TERMODINÀMICA Guia de l’assignatura ENGINYERIA AERONÀUTICA

ENGINYERIA AERONÀUTICA
TERMODINÀMICA
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30011 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CA.A.A de data 4/06/10
1
Crèdits: 6 (5,4 teoria + 0,6 pràctiques)
Crèdits ECTS: 4,8
Tipus: Troncal
Coordinador: YOLANDA CALVENTUS SOLÉ ([email protected])
Altres Professors: Pere Colomer Vilanova ([email protected]), Manel Soria Guerrero
([email protected] ), Joaquim Rigola Serrano ([email protected] ).
Departament: Màquines i Motors Tèrmics
Presentació
Coneixements previs
Coneixements bàsics de càlcul diferencial i integral. Conceptes de temperatura i pressió. Concepte de
gas ideal. Concepte de treball. Capacitats calorífiques
Camps professionals
Com a assignatura científica bàsica, està relacionada amb tots els camps professionals que tenen a
veure amb l’energia (materials, motors, fonts d’energia, combustibles, medi ambient, piles de
combustibles, etc.)
Relació amb altres assignatures
Química, Fonaments Físics de l’Enginyeria, Ciència i Tecnologia de Materials, Mecànica de fluids,
Termofluidodinàmica.
Objectius generals
En els continguts:

Presentar un tractament rigorós i complet de la Termodinàmica Tècnica mitjançant una
metodologia clàssica que doni a l’estudiant una base per a l’estudi de les matèries
relacionades que es cursen posteriorment
En les capacitats i habilitats:

Desenvolupar la capacitat d’aplicació de la Termodinàmica a assignatures afins, i més enllà,
saber-la aplicar a l’Enginyeria Aeronàutica en general

Desenvolupar la capacitat de formular
termodinàmics basats en processos reals

Adquirir capacitat per a un ús eficient de la bibliografia

Adquirir habilitat en el maneig de la instrumentació emprada en el laboratori
hipòtesis
simplificadores
dels
problemes
Temari
Mòdul 1. Conceptes introductoris i propietats PvT de fluids purs
Tema 1. Conceptes introductoris a la termodinàmica
(12 hores)
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30011 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CA.A.A de data 4/06/10
Tema 2. Estats i propietats volumètriques dels fluids purs
Mòdul 2. El Primer Principi de la Termodinàmica
Tema 3. El Primer Principi de la Termodinàmica
Mòdul 3. El Segon Principi de la Termodinàmica
Tema 4. El Segon Principi de la Termodinàmica
Tema 5. Exergia. Balanç exergètic
2
(14 hores)
(12 hores)
Mòdul 4. Relacions entre propietats termodinàmiques. Relacions termodinàmiques generalitzades
(10 hores)
Tema 6. Potencials termodinàmics
Tema 7. Propietats termodinàmiques generalitzades
Tema 8. Transicions de fase
Mòdul 5. Anàlisi termodinàmica de cicles
Tema 9. Cicles de potència
Tema 10. Cicles de refrigeració
(6 hores)
Objectius específics dels mòduls

Mòdul 1: Conceptes introductoris i propietats PvT de fluids purs
Presentar l’objectiu i mètode de la Termodinàmica Clàssica d’Equilibri. Introduir els conceptes i
elements bàsics per al seguiment de l’assignatura. Conèixer el comportament PvT dels fluids purs
posant especial èmfasi en la regió líquid-vapor i calcular propietats volumètriques

Objectius de l’alumne
1) Conèixer l’objectiu i mètode de la Termodinàmica Clàssica d’Equilibri i els conceptes bàsics per
seguir el curs
2) Saber expressar de forma genèrica una equació d’estat tèrmica i la seva forma diferencial. Definir
els coeficients tèrmics i saber treballar amb ells
3) Saber interpretar els diagrames PvT i les seves projeccions.
4) Aprendre el maneig de les taules termodinàmiques que contenen les dades PvT d’algunes
substàncies pures
5) Saber utilitzar les correlacions generalitzades per calcular propietats PvT de substàncies pures
Mòdul 2: El Primer Principi de la Termodinàmica
Formular el Primer Principi de la Termodinàmica i aplicar-lo a un volum de control

