TERMODINÀMICA Guia de l’assignatura ENGINYERIA INDUSTRIAL

ENGINYERIA INDUSTRIAL
TERMODINÀMICA
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10
1
Crèdits: 7.5 ( 6 teoria i problemes+ 1.5 laboratori)
Crèdits ECTS: 6,0
Tipus Troncal
Coordinador: PERE COLOMER VILANOVA ([email protected])
Altres Professors: Yolanda Calventus Solé ([email protected]), Joaquim Rigola Serrano
([email protected]), Manel Soria Guerrero ([email protected]), John M. Hutchinson
([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. Formulació elemental del 1r i 2n principis,
aplicació a sistemes tancats
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
combustible, etc.)
Relació amb altres assignatures
Química bàsica, Física i laboratori de física II, Ciència de Materials, Termotècnia, Mecànica de Fluids,
Màquines hidràuliques i tèrmiques, Fonts d’energia, Tecnologia del Medi ambient
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 posterior de la
transferència de calor, de la mecànica de fluids i dels motors tèrmics.
En les capacitats i habilitats:

 Desenvolupar la capacitat d’aplicació de la Termodinàmica a assignatures afins o
relacionades amb ella, i més enllà, saber aplicar el cos de doctrina termodinàmica a
l’Enginyeria en general.

ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10


2

Desenvolupar la capacitat de formular hipòtesis simplificadores dels problemes
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
Temari
Mòdul 1 Conceptes introductoris i propietats PvT de fluids pur
(10 hores)
Tema 1. Conceptes introductoris a la termodinàmica (4 hores)
Tema 2. Estats i propietats volumètriques dels fluids purs (6 hores)
Mòdul 2 Primer Principi de la Termodinàmica
(16 hores)
Tema 3. El Primer Principi de la Termodinàmica (16 hores)
Mòdul 3 Segon Principi de la Termodinàmica
(18 hores)
Tema 4. El Segon Principi de la Termodinàmica (12 hores)
Tema 5. Exergia. Balanç exergètic (6 hores)
Mòdul 4 Potencials termodinàmics i Tercer Principi
(10 hores)
Tema 6. Potencials Termodinàmics (10 hores)
Mòdul 5 Anàlisi termodinàmica de cicles
(6 hores)
Tema 7. El Cicles Termodinàmics (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 del curs. 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 establir la relació existent entre ells. Saber treballar amb els
coeficients tèrmics
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10
3
3. Saber interpretar els diagrames PvT i les seves projeccions
4. Saber descriure el comportament d’un gas en comprimir-lo isotèrmicament a temperatures
superiors i inferiors a la crítica. Saber identificar i anomenar els diferents estats d’un fluid.
5. Aprendre el maneig de les taules termodinàmiques que contenen les dades PvT d’algunes
substàncies pures
Mòdul 2: El Primer Principi de la Termodinàmica
Formular el Primer Principi de la Termodinàmica i aplicar-lo a un sistema tancat i a un volum de
control.
Objectius de l’alumne
1. Entendre els conceptes de treball termodinàmic i calor
2. Saber formular el Primer Principi de la Termodinàmica en sistemes tancats i en volums de
control en règim estacionari i no estacionari
3. Saber aplicar el balanç màssic i el balanç energètic en estat estacionari a la resolució de
problemes de dispositius d’interès a enginyeria
4. Saber aplicar el balanç màssic i el balanç energètic en estat no estacionari a la resolució de
problemes de càrrega i descàrrega de recipients rígids i de sistemes amb treball de frontera

Mòdul 3: El Segon Principi de la Termodinàmica
Presentar la formulació del Segon Principi de la Termodinàmica com a instrument que permet
conèixer la direcció en la que tenen lloc els processos naturals. Posar de manifest que la qualitat de
l’energia pot quantificar-se com una propietat termodinàmica anomenada exergia. El mètode
exergètic és adequat per aconseguir una major eficiència dels recursos energètics.
Objectius de l’alumne
1. Conèixer els enunciats clàssics del Segon Principi
2. Aprendre els conceptes de procés reversible i irreversible
3. Conèixer el Teorema de Carnot
4. Saber el concepte d’entropia i saber calcular variacions d’entropia d’un gas ideal, d’un canvi
de fase, d’un focus tèrmic o utilitzant dades tabulades. Fer balanços d’entropia en sistemes
tancats i oberts en estat estacionari i no estacionari
5. Conèixer el conceptes d’exergia i saber realitzar balanços d’exergia en sistemes tancats i
oberts.
Mòdul 4: Potencials termodinàmics i Tercer Principi de la Termodinàmica
Definir unes funcions característiques anomenades potencials termodinàmics i que contenen tota la
informació sobre un sistema. Trobar les equacions fonamentals de la Termodinàmica

Objectius de l’alumne
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10
4
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. Conèixer els enunciats del Tercer Principi i les restriccions que imposa en les proximitats del
zero absolut
4. Saber calcular el valor absolut de l’entropia d’una substància mitjançant mesures
calorimètriques
5. Establir els criteris per identifica l’estat final d’equilibri
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. Saber calcular l’eficiència energètica d’aquests cicles. Descriure el cicle de
refrigeració per compressió de vapor i il·lustrar com es modelitza termodinàmicament

Objectius de l’alumne
1.
Saber realitzar l’anàlisi energètic i exergètic d’un cicle de potencia
2.
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 fer que els alumnes treballin a classe
un problema amb l’ajut del professor i un cop l’han resolt el comenta el professor a la pissarra.
b) Les classes de pràctiques en les que es treballa en grups reduïts i de forma guiada.
Posteriorment a la pràctica l’alumne haurà d’elaborar un informe que es resoldrà fora de
l’horari lectiu.
Sessions teoria, problemes
3 sessions presencials de teoria/setmana
1 sessió presencial problemes/setmana
Pràctiques, laboratoris
Objectius generals de les pràctiques de termodinàmica són els següents:
1) Facilitar la comprensió i l’estudi dels temes que s’exposen a classe
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10
5
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
Els alumnes fan un total de 6 pràctiques de les que es presenten seguidament en sessions de 2 h.

