Termodinámica

DOCTORADO EN INGENIERÍA
Facultad de Ingeniería
Termodinámica
400IGQ001
Pre-requisitos: Física Térmica y Ondulatoria
Logros y objetivos
Proporcionar los fundamentos necesarios para analizar los requerimientos, conversión y disponibilidad de la
energía como recurso esencial de los procesos industriales. De manera más específica:
1) Identificar la naturaleza, estructura e impactos del sistema energético mundial.
2) Identificar el objeto de estudio y los alcances de la Termodinámica en el estudio de los procesos
industriales.
3) Identificar el comportamiento de las propiedades termodinámicas de los fluidos puros en las fases
gaseosa y líquida.
4) Aplicar la primera ley de la Termodinámica para plantear balances de energía en sistemas cerrados,
volúmenes de control y procesos que implique la conversión y utilización de energía.
5) Aplicar la primera ley de la Termodinámica a procesos que puedan ser descritos adecuadamente con
el modelo de gas ideal.
6) Aplicar la segunda ley de la Termodinámica para identificar la dirección de la conversión de energía
en procesos irreversibles.
7) Aplicar el balance de entropía a procesos en sistemas cerrados y volúmenes de control.
8) Evaluar la disponibilidad, trabajo reversible e irreversibilidad en procesos termodinámicos.
9) Evaluar el rendimiento energético de los ciclos de potencia y refrigeración.
Contenidos y cronograma del curso
Capítulo 1: El sistema energético mundial.
1) Sostenibilidad, desarrollo sostenible, sostenibilidad energética.
2) Energía primaria, portadores de energía, sectores de uso final de energía.
3) Relaciones energía, calidad de vida, desarrollo humano y economía.
4) Estructura del sistema energético mundial.
5) Tecnologías convencionales: petróleo, carbón, gas natural, nuclear, hidroeléctrica.
6) Impactos del sistema energético mundial, emisiones de dióxido de carbono, cambio climático.
7) Mitigación de cambio climático, energías renovables.
Capítulo 2: Conceptos termodinámicos fundamentales.
1) Definición de la Termodinámica. El sistema termodinámico y el volumen de control. Enfoques
macroscópico y microscópico. Propiedades termodinámicas y estado termodinámico. Equilibrio
termodinámico. Procesos cuasi-estáticos.
2) Cantidades fundamentales (longitud, tiempo, masa, cantidad de sustancia). Cantidades secundarias
(fuerza, volumen específico, presión). Temperatura. Escalas de temperatura.
3) Energía. Trabajo. Potencia. Trabajo en la frontera móvil. Procesos reversibles. Calor.
Capítulo 3: Propiedades de las sustancias puras.
1) Sustancias puras. Sustancias simples compresibles. Fases de una sustancia pura. Regla de las
fases. Equilibrio de fases. Diagramas presión-volumen, presión-temperatura y temperatura-volumen.
La superficie termodinámica.
2) Calidad de un vapor. Ecuación de estado para una sustancia pura. El modelo de gas ideal.
Comportamiento real de los gases y el factor de compresibilidad. El principio de estados
correspondientes.
Capítulo 4: La primera ley de la Termodinámica.
1) El experimento de Joule. Primera ley de la Termodinámica para un sistema cerrado en un ciclo. La
primera ley para un cambio de estado. El principio de conservación de la energía.
2) Velocidad de cambio de la energía en un sistema cerrado. La energía interna como propiedad
termodinámica. La entalpía como propiedad termodinámica. Capacidades caloríficas.
3) Capacidades caloríficas de gases ideales. La primera ley para procesos con gases ideales: procesos
isocóricos, isobáricos, isotérmicos, adiabáticos y politrópicos. Calores específicos de líquidos y
sólidos.
4) Conservación de masa y el volumen de control. La primera ley para un volumen de control. El
proceso de estado y flujo estables. Ejemplos de sistemas de estado y flujo estables. El proceso de
estado y flujo uniformes.
Capítulo 5: La segunda ley de la Termodinámica
1) Limitaciones de la primera ley. Máquinas térmicas y refrigeradores. La segunda ley de la
Termodinámica: enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius. Procesos reversibles. Factores
generadores de irreversibilidad.
2) El ciclo de Carnot. Eficiencia del ciclo de Carnot. La escala termodinámica de temperaturas. La
escala de temperaturas del gas ideal.
Capítulo 6: Entropía.
1) La desigualdad de Clausius. Entropía. La entropía como propiedad termodinámica. Cambio de
entropía en procesos reversibles. La relación entre propiedades termodinámicas.
2) Cambio de entropía en procesos irreversibles. Generación de entropía. El principio de incremento de
la entropía. Cambios de entropía en líquidos y sólidos. Cambios de entropía en gases ideales. La
velocidad de cambio de la entropía.
3) La segunda ley para un volumen de control. Balance de entropía para procesos de estado y flujo
estables. El proceso reversible de estado y flujo estables. Balance de entropía para procesos de
estado y flujo uniformes. El principio de incremento de la entropía para un volumen de control.
Eficiencias de dispositivos.
Balance de tiempos: Teoría: 6 horas; solución de problemas: 6 horas.
Capítulo 7: Disponibilidad e Irreversibilidad.
1) Trabajo reversible e irreversibilidad: sistemas cerrados, procesos de estado y flujo estables,
procesos de estado y flujo uniformes. Disponibilidad y eficiencia de segunda ley.
Capítulo 8: Ciclos de Potencia y de Refrigeración.
1) Sistemas de potencia. El ciclo Ranking. Efectos de temperatura y presión sobre el rendimiento del
ciclo Ranking. El ciclo de recalentamiento. El ciclo regenerativo. Factores que causan desviación con
respecto a ciclos ideales.
2) El ciclo de aire estándar. El ciclo de Brayton. Ciclo de turbina de gas con regeneración. Ciclos de
Otto y Diesel. Sistemas de refrigeración. El ciclo de refrigeración de compresión de vapor.
Consideraciones sobre refrigerantes. Ciclos de refrigeración de aire. Ciclos combinados de potencia
y refrigeración.
Balance de tiempos: Teoría: 4 horas; solución de problemas: 4 horas.
Evaluación
Primer examen parcial
Segundo examen parcial
Examen final
Proyecto y tareas
25%
25%
25%
25%
(Capítulos 1, 2 y 3)
(Capítulos 4 y 5)
(Capítulos 6, 7 y 8)
(Proyecto 15%, tareas 10%)
Referencias
Básica:
1) R.E. Sonntag, C. Borgnakke, G.J. Van Wylen, Fundamentals of Thermodynamics, Fifth Edition, John
Wiley & Sons, 1998.
Complementaria:
1) E.P. Gyftopoulos, G.P. Beretta, Thermodynamics, Foundations and Applications, MacMillan
Publishing Company, 1991.
2) J.R. Howell, Richard O. Buckius, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill, 1987.
3) F.F. Huang, Engineering Thermodynamics, Fundamentals and Applications, Second Edition,
MacMillan Publishing Company, 1989.
4) J.B. Jones, G.A. Hawkins, Engineering Thermodynamics, An Introductory Textbook, Second Edition,
John Wiley & Sons, 1986.
5) O. Levenspiel, Understanding Engineering Thermo, Prentice Hall PTR, 1996.
6) M.J. Moran, H.N. Shapiro, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Second Edition, John
Wiley & Sons, 1992.
7) J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics,
Fifth Edition, McGraw-Hill Book Company, 1996.
8) M.W. Zemansky, R.H. Dittman, Heat and Thermodynamics, Seventh Edition, McGraw-Hill, 1997.