniciales de la sustancia.SUSTANCIA DE TRABAJOEs la sustancia operante y la materia con la cual se lleva a cabo una transformacin de energa EJM:- El motor de automvil, la sustancia de trabajo es la mezcla de gasolina + aire- En una turbina a vapor, la sustancia de trabajo es el vapor de agua- Una turbina a gas, la sustancia de trabajo es el gas (GLP o GNS)SUSTANCIA PURAEs aquella que no experimenta reacciones qumicas no se trata de una simple mezcla mecnica de distintas sustancias.EJM:- El agua H2O - El Metano es una sustancia pura pero al mezclarse con otras sustancias tambin pura como el la mezcla deja de ser una sustancia pura.- El Fren 12 (refrigeracin)El Amoniaco NH3 (refrigeracin)

SISTEMA TERMODINAMICOSISTEMAUn sistema termodinmico es una porcin de espacio o cantidad de materia que se selecciona para propsito de anlisis

SISTEMA CERRADOCuando no hay transferencia de masa pero si pude haber transferencia de calor y trabajo entre el sistema mismo y sus alrededores Ejm.:- El gas dentro de un tanque de almacenamiento - El aire que hay en una llanta de automvil- El gas que se encuentra en un reservorio

SISTEMA TERMODINAMICOSITEMA CERRADOES UN GAS DENTRO DE UN PISTON Y UN CILINDRO

SISTEMA TERMODINAMICOSISTEMA ABIERTO (VOLUMEN DE CONTROL)Cuando hay transferencia de masa, calor y trabajo; entre el sistema mismo y sus alrededores.Ejm:Una bomba de combustibleUna bomba de agua- Un motor de un automvil- Una turbina de GasUn compresor de AireUn compresor de gas

SISTEMA TERMODINAMICOSISTEMA ABIERTO O VOLUMEN DE CONTROL

ES UN COMPRESOR DE AIREREFINERIA CONCHAN

SISTEMA TERMODINAMICOSISTEMA AISLADOEs un sistema en donde no hay transferencia de energa como: calor y trabajo a travs de los lmites del sistema

SISTEMA ADIABTICOEs todo sistema que no permite transferencia de calor a travs de los limites del sistema, pero su puede cruzar a travs de estos limites energa en forma de trabajo

ESTADO TERMODINAMICOConjunto de valores que tiene un sistema o un volumen de control que esta determinado por sus propiedades termodinmicas en un instante dado. (se tienen que tener 2 propiedades intensivas)

PROPIEDAD TERMODINAMICAEs una caracterstica de un sistema o volumen de control, puede ser obtenida directa o indirectamente y no depende de sus antecedentes

PROPIEDAD INTENSIVANo dependen del tamao del sistema como: T, P y densidad

PROPIEDAD EXTENSIVASon las que dependen del tamao del sistema como: masa (M), volumen(V) y Energa (E)

PROPIEDAD EPECIFICASon propiedades extensivas por unidad de masa como: = v/m (volumen especifico); = U /m (Energa interna especifica)PROCESO TERMODINAMICOUn proceso esta definido por la sucesin de estados que tiene lugar en un sistema o volumen de control. Los procesos pueden ser Isobrico (P=cte) isomtricos (V=cte) Isotrmico (T=cte) o politrpico (PVn=cte)CICLOS TERMODINAMICOEs un proceso o varios procesos que regresan nuevamente al sistema en su estado original o inicial

EQUILIBRIO TERMODINMICO Un sistema se encuentra en equilibrio termodinmico si todas las partes del sistema se encuentran a la misma temperatura y a la misma presin no existe reaccin qumica, entonces el sistema debe encontrarse en equilibrio mecnico y equilibrio qumico.PROCESO CUASIEQUILIBRIO Un proceso cuasiequilibrio es aquel en que la desviacin del equilibrio termodinmico es infinitesimal y todos los estados que forman el proceso pueden ser considerados como estados en equilibrio; adems se considera a la sustancia desde el punto de vista macroscpico.

