Termodinámica I.Q. Ramiro E. Domínguez Danache Termodinámica • ¿Qué es la Termodinámica? • ¿Para qué sirve? • ¿Donde la encuentro? • ¿Donde la estudio? Termodinámica La Termodinámica es... • Parte de la Fisicoquímica que estudia la materia, la energía y sus transformaciones. • Las transformaciones de la energía de un tipo de energía en otro están regidas por las... Leyes de la Termodinámica. La Termodinámica se puede estudiar desde dos enfoques... • Termodinámica Clásica •Fenomenológica (empírica) • Termodinámica Estadística •Microscópica (modelos) Leyes de la Termodinámica: • Ley Cero: Equilibrio Térmico • 1a. Ley: Conservación de la Energía ∆U = Q + W • 2a. Ley: Permite predecir la dirección natural de cualquier proceso y pronosticar la situación de equilibrio. • 3a. Ley: La entropía de una sustancia pura y perfectamente cristalina es cero, en el cero absoluto de temperatura. Termodinámica ¿Donde la encuentro? • • • • • • • • • • En la Casa En la Oficina En la Escuela En el Transporte En la Industria En el Campo En el Mar En la Tierra En el Espacio En el Universo Telescopio Espacial Hubble NASA Lenguaje Termodinámico: • • • • Sistema Alrededores Universo Paredes – Rígidas, Flexibles – Diatérmicas, Adiabáticas – Porosas • Propiedades – Intensivas • Densidad • Presión • Temperatura – Extensivas • Masa (g) • Cantidad de materia (mol) • Volumen • Capacidad térmica • U (Energía interna) • H (Entalpía) • S (Entropía) • Energía libre: – A (Helmholtz), – G (Gibbs). (Extensiva/Extensiva) = Intensiva P.ej. ρ =(m/V) Lenguaje Termodinámico: Calor Energía Temperatura Trabajo Lenguaje Termodinámico: Expresiones coloquiales • ¿Esta haciendo, o tengo mucho calor...? – Ni tengo ni hace calor... • Creo que tengo temperatura... – Hasta los cadáveres tienen temperatura... • Creo que estoy muy caliente... – Comparado con qué... • ¿Tengo o hace frío?... – Ni tengo ni hace frío... • El termómetro indica 40°C, ¿eso es frío o caliente? • Depende... • Un refresco... – estará caliente • Una taza de café... – estará “tibia” • Un horno para pan... – estará frío • Caliente y frío son conceptos relativos Termodinámica: Calor y Trabajo • Calor: Forma de transferencia de energía debido a una diferencia de temperaturas – Conducción – Convección – Radiación • Trabajo: Forma de transferencia de energía debido a la acción de una fuerza – Trabajo mecánico – Trabajo de expansión – Trabajo eléctrico Tanto el calor como el trabajo son formas de transferencia de la energía (o energía en tránsito) Termodinámica: Temperatura • Propiedad de los sistemas que permite: – Comparar el “grado de calentamiento” de dos cuerpos – Decir si dos cuerpos se encuentran en Equilibrio térmico. – Decir de “donde” a “donde” fluye la energía térmica (Calor) • Escalas termométricas – Relativas • Celsius y Fahrenheit – Absolutas • Kelvin y Rankine 373 K 100 °C 212 °F 273 K 0 °C 32 °F – Ley cero de la Termodinámica 0 K - 273 °C -460 °F Termodinámica: Procesos • Exotérmicos • Endotérmicos Termodinámica: Clasificación de los Sistemas • El cuerpo humano es un Sistema Abierto que intercambia energía tanto en forma de calor como de trabajo • Un Sistema Cerrado puede intercambiar Energía pero no Masa • Un Sistema Aislado no permite el intercambio de materia ni de Energía ¿Y esta olla...? Termodinámica: ¿Donde la encuentro...? • En la casa: – En la cocina: estufa, olla Express, refrigerador, batidora, licuadora, lavadora de platos. – En el baño: regadera, lavabo, boiler, secadora de pelo. – En las habitaciones: aire acondicionado, calentadores ambientales – En lugares muy extremosos las “paredes” son “aislantes” (adiabáticas). Termodinámica: ¿Donde la encuentro...? • En la oficina: – En la Cafetera, base térmica para taza – En el baño – En el aire acondicionado y calentadores ambientales – En lugares muy extremosos las “paredes” son “aislantes” (adiabáticas). Termodinámica: ¿Donde la encuentro...? • En el Transporte • En la Escuela • En el Campo • En la Industria Termodinámica: ¿Donde la encuentro...? • En el Mar – Plataformas marinas para extracción de petróleo – Evaporación de agua • En la Tierra – Manantiales de agua caliente (geotermia), termoeléctricas, nucleoeléctricas • En el Aire – Condensación de la humedad, formación de nubes (agua y hielo), lluvia, tormentas, ciclones • En el Espacio – Globos aerostáticos, aviones, Transbordadores espaciales, Satélites • ¿En otros planetas? Termodinámica: ¿Donde la encuentro...? • ¿En donde encuentran ustedes a la Termodinámica? • ¿Podrían dar algunos ejemplos de sistemas donde se vea a la Termodinámica? Mars Pathfinder rover, Sojourner NASA and NSSDC Después de décadas de uso en la tierra, los sistemas fotovoltaicos se usaron pro primera vez en otro planeta en 1997 cuando el Sojourner exploró Marte. Las celdas solares proporcionaron 16 watts bajo pleno sol. Combustibles Fósiles Líneas Eléctricas de transmisión enfrente de una planta operada con carbón (2002) Combustibles fósiles • Tampa Electric Company's Polk Power Station, en Lakeland, Florida es una de las plantas operadas con carbón más limpias Energía geotérmica Planta de Vapor Flash en el sur de California. Programa de Energía Geotérmica. Actualmente las plantas operadas con agua caliente son la principal fuente de energía geotérmica en el mundo entero Energía geotérmica Los géiseres son una importante fuente de energía geotérmica Energía geotérmica Glenwood Springs, Colorado, usando un sistema intercambiador de calor, se aprovecha la energía geotérmica para mantener calientes las albercas, proveer de agua caliente de uso doméstico y para fundir la nieve. Energía Solar • El Cid Mega Resort Mazatlán usa un sistema Solar Heliocol para calentar 5 albercas y proveer al sistema de agua caliente fuera de temporada alta. Combustibles Fósiles Refinería de Petróleo Energía a partir de Etanol de maíz El etanol se puede producir a partir de almidón de maíz. También se está desarrollando la tecnología para obtener el alcohol a partir del material fibroso (celulosa y hemicelulosa) Termodinámica: Biomasa (Termoquímica) Actualmente se trabaja en la industria para desarrollar tecnologías aceptables económica y ambientalmente, para utilizar desechos industriales y domésticos para convertirlos en combustibles. También se han desarrollado procesos para hacer adhesivos y resinas a partir de desechos de madera. Estas resinas pueden reemplazar a las resinas hechas a base de petróleo y en el moldeado para fabricación de diversos materiales plásticos como los que se muestran Productos plásticos hechos con aceite de pirolisis obtenido a partir de desechos de madera. Termodinámica: Biomasa (Termoquímica) Planta productora de etanol a partir de tallos de la planta de de arroz, cerca de Sacramento California. El proyecto contempla 8 millones de galones de etanol por año y 40 millones de ácido cítrico. Debido a que los tallos de arroz tienen una alto contenido de silica, se planea co-producir silica precipitada. - Michael McCoy, "Biomass Ethanol Inches Forward," Chemical & Engineering News, December 7, 1998, pp. 29 - 32. Termodinámica: Biomasa (Termoquímica) La nueva tecnología de alta eficiencia permite la generación de electricidad con biomasa. El gasificador Batelle en Burlington, Vermont