Enginyeria Termodinàmica

ENGINYERIA INDUSTRIAL
ENGINYERIA
TERMODINÀMICA
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25105 Enginyeria Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
1
Crèdits: 7.5 ( 6.5 teoria + 1 pràctiques de laborator)
Crèdits ECTS: 6
Tipus optativa
Coordinador: YOLANDA CALVENTUS SOLÉ ([email protected])
Altres Professors: Pere Colomer Vilanova ([email protected]),
Departament: Màquines i Motors Tèrmics
Presentació
Coneixements previs
Els de l’assignatura de Termodinàmica de 3er.
Camps professionals
Qualsevol relacionat amb la Termodinàmica aplicada a processos termo-mecànics o amb la
Energètica en general
Relació amb altres assignatures
Els temes presentats són bàsics per la majoria d’assignatures del ICT Termoenergètic.
Objectius generals
Estudi termodinàmic de sistemes uni i multicomponents i les seves aplicacions en enginyeria de
processos. Estudi de processos i cicles termodinàmics de màquines tèrmiques mitjançant els
balanços d’energia i d’exergia. L’estudi inclou les màquines convencionals de generació de potència i
de refrigeració, així com d’altres no convencionals com els sistemes termoelèctrics.
Temari
Mòdul 1 TERMODINÀMICA DE LES SUBSTÀNCIES PURES
(16 hores)
Tema 1. Propietats volumètriques dels fluids. Comportament PVT de substàncies pures.
Comportament dels gasos. Factor de compressibilitat. Equacions d’estat tèrmiques.
Tema 2. Propietats generalitzades dels fluids. Propietats reduïdes. Llei d’estats corresponents.
Correlacions. Correlació del factor acèntric. Comportament de líquids.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25105 Enginyeria Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
2
Tema 3. Propietats termodinàmiques dels fluids. Equacions fonamentals de la Termodinàmica.
Equacions de Maxwell. Equacions d’estat calòriques. Energia lliure G funció generadora. Criteris
d’equilibri. Propietats residuals. Sistemes de dues fases. Sistema líquid-vapor.
Tema 4. Propietats termodinàmiques generalitzades. Correlacions generalitzades de les propietats
termodinàmiques. Aplicació a l’estimació de propietats termodinàmiques de fluids.
Tema 5. Termodinàmica dels canvis de fase. Transicions tèrmiques de primer i de segon ordre.
Mòdul 2 EXERGIA. BALANÇ EXERGÈTIC
( 8 hores)
Tema 6.. Exergia termomecànica. Balanç exergètic. Introducció-. Conceptes previs. Reversibilitat i
treball màxim. Enunciats de Haywood.- Exergia sense flux i càlcul de l’exergia sense flux.- Balanç
d’exergia en un sistema tancat.- Irreversibilitat. Exergia associada al treball i a la transferència de
calor.- Exergia amb flux.- Balanç d’exergia en un sistema obert.- Rendiment exergètic.- Aplicació de
l’anàlisi exergètic a processos d’expansió, compressió i d’intercanvi de calor.
Mòdul 3. TERMODINÀMICA DELS SISTEMES REACCIONANTS
(7 hores)
Tema 7. Termoquímica. Balanç energètic de la reacció química. Combustió. Calor estàndard de
reacció.- Estats de referència.- Calor estàndard de formació. Taules.- Calor estàndard de combustió.
Potència calorífica superior i inferior d’un combustible.- Efecte de la temperatura sobre la calor de
reacció. Equació de Kirchoff.- Reaccions industrials.- Combustió. Temperatura teòrica de flama.
Efecte de l’excés d’aire.- Efecte de la pressió sobre la calor de reacció.
Tema 8. Exergia química. Balanç exergètic de la reacció de combustió. Exergia química. Estat de
referència. Avaluació.- Exergia total (termo-física + química).- Exergia d’un combustible. Taules.Balanç exergètic de la combustió.- Exergia dels gasos de la combustió.- Irreversibilitat de la reacció
de combustió. Rendiment exergètic de la combustió.
Mòdul 4. CICLES TERMODINÀMICS DE MÀQUINES TÈRMIQUES (20 hores)
Tema 9. Introducció a les màquines tèrmiques
La màquina tèrmica. Classificació.- Màquines de combustió interna i externa.- Cicles termodinàmics i
cicles equivalents.- Paràmetres de funcionament. Rendiment. Relació de treball.
Tema 10. Cicles de potència amb turbines de gas. Cicle de Brayton. Treball i rendiment.- Influència de
les irreversibilitats.- Cicle regeneratiu ideal.- Regeneració imperfecta amb irreversibilitats.- Anàlisi
exergètica del cicle.- Compressió amb pre-refredament i expansió amb rescalfament.- Cicle ideal de
compressió i expansió isotèrmica. Cicle d’Ericson.- Cicle de Stirling.
Tema 11. Cicles de potència amb turbines de vapor. Centrals tèrmiques.
Cicle de Rankine ideal amb rescalfament.- Efecte de les irreversibilitats internes. Anàlisi exergètica.Criteris per augmentar el rendiment del cicle de Rankine. Limitacions pràctiques.- Cicle regeneratiu
per etapes.- Cicle amb rescalfament intermedi.- Cicle de regeneració amb rescalfament.- Centrals
tèrmiques convencionals.- Centrals de cicle combinat.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25105 Enginyeria Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
3
Tema 12. Màquina frigorífica i bomba de calor. Coeficient d’eficiència.- Cicle de refrigeració.Modificacions: sots-refredament, compressió i expansió per etapes.- Anàlisi exergètica d’un cicle de
refrigeració.- Fluids refrigerants.- Bomba de calor. Aplicacions. Refrigeració per efecte Peltier
Tema 13. Liquació de gasos.
Efecte Joule Thomson. Mètode Linde de liquació d’aire.
Mòdul 5 PROPIETATS TERMODINÀMIQUES DE LES MESCLES HOMOGÈNIES
(14 hores)
Tema 14. Propietats termodinàmiques de sistemes multicomponents
Equacions termodinàmiques. Potencial químic. Propietats molar i molar parcial. Equació de GibbsDuhem. Fugacitat i coeficient de fugacitat d’una substància pura i d’un component en una mescla.
Càlcul de fugacitats. Correlacions generalitzades.
Tema 15. Propietats termodinàmiques de les dissolucions. Estats de referència. Propietats
termodinàmiques de mescla. Activitat. Propietats de mescla en la dissolució ideal. Propietats d’excés.
Coeficients d’activitat. Tipus de dissolucions.
Tema 16. Efectes tèrmics en processos de mescla. Calor de mescla. Calor integral de dissolució.
Diagrama entalpia-composició. Aplicació a processos de mescla i separació. Refrigeració per
absorció.
Tema 17. Mescles de gasos ideals. Psicrometria. Propietats termodinàmiques de les mescles de
gasos ideals.- Aire humit. Humitat específica i relativa. Punt de rosada.- Conservació de la massa i de
l’energia en sistemes psicromètrics.- Temperatura de saturació adiabàtica i de bulb humit. Diagrama
psicromètric.- Processos psicromètrics: deshumidificació, humidificació, refredament evaporatiu,
mescles adiabàtiques.- Torres de refrigeració.
Objectius específics dels mòduls