Objectius de l’alumne
1) Entendre els conceptes de treball termodinàmic i calor. Saber formular el Primer Principi en
sistemes tancats i sobretot en volums de control en règim estacionari i no estacionari
2) Saber aplicar el balanç de matèria i d’energia en estat estacionari a la resolució de problemes
de dispositius d’interès a enginyeria aeronàutica
3) Saber aplicar el balanç màssic i energètic en estat no estacionari a la resolució de problemes
de càrrega i descàrrega de recipients rígids i de sistemes amb treball de frontera
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30011 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CA.A.A de data 4/06/10
3
Mòdul 3: El Segon Principi de la Termodinàmica
Presentar la formulació del Segon Principi com a instrument que permet conèixer la direcció en la
que tenen lloc els processos naturals. Posar èmfasi en què la qualitat de l’energia es pot
quantificar amb una propietat termodinàmica anomenada exergia.

Objectius de l’alumne
1) Conèixer els enunciats clàssics del Segon Principi
2) Aprendre els conceptes de procés reversible i irreversible
3) Saber el concepte d’entropia i saber-ne calcular les variacions. Fer balanços d’entropia en
sistemes tancats i volums de control
4) Saber definir i treballar amb els conceptes de rendiments isentròpics de turbines,
compressors, bombes i toveres
5) Conèixer els conceptes d’exergia i saber realitzar balanços d’exergia en sistemes tancats i
volums de control
Mòdul 4: Relacions entre propietats termodinàmiques. Relacions termodinàmiques generalitzades
Definir els potencials termodinàmics i les equacions fonamentals de la termodinàmica que
permeten obtenir tota la informació termodinàmica sobre els sistemes. L’aplicació de les
propietats generalitzades s’extén al de propietats termodinàmiques: entalpia i entropia, i
s’apliquen les correlacions generalitzades al càlcul de propietats termodinàmiques de substàncies
pures. S’inclou un breu estudi de la Termodinàmica d’estat, que introdueix l’energia lliure i l’estudi
de les transicions tèrmiques.

Objectius de l’alumne
1) Relacionar els potencials termodinàmics amb el treball realitzat pels sistemes
2) A partir de les relacions de Maxwell saber trobar expressions per avaluar la variació d’energia
interna, d’entropia i d’entalpia específica d’un sòlid o d’un líquid
3) Establir els criteris per identificar l’estat final d’equilibri
4) Utilitzar les correlacions generalitzades per estimar propietats termodinàmiques de gasos i
vapors humits
5) Conèixer les característiques i les equacions que regeixen les transicions de primer i segon
ordre
Mòdul 5: Anàlisi Termodinàmica de cicles
Introduir els cicles termodinàmics generadors de potència més senzills de turbines de vapor i de
gas i de motors alternatius. Es posa especial èmfasi en les turbines de gas que són les més
emprades en els motors d’aviació. Definir i saber calcular l’eficiència energètica d’aquests cicles.
Descriure el cicle de refrigeració per compressió de vapor i la seva modelització termodinàmica.

Objectius de l’alumne
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30011 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CA.A.A de data 4/06/10
4
1) Saber realitzar l’anàlisi energètic i exergètic d’un cicle de potència
2) Conèixer l’esquema d’una turbina de gas per a la propulsió aèria
3) Saber realitzar l’anàlisi energètic i exergètic d’un cicle de refrigeració
Metodologia de treball. L’assignatura s’organitza en:
a) les classes de teoria i problemes on s’exposen els continguts teòrics i es resolen els problemes
prèviament proposats. Es realitzen a l’aula. S’utilitza el mètode expositiu fent ús de la pissarra i de
transparències. Ocasionalment, es pot treballar un problema a classe amb l’ajut del professor i
després comentar-lo a la pissarra.
Sessions teoria, problemes

2,5 sessions presencials de teoria a la setmana

1,5 sessió presencial problemes a la setmana
Pràctiques, laboratoris
Objectius generals de les pràctiques de termodinàmica:
1) Facilitar la comprensió i l’estudi dels temes que s’exposen a classe
2) Conèixer tècniques experimentals i equipaments o instruments de mesura pròpies del camp
de la Termodinàmica
3) Saber interpretar els resultats experimentals obtinguts
4) Conèixer i fer ús de les normes bàsiques de seguretat d’un laboratori
5) Saber redactar un informe. Aprendre a realitzar correctament les representacions gràfiques