PROPIEDAD/ ESTADO TERMODINAMICOSISTEMA CERRADO1.- ESTADO INICIALPROCESO TERMODINAMICO2.- ESTADO FINAL

CICLO TERMODINAMICOS

ECUACIONES DE ESTADOECUACIONES DE ESTADO La ecuacin de estado de una sustancia establece la relacin que existe entre la presin, temperatura y volumen especifico; una expresin de la forma F(p, v, T) = 0 se denomina ecuacin de estado, se llama tambin ecuacin de estado incompleta porque solamente pueden determinarse p, v, T y no otras propiedades como la energa interna que contiene una sustancia en un estado dado, pero si puede servir, como medio para obtener esta y otras propiedades termodinmicas.

GASES IDEALESTodas las leyes termodinmicas se basan en la observacin experimental que se realizan sobre cualquier sustancia, basados en estas condiciones, se han establecido experimentos con precisiones no elevadas cumple con la ecuacin.

P V = Z m R T

Z = 1 (GAS IDEAL)ECUACIONES DE ESTADOGAS REAL ( Z 1) P V = Z m R T

Z = Factor de compresibilidadP = Presin absoluta Kpa V = Volumen en m3T = Temperatura absoluta en K R = Contante particular para cada gas en Kj / Kg - Km = masa en Kg

PROCESO DE UN GAS IDEAL 1.- Proceso Isotrmico T = cteO sea:P1 v1 = P2 v2 = cte

2.- Proceso Isobrico P = cte

O sea:v1 / T1 = v3 / T3 = cte

3.- Proceso volumtrico V = cte

O sea:P1 / T1 = P2 / T2 = cte

PROCESO DE UN GAS IDEAL PROCESO POLITROPICO Es un proceso reversible que cumple la siguiente relacin:

P V n = CP1 V1n = P2 V2n

(T2 / T1) = (P2 / P1)n-1/n = (V1 / V2)n-1

A)Proceso Isobrico P = cteT2 / T1 = V2 / V1 n = 0

B)Proceso Isotrmico T = cteP2 / P1 = V1 / V2 n = 1

C)Proceso Isomtrico V = cteT2 / T1 = P2 / P1 n =

PROBLEMASPROB. N 1Un recipiente rgido 10 m3 de oxigeno a 2 bar y 20 C. Se transfiere calor al O2 contenido hasta que su temperatura sea de 500 C. Determine.a) La masa de O2b) La presin en Kpa. al final del proceso c) La densidad a 500 C en Kg / m3CALOREs una forma de energa que se transmite de un cuerpo a otro, a consecuencia de una diferencia de temperatura entre el sistema y su alrededor. Ejm:- RadiadoresCondensadoresEvaporadores , etc UNIDADES CALOR Q JouleCALOR ESPECFICO q = Q/mJ/KgFLUJO DE CALOR Q = dq / dtJ/s = W

TRABAJOEs una forma de energa entre el sistema y sus alrededores Ejm: - Bomba de agua- Turbina de gas - Compresorde aire UNIDADES TRABAJO W JouleTRABAJO ESPECFICO w = W/mJ/KgFLUJO DE TRABAJO W = dw / dtJ/s = W

TRABAJO TERMODINAMICOCuando el sistema efecta un proceso cuasi equilibrio 1- 2 el trabajo 1W2 realizado por el sistema es: Proviene dw = F dx dw = P A dx

TRABAJO TERMODINAMICO

PROBLEMASPROB. N 1Un gas dentro de un cilindro se encuentra originalmente a una presin de 1 bar y ocupa un volumen de 0.1 m3. El gas se calienta a presin constante de tal manera que su volumen se duplica.Posteriormente el gas se expande de acuerdo a la relacin PV = C, donde C es una contantes hasta que su volumen se duplica de nuevo. Determine el trabajo total hecho por sobre el sistema y dibuje esquemticamente el correspondiente diagrama P vs V.