Mòdul 1
Repàs de les propietats volumètriques dels fluids i posterior estudi de les propietats generalitzades
dels fluids (gasos i líquids). L’aplicació de les propietats generalitzades s’extén al de propietats
termodinàmiques: entalpia i entropia. Es posa de relleu la utilitat d’aquesta metodologia en el cas que
les propietats volumètriques i termodinàmiques no estan tabulades per una substància en concret.
S’inclou també un breu estudi de la que s’anomena Termodinàmica d’estat, que introdueix l’energia
lliure i l’estudi de les transicions tèrmiques.

Mòdul 2
En aquest mòdul s’introdueix el concepte d’exergia i s’estudien els balanços d’exergia en sistemes
tancats i oberts i s’apliquen a tot tipus de dispositius termomecànics.

Mòdul 3
S’estudia la termodinàmica de les mescles reaccionants i en particular de la combustió, que és el
procés primer de generació d’energia tèrmica per als cicles de gasos i de vapor. La combustió
s’estudia baix el punt de vista del primer principi (balanços d’energia) i del segon principi (balanços
d’exergia).
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25105 Enginyeria Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010

4
Mòdul 4
Es proposa l’estudi dels cicles termodinàmics que generen potència utilitzant gasos que no
condensen (cicle de Brayton i turbina de gas) i de vapors que condensen (cicle de Rankine i centrals
tèrmiques). S’incideix en els balanços d’energia i d’exergia del cicle i en la determinació i millora del
rendiment termodinàmic del cicle. Com a sistemes més avançats es proposa l’estudi del motor Stirling
i Ericson. S’estudien les màquines inverses que funcionen amb cicle de refrigeració per compressió
amb un fluid refrigerant. Com tema complementari es proposa l’estudi de la liquació de gasos. Es
proposen tecnologies avançades per produir potència o refrigeració basades en l’efecte termoelectric,
que és un fenomen de la Termodinàmica de Processos Irreversibles.