Pràctica 1: Pressió de vapor de líquids. Determinació de la calor latent de vaporització

Pràctica 2: Estudi del comportament PvT d’un fluid pur

Pràctica 3: Determinació de la potència calorífica de gasos mitjançant el Júnker de gasos

Pràctica 4: Bomba de calor
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Temps de
classe
12 hores
Temps
d’estudi
24 hores
Temps
total
36 hores
Mòdul 2: El Primer Principi de la Termodinàmica
14 hores
40 hores
54 hores
Mòdul 3: El Segon Principi de la Termodinàmica
Mòdul 4. Relacions entre propietats termodinàmiques
Mòdul 5. Anàlisi Termodinàmica de cicles
12 hores
10 hores
6 hores
36 hores
20 hores
3 hores
84 hores
30 hores
9 hores
Mòdul
Mòdul 1: Conceptes introductoris i propietats PvT de fluids purs
NOTA: Aquesta temporització, evidentment és aproximada i està totalment subjecte al dia a dia del
curs
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30011 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CA.A.A de data 4/06/10
5
Importància i dificultat dels mòduls
Mòdul 1
La importància principal és la presentació dels conceptes bàsics i la descripció de les superfícies PvT
dels fluids purs. La dificultat que té és treballar amb equacions diferencials i assimilar el significat dels
termes que es presenten i la utilització de les correlacions generalitzades
Mòdul 2
S’estableix l’equació de conservació de l’energia en sistemes tancats i volums de control. La dificultat
principal és la resolució de problemes en volums de control
Mòdul 3
L’aplicació dels principis conservatius no és suficient per realitzar l’anàlisi termodinàmic, així la
discussió sobre la reversibilitat o irreversibilitat i que un procés tingui lloc en una direcció determinada
porta a establir les condicions en què han de verificar-se. La dificultat està en la compressió dels
conceptes d’entropia, energia degradada, exergia.
Mòdul 4
Una vegada establerts el Primer i Segon Principi, es completa el formulisme de la Termodinàmica
mitjançant la introducció dels potencials termodinàmics, les equacions de Maxwell. És molt important
la descripció dels criteri d’equilibri i espontaneïtat el càlcul de propietats termodinàmiques per gasos i
vapor humits. Estudi de les transicions de fase de primer i segon ordre. La dificultat bàsica és
familiaritzar-se amb tot el formulisme termodinàmic que apareix.
Mòdul 5
Veure com s’aplica tot el cos termodinàmic descrit en el curs a dues importants àrees d’aplicació de la
Termodinàmica: la generació de potència i la refrigeració. Les dificultats són resoldre problemes en
els que intervenen molts dispositius.
Materials
Bibliografia bàsica
M.J. Moran, H.N. Shapiro, Fundamentos de Termodinámica Técnica. Ed. Reverté (2004)
K. Wark, D.E. Richards, Termodinámica, 6ª Edición, Ed. McGraw-Hill (2001)
Y.A. Çengel, M.A. Boles, Termodinámica Ed. McGraw-Hill. (2003)
J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, Ed.
McGraw-Hill (2003)
Bibliografia complementària
M.W. Zemansky, R.H. Dittman, Calor y Termodinámica. Ed. McGraw-Hill (1985)
H.D. Baehr, Termodinàmica. Teoría y Aplicaciones Técnicas. Ed. Montesó (1979)
J. Aguilar, Curso de Termodinámica, Ed. Alhambra Longman (1998)
R.W. Haywood. Equilibrium Thermodynamics for Engineers and Scientists, Ed. John Wiley&Sons
(1980)
R.W. Haywood. Ciclos Termodinámicos de potencia i refrigeración, Ed. Limusa (1999)
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30011 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CA.A.A de data 4/06/10
Avaluació
L’avaluació de l’assignatura es farà segons l’equació següent:
N f = 0,4N1p + 0,45Nef + 0,15Nep
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial
Nef : Nota examen final
Nep : Nota exercicis pràctics
6