 Pràctica 1: Calor de dissolució.

Pràctica 2: Calor de neutralització mitjançant calorimetria

Pràctica 3: Determinació de la potència calorífica de gasos mitjançant el Junker de gasos

Pràctica 4. Pressió de vapor de líquids. Determinació de la calor latent de vaporització

Pràctica 5. Mesura de la calor específica d’un líquid. Mètode de la corba de refredament

Pràctica 6. Llei de Boyle-Mariotte. Determinació dels coeficients tèrmics d’un gas

Pràctica 7. Determinació de l’exponent adiabàtic d’un gas mitjançant el mètode de ClementDesormes

Pràctica 8. Determinació del coeficient adiabàtic d’un gas: mètode de Rückhardt

Pràctica 9. Efecte Joule-Thomson

Pràctica 10. Estudi del comportament PvT d’un fluid pur

Pràctica 11. Bomba de calor
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Mòdul
Mòdul 1: Conceptes introductoris i propietats PvT de fluids
purs
Mòdul 2: El Primer Principi de la Termodinàmica
Mòdul 3: El Segon Principi de la Termodinàmica
Mòdul 4: Potencials Termodinàmics i Tercer principi
Mòdul 5: Anàlisi Termodinàmica de cicles
Temps de
Classe
Temps
d’estudi
Temps
total
10 hores
20 hores
30 hores
16 hores
18 hores
10 hores
6 hores
45 hores
54 hores
15 hores
3 hores
61 hores
72 hores
25 hores
9 hores
Importància i dificultat dels mòduls
Mòdul 1
La importància principal és la presentació dels conceptes bàsics i la descripció PvT dels fluids purs.
La dificultat que té és treballar amb equacions diferencials i assimilar el significat dels termes que es
presenten i el maneig de les dades tabulades de les substàncies
Mòdul 2
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10
6
S’estableix l’equació de conservació de l’energia en sistemes tancats i oberts. La dificultat principal
està en la resolució de problemes de sistemes oberts
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 el Segon Principi, es completa el formulisme de la Termodinàmica
mitjançant la introducció dels potencials termodinàmics, les equacions de Maxwell, les eqs
energètiques i les eqs TdS. Descripció dels criteris d’equilibri i espontaneïtat. La dificultat principal és
familiaritzar-se amb les equs que intervenen i treballar amb soltura amb les eqs diferencials.
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 (quatre)
Materials
Bibliografia bàsica
M.J. Moran, H.N. Shapiro, Fundamentos de Termodinàmica Técnica. Vol. I y II, Ed. Reverté (1994)
K. Wark, D.E. Richards, Termodinàmica, 6ª Edición, Ed. McGraw-Hill (2001)
Y.A. Çengel, M.A. Boles, Termodinàmica Ed. McGraw-Hill. (2003)
Bibliografia complementària
Mòdul 1
M.W. Zemansky, R.H. Dittman, Calor y Termodinàmica. Ed. McGraw-Hill (1985)
J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Introducción a la Termodinàmica en Ingeniería Química, Ed.
McGraw Hill (2003)
Mòdul 2
H.D. Baehr, Termodinàmica. Teoría y Aplicaciones Técnicas, Ed. Montesó (1979)
J.R. Howell i R.O. Buckius, Principios de termodinámica para ingenieros Ed. McGraw Hill (1990)

Mòdul 3
M.W. Zemansky, R.H. Dittman, Calor y Termodinàmica. Ed. McGraw-Hill (1985)
H.D. Baehr, Termodinàmica. Teoría y Aplicaciones Técnicas, Ed. Montesó (1979)
R.W. Haywood. Equilibrium Thermodymanics for Engineers and Scientists, Ed. John Wiley & Sons
(1980)
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25012 Termodinàmica. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en data 4/06/10
7

Mòdul 4
J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Introducción a la Termodinàmica en Ingeniería Química, Ed.
McGraw Hill (2003)
J. Aguilar, Curso de Termodinàmica, Ed. Alhambra Longman (1998)

Mòdul 5
R.W. Haywood, Ciclos termodinámicos de potencia y refrigeración, Ed. Limusa (1999)
V.A. Kirilin, V.V. Sichev, A.E. Sheindlin, Termodinàmica Técnica, Ed. Mir (1976)
Avaluació
L’avaluació de l’assignatura seguirà l’equació següent:
N f = 0.4 N1p + 0.45 Nef + 0.15 Nep
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial: consisteix en un examen
Nef : Nota examen final: consisteix en un examen
Nep : Nota exercicis pràctics: és la nota de les pràctiques de laboratori