Mòdul 5
Estudi termodinàmic de les mescles homogènies amb aplicació als efectes de canvi de volum en
solucions reals i de calor de la mescla. Com aplicació tecnològica de la calor de mescla s’estudia la
refrigeració per absorció.. Les mescles de gasos s’estudien en el cas de l’aire humit.
Metodologia de treball
Plantejament dels temes des de la base, procurant el màxim de rigor i profunditat en el seu tractament
termodinàmic. Aplicació d’una metodologia analítica dels conceptes teòrics i posterior aplicació a
casos pràctics. En alguns d’aquests temes (veure les pràctiques de laboratori) s’aplicarà una
metodologia experimental per confirmar els resultats que teòricament es poden determinar.
Sessions teoria, problemes
La docència de l’assignatura combina les sessions de teoria i de resolució de problemes
immediatament després de cada tema tractat. De manera que les classes són de teoria i d’aplicació a
problemes amb casuística industrial.
Pràctiques, laboratoris
Es proposen 5 pràctiques que es realitzen al Laboratori en sessions de dues hores. Considerem que
les pràctiques són necessàries per entendre millor determinades matèries i per això són obligatòries.
Les sessions de laboratori són dinàmiques ja que es valora la preparació prèvia que l’alumne ha fet
de la pràctica, així com els coneixements bàsics relacionats amb el desenvolupament de la pràctica.
Els resultats experimentals són tractats per l’alumne d’acord amb el model d’informe de la pràctica i
posteriorment són avaluats pel professor. L’alumne disposa d’uns guions de pràctiques de laboratori
on hi ha la informació bàsica per al desenvolupament de la pràctica i l’informe que ha d’entregar amb
els seus resultats.
Les pràctiques de laboratori són:
 Pràctica 1: Calor de combustió. Bomba calorífica
 Pràctica 2: Bomba de calor. Cicle de refrigeració
 Pràctica 3.: Motor Stirling
 Pràctica 4: Efecte termoelèctric. Bomba de calor Peltier
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25105 Enginyeria Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
5
 Pràctica 5: Propietats de mescla. Propietats molars parcials. Propietats d’excés. Aplicació al
volum molar.
 Pràctica 6: Estudi del comportament P-v-T d’un fluid pur.
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Temps de
Classe
18
Temps
D’estudi
10
Temps
total
28
Mòdul 2: Exergia i Balanç exergètic
8
8
16
Mòdul 3: Termodinàmica dels sistemes reaccionants
Mòdul 4: Cicles Termodinàmics de màquines tèrmiques
Mòdul 5: Propietats termodinàmiques de les mescles
homogènies
9
24
9
16
16
20
18
40
36
Mòdul
Mòdul 1: Termodinàmica de les substàncies pures
NOTA: Les hores de laboratori (10 h) estan incloses en la distribució horària de classes.
Materials
Bibliografia bàsica










Fundamentos de Termodinámica Técnica. M.J. Moran i H.N. Shapiro. Editorial Reverté (2ª edició)
(2004)
Termodinàmica en Ingenieria Química. J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott. McGraw Hill,
(2002).
Termodinàmica. K. Wark i D.E. Richards. McGraw-Hill. (2000). (6ª edició)
Ciclos termodinàmicos de poténcia y refrigeración. R.W. Haywood. Editorial Limusa (1999) (2a
edició)
Termodinámica. Y.A. Çengel, M.A. Boles McGraw-Hill (2003) (4ª edició)
Termodinàmica Tècnica. J.L. Gómez Ribelles, M. Monleón, G. Gallego Ferrer. Universidad
Politècnica València (2002) (llibre i CD)
Advanced Engineering Thermodynamics (2a edició). A. Bejan. John Wiley & Sons(1997)
Taules i gràfiques de propietats termodinàmiques. Departament de Màquines i Motors
Tèrmics.UPC. (2000)*
Pràctiques de Laboratori d’Enginyeria Termodinàmica. Unitat de Termodinàmica i Fisicoquímica
ETSEIT. Departament Màquines i Motors Tèrmics. UPC (2004)*
Exergia. Balanç exergètic. S. Montserrat, P. Colomer i Y. Calventus. Unitat de Termodinàmica i
Fisicoquímica ETSEIT. Departament Màquines i Motors Tèrmics. UPC (1999)*
(*) Material docent disponible al servei de repografia
Bibliografia complementària





Termodinámica molecular de los equilibrios de fases. J.M. Prausnitz, R:N. Lichtenthaler, E.
Gomes de Azevedo. Prentice Hall Iberia, 2000.
The exergy method of energy systems analysis. J.E. Ahern. John Wiley, 1980.
Chemical thermodynamics of materials. C.H. Lupis. North-Holland. Elsevier Science, 1983.
Termodinámica química. J.M. Sala Lizárraga, L.M. López González. Ed. Ochoa, 2002.
Termodinámica: Análisis exergético. J.L. Gómez Ribelles, M. Monleón, A. Ribres Greus. Editorial
Reverté (1990)
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25105 Enginyeria Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010


6
Thermodynamik (9a edició). H. D. Bauer. Springer (1996). Hi ha una traducció espanyola de la 2a
edició: Termodinámica. Teoria y Aplicaciones Técnicas. H. D. Baher. Editorial Montesó (1979)
The Exergy Method of Thermal Plants Analysis. T. J. Kotas. Krieger Publishing Co. Malabar,
Florida (1995) (2a edició)
Avaluació
Una avaluació parcial a mig quadrimestre, una altra final i valoració de les pràctiques
de laboratori
N f = 0.35 Nparcial + 0.50 Nfinal + 0.15 Nlaboratori .
On:
Nparcial: nota parcial
Nfinal: nota final
Nlaboratori: nota laboratori