(Microsoft PowerPoint - Termodin\341micaCompleto2010.ppt)

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?
•
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•
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•
•
•
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