provee combustible gaseoso para sistemas modernos de potencia que pueden alcanzar eficiencias del doble de los equipos actuales. Gasificador de biomasa Batelle en Burlington, Vermont. USA Termodinámica: Biomasa Termoquímica Torres de destilación de Etanol a partir de Biomasa. Compañía de energía Pekin. Instalaciones en Illinois Termodinámica: Geotermia Sistema Geotérmico de “Bombeo de Calor”. Circulan agua a través de intercambiadores geotérmicos de calor. Bomba de tamaño comercial Termodinámica: Máquinas de vapor Locomotora de Trevithick. Primera Locomotora usada exitosamente. La caldera fue hecha de acero con una cámara de combustión interior. Los productos de la combustión estaban dirigidos directamente a una chimenea localizada en la boca de la cámara. La máquina de vapor, es decir, el cilindro con el pistón estaba dispuesto verticalmente, y las barras de conexión (de transmisión) iban conectadas al eje del motor. ¿Qué tal ahora? Termodinámica: Trabajo y máquinas 2000 Ford Ranger Esta camioneta pickup producida por Ford esta impulsada por etanol. Desde 1999, Ford ha producido esta versión de consumo versátil de combustibles con motor de 3.0 litros. La camioneta puede funcionar con cualquier combinación de gasolina y etanol. Un sensor mide el contenido de etanol y gasolina en el combustible y ajusta los inyectores de combustible mientras opera. El combustible ya preparado (conocido como E85), se vende en algunas gasolineras (USA), mezclado con 15% de gasolina. La gasolina sirve para desnaturalizar al etanol y proveer la presión de vapor necesaria para arrancar el motor en ambientes fríos, ya que ésta tiene una presión de vapor mayor que la del etanol. Termodinámica: Celdas de Combustible (Termoquímica) Vehículo Toyota de Celdas de combustible (Hidrógeno) Este vehículo, usa un motor eléctrico energizado por una celda de combustible y una batería. Impulsado sólo por el hidrógeno puro comprimido, tiene una velocidad de más de 95 millas por hora y una independencia de más de 180 millas. Termodinámica: (Termoquímica) Orion II Prototipo híbrido eléctrico. Manufacturado por Bus Industries of America. Autobús prototipo. Eléctrico e impulsado por gas natural. Opera silenciosamente con emisiones extremadamente bajas. 2002 Termodinámica Superconductores Caracterización de Materiales Superconductores Determinación de los niveles de resistencia de Superconductores de “alta” temperatura de transición. (Baño de nitrógeno líquido) Energía Nuclear Energía Nuclear País 1. Estados Unidos 2. Francia 3. Japón 4. Rusia 5. Alemania 6. R. Corea 7. Ucrania 8. Canadá 9. R. Unido 10. China 11. Suecia 12. España 13. Bélgica 14. India 15. R. Checa UNID 104 58 55 32 17 20 15 18 19 12 10 8 7 19 6 MW (net) 101.216 63.236 47.348 23.084 20.339 17.716 13.166 12.679 11.035 9.624 9.399 7.448 5.943 4.183 3.686 País 16. Suiza 17. Finlandia 18. Bulgaria 19. Brasil 20. Hungría 21. Sudáfrica 22. Eslovaquia 23. México 24. Rumanía 25. Argentina 26. Eslovenia 27. Países Bajos 28. Pakistan 29. Armenia UNID MW (net) 5 3.252 4 2.721 2 1.906 2 1.901 4 1.880 2 1.842 4 1.760 2 1.310 2 1.310 2 935 1 696 1 485 2 400 1 376 Fuente: Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)-agosto 2010 Energía Nuclear • Laguna Verde 1 Laguna Verde, Veracruz, Mexico Boiling Water Reactor (BWR) Salida Neta: 654 MWe Operable. Initial criticality: 11/1988. Commercial start: 07/1990. • Laguna Verde 2 • Laguna Verde, Veracruz, Mexico Boiling Water Reactor (BWR) Net Output: 654 MWe Operable. Initial criticality: 07/1994. Commercial start: 06/1995. Laguna Verde Energía Nuclear Diagrama de un reactor nuclear