Termodinámica Avanzada

Termodinámica Avanzada
INTRODUCCIÓN
El hombre a través de su historia ha demostrado su capacidad productora de
conocimiento para dar respuesta a una serie de necesidades de todo tipo. Aunque
algunas veces se distorsiona el objetivo de la utilización del conocimiento, el hombre
principalmente ha utilizado éste para el desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida.
La Termodinámica, al igual que muchas otras disciplinas, surge de procedimientos
empíricos. En el caso particular de la Termodinámica la búsqueda de la utilización de la
energía para facilitar las labores manuales, dio resultado la construcción de elementos
que terminaron siendo muy útiles para el desarrollo de la vida del hombre.
La Termodinámica es un campo de la física que describe y relaciona las
propiedades físicas de los sistemas que involucran materia y energía. Sus principios
tienen que ver con temas que van desde lo filosófico hasta procesos de la vida cotidiana,
por lo que se dice que tiene importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y
la ingeniería.
El desarrollo industrial se ha sustentado en la transformación de la energía química
de los combustibles fósiles (fuentes convencionales de energía). Esta energía es
obtenida mediante un proceso de combustión que emite gases a la atmósfera,
principalmente dióxido de carbono. Durante los últimos 200 años, la combustión de estos
combustibles ha emitido mucho más dióxido de carbono que el que la tierra y su
atmósfera pueden efectivamente absorber y disipar. El dióxido de carbono en la
atmósfera permite a los rayos solares de longitud de onda corta alcanzar fácilmente la
tierra. Sin embargo, limita la salida al espacio de la radiación de longitud de onda larga
(energía calórica infrarroja) re-emitida por la tierra. Este fenómeno es llamado el efecto
invernadero y es la causa de problemas climáticos como el recalentamiento global y
cambios climáticos en la tierra. Entonces ahora más que nunca el entendimiento de los
principios termodinámicos es de vital importancia a fin de poder optimizar los procesos
termodinámicos en la búsqueda de disminuir los impactos ambientales mientras el
hombre mantiene y desarrolla su calidad de vida.
En el curso de Termodinámica Avanzada primeramente se hace un repaso de los
conceptos fundamentales con la finalidad de uniformizar y profundizar el nivel del curso y
así poder obtener un mayor provecho del tema de análisis de disponibilidad (exergy). Se
hace la introducción a la influencia de los procesos termodinámicos en la variables
ambientales a fin de entender su impacto en el medio ambiente. Y por último se tratan
algunos sistemas de conversión de energía que son utilizados para mejorar la utilización
de la energía y la utilización de energías renovables.
OBJETIVOS
1. Reforzar conceptos básicos de la Termodinámica.
2. Analizar problemas mediante la Primera ley de la Termodinámica con énfasis en
problemas transitorios.
3. Analizar problemas mediante la Segunda ley de la Termodinámica con énfasis en el
concepto de entropía como medida de la pérdida de energía disponible.
4. Comparar la condición de estado de equilibrio estable con los otros estados de una
sustancia.
5. Manejar el gráfico de energía vs. entropía como representación gráfica de conceptos
como: energía disponible, trabajo reversible, trabajo reversible, irreversibilidad y
disponibilidad.
6. Desarrollar análisis de disponibilidad (exergy) de procesos termodinámicos de
interés.
7. Analizar los efectos de los procesos termodinámicos en variables ambientales.
8. Analizar algunos sistemas de conversión potencialmente útiles para el uso de
energías alternas.
Programa Sinóptico
Tema 1. REPASO DE CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y EJEMPLOS.
Conceptos básicos; Ley Cero; Primera Ley; Segunda Ley; Ciclo de Carnot; Entropía;
Reversibilidad e irreversibilidad, Generación de entropía y principio del incremento de
entropía.
Tema 2. RELACIÓN DE LA TERMODINÁMICA CON LA TRANSFERENCIA DE CALOR.
Tema 3.
PROPIEDADES Y ESTADO DE UNA SUSTANCIA.
Estado variante (unsteady state); Estado Fijo (steady state); Estado en Desequilibrio (non
equilibrium state); Estado en equilibrio (equilibrium state), estado en equilibrio inestable
(unstable equilibrium state), estado en equilibrio meta estable (metastable equilibrium
state) y estado en equilibrio estable (stable equilibrium state); Equilibrio estable mutuo
(mutual stable equilibrium state).
Tema 4. GRÁFICO ENERGÍA VS. ENTROPÍA.
Energía disponible, trabajo reversible, trabajo irreversible, irreversibilidad, reservorios,
disponibilidad (exergy).
Tema 5. FUNCIONES DE DISPONIBILIDAD.
Trabajo reversible e irreversibilidad para un sistema y un volumen de control;
Disponibilidad (exergy) para un sistema; Disponibilidad (exergy) y eficiencia de segunda
ley para un volumen de control en un proceso de estado estable y flujo estable.
Tema 6.
ANÁLISIS DE DISPONIBILIDAD.
Tema 7. INTRODUCCIÓN A LA INFLUENCIA DE LOS PROCESOS
TERMODIINÁMICOS EN LAS VARIABLES AMBIENTALES DEL PLANETA.
Variable ambientales del planeta; Comparación del flujo de materia y energía entre un
ecosistema y un sistema industrial; Impactos ambientales ocasionados por el proceso de
combustión y el proceso de refrigeración.
Tema 8. INTRODUCCIÓN AL CICLO STIRLING Y AL CICLO DE REFRIGERACIÓN POR
ABSORCIÓN.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
LIBRO TEXTO:
Sonntag R., Borgnakke C. and Van Wylen G., 1998, Fundamentals of
Thermodynamics, Fifth Edition, John Wiley & Sons, Inc., New York.
OTRAS REFERENCIAS:
Gyftopoulos Elias P. and Beretta Gian P., 1991, Thermodynamics: Foundations
and Applications, Macmillan Publishing Company. New York.
Kotas T. J., 1995, The Exergy Method of Termal Plant Análisis, Krieger Publishing
Company, Florida.
EVALUACION.
Asistencia y participación en clase: 10% - Tareas semanales: 25%
Exposición individual de tema asignado: 25% - Examen final: 40%
HORARIO.
Sesión de los viernes: 6 a 10 p.m. con receso intermedio de 20 minutos.
Sesión de los sábados: 8 a 12 a.m. con receso intermedio de 20 minutos.