PROBLEMASSOLUCIN N 1W = P dv + P dvW = P (V2 V1) + C / V dvW = P1 V1 (V2 / V1) + P2 V2 In (V3 / V2)

Reemplazando W = (1 x 105) (0,1) (2 - 1) + (1 x 105) (0,2) (In 2)W = 0,24 x 105 JW = 24 KJPROBLEMASPROB. N 2En la figura mostrada el resorte se encuentra deformado 0,5cm. Cuando la presin del gas en el cilindro es igual a 2 bar.Mediante calentamiento el gas se expande hasta que el resorte se deforme 1cm.Calcule el trabajo desarrollado por el sistema y la presin final del gas.Suponga que el proceso es sin friccin y la deformacin dl resorte es elstica, el dimetro del pistn es igual a 5cm.PROBLEMASSOLUCIN N 2W = F dx = K X dx = K (x1)2 ( (x2 / x1)2 1)W = K (x2 / 2) = K/2 ( (x2)2 (x1)2)W = (K) (x1) / 2 ( (x2 / x1)2 - 1)Luego la F constante K puede determinarse mediante la relacin F = K x1 = P1 AK = P1 A / x1 = D2 P1 = (5/100)2 (2 x 105) 4xL 4(0,5 / 100)K = 78539,82 N/mReemplazando:W = (7853,82) (0,5 / 100)2 (22 - 1) = 2.94 J 2La presin Final del gasP2 = K x2 / A2 = P1 (x2 / x1) = 2 x 2 = 4 barSUSTANCIA PURA SUSTANCIA DE TRABAJO - AGUAMEZCLA LQUIDO VAPORConsiste en analizar las proporciones de lquido y de vapor de un 100% de la combinacin de ambos en una circunstancia fsica o estado dado, a determinados condiciones de temperatura, presin y capacidad volumtrica. HUMEDADSe denomina con la letra (Y) y se define como la cantidad de liquido existente, respecto a la masa total de la mezcla liquido vapor en un estado dado. Se expresa as:

Y = ml / mt donde mt = ml + mv

SUSTANCIA PURA CALIDADSe denomina con la letra (X) y es la cantidad de vapor existente, respecto a la masa total de la mezcla liquido vapor. X = mv / mt donde X = mv mt = ml + mv ml + mvLNEA O PUNTO TRIPLEEs una zona donde aparece la co-existencia de los 3 estados ms definidos de la sustancia lquido solido vapor.Es una zona especia y nica parta cada sustanciaPUNTO CRTICO Es una zona puntual, donde existe vapor saturado o liquido saturado, cualquier cambio de fase mencionado se realiza casi sin el consumo de energa.

VOLUMEN ESPECFICOEs la relacin volumen entre la masa = v / m1=vf+(1 - Y) vfg 1=vf+vfg Y vfg 1=vf+vg vf Y vfg 1=vg-Y vfg

1er LEY DE LA TERMODINMICABasado en el principio de la conservacin de la energa: La energa no se crea, ni se destruye solo se transforma Matemticamente:

Q W = E (cambio de energa)

Q = E + W 1er ley de la termodinmica

Por unidad de masas: (especifica)

q = e + w

Tipos de energa: trmica, mecnica, elctrica, elstica, magntica, etc.

1er LEY TERMODINAMICA PARA SISTEMA CERRADO

Q = E + W Donde: E E = (Ec + Ep + U) Q = W + EQ = W + Ec +Ep + U Aproxima: Ec + Ep = 0

U: Variacin de Energa Interna Energa Interna.-Es una propiedad extensiva (depende de la masa)Es la energa que posee una sustancia a consecuencia del movimiento de sus molculas.

1er LEY TERMODINAMICA PARA SISTEMA CERRADO - GAS IDEAL1er LEY PARA GAS IDEAL dq = du + w

La Energa Interna en Gas Ideal Calores especficos Cv = (du / dt) du = Cv dt

Integrando: du = Cv dt U = m Cv t

ENTONCES:Q = m Cv (T2 T1) + m P dv

1er LEY TERMODINAMICA PARA SISTEMA CERRADO sustancia pura1er LEY con SUSTANCIA PURA

1Q2 = 1W2 + U2 U1

Donde: U = UL + Uv Pero: U L = ml uf Uv = mv ug

En forma especifica: U/m = Y uf + X ug u1 = uf + X1 ufg

LA 1era LEY DE LA TERMODINMICASISTEMAS ABIERTOS

FEES = Flujo de Estado Estable Q = E + W Q = E + W Q = m (h2 h1 + Ec + ep)

Q = (hs + (Vs)2/2 + gZs) - (he + (Ve)2/2 + gZe) + W