Termodinámica

Termodinámica
Dra. Rebeca Silva Rodrigo
Definiciones
 El
significado de la palabra termodinámica está dado
por los vocablos griegos "thermos" = calor
y
"dynamos" = movimiento.
 La
Termodinámica es lo que se da en llamar una
ciencia exacta, la cual apoya en escasos y simples
principios y por lo común, trabaja con y alrededor de
objetos en su mayoría directamente perceptibles del
mundo físico y emplea recursos matemáticos como su
mejor herramienta.
Definiciones
 “Es
la ciencia que se relaciona con las
transformaciones de energías de todo tipo, de
una forma a otra". Las restricciones generales
dentro de las cuales se efectúan tales
transformaciones se conocen como la Primera y la
Segunda Ley de la Termodinámica.
 La
termodinámica también ha sido llamada la
ciencia de la energía y de la entropía.
Objetivo de la Termodinámica Clásica.
 Determinar
las condiciones que rigen todo estado de
equilibrio, es decir, aquéllas que se alcanzan cuando
ya no es posible extraer trabajo útil de un sistema o
proceso y que permite saber el límite o alcance de
estos últimos.
Valor de la Termodinámica

Reside en que estos conceptos y principios asociados
pueden ser expresados en forma de ecuaciones, con las
cuales es posible predecir el comportamiento de las
sustancias con un mínimo de datos experimentales y de
antemano conocer el límite o alcance de los procesos,
tales como: conversión y trabajo máximos, etc.
Limitaciones de la Termodinámica

a) Las consideraciones termodinámicas por sí solas no
son suficientes para permitir calcular las velocidades
de procesos físicos o químicos, ya que estas dependen
de las fuerzas impulsoras como de la superficie.

b) La termodinámica no ofrece ninguna clave
reveladora respecto a los procesos físicos o químicos;
esto es, sólo se aplica a conglomerados de moléculas y
no a moléculas individuales.
Limitaciones de la Termodinámica

c)
Otra limitación es a veces la carencia de datos
suficientes acerca de los materiales que intervienen en
los procesos. Entonces estos datos tienen que ser
determinados experimentalmente o estimados por alguno
de los métodos de predicción.

A pesar de tales limitaciones, la termodinámica es notable
en lo que respecta al número y la variedad de las
conclusiones que se basan en sus dos leyes
fundamentales, todo lo demás es definición o deducción.
Aplicaciones de la Termodinámica
Conceptos

Sistema. Porción del universo seleccionado para su
estudio, puede o no tener fronteras físicas.

Sistema Cerrado. Es en el que existe transferencia de
energía pero no de materia. No existe intercambio de
masa con el ambiente o alrededores.
Conceptos

Estado. Condición a la cual se encuentra un sistema, en un
instante
particular.
Las
condiciones
pueden
ser
las
propiedades del sistema.

Propiedad. Es aquella cantidad que depende del estado y es
independiente de la trayectoria.
Tipos de Propiedades

Extensivas. Son aquellas cuyo valor corresponde a la suma de los
valores de cada uno de los subsistemas que constituyen el sistema
total. Dependen de la cantidad de masa ó extensión del sistema.
Ejemplos: volumen, entalpía, entropía, energía interna, masa,
número de moles, energía libre de Gibbs,etc.

Al referir la magnitud de una propiedad extensiva a la unidad de
masa, se la convierte automáticamente en propiedad intensiva. Es el
caso del volumen específico.
Tipos de Propiedades

Intensivas. Son aquellas cuyos valores no son aditivos y
no varían con la cantidad de materia del sistema. No
dependen de la cantidad de masa contenida en el
sistema.
Ejemplos:
temperatura,
viscosidad, etc.
presión,
densidad,
peso
propiedades
molecular,
molares,

Estado. Condición a la cual se encuentra un sistema, en un
instante particular. Las condiciones pueden ser las
propiedades del sistema.

Proceso. Trayectoria de la sucesión de estados por los que
pasa un sistema.

Ciclo. Es un proceso o conjunto de procesos por los cuales
atraviesa un sistema y que le hacen regresar al estado
original que tenía antes de que empiece dicho proceso.
Clasificación de Procesos

Isobárico. Presión constante.

Isotérmico. Temperatura constante.

Isocórico ó Isométrico. Volumen constante.

Adiabático. Q = 0 (Flujo de Calor).
Clasificación de Procesos

Procesos reversibles
A+B

C
Procesos irreversibles
A+B
C
Condiciones para Reversibilidad

Qué sea un proceso controlado a través de todos sus
estados de equilibrio.

Sin fricción mecánica.


Qué no exista cambio de temperatura en el fluido.
Qué no haya difusión de gases.
Condiciones de Irreversibilidad.


El calor fluye a una diferencia de temperatura.
Intervenga rozamiento.
Conceptos

Equilibrio. Igualdad de fuerzas que tienden a modificar un
estado fijo del sistema. Las propiedades macroscópicas no
varían con el tiempo.

Calor. Energía en trámite que se manifiesta en la frontera
del sistema, a través de un gradiente de temperatura
(propiedad de trayectoria, es decir, depende del camino o
proceso a seguir).

Energía. Es la capacidad de producir trabajo y/o calor, es
decir un cambio.
Equilibrio Termodinámico

En un sistema en equilibrio las propiedades del
conjunto o macroscópicas (como la presión y la
temperatura) no varían con el tiempo, es necesario
que tales potenciales energéticos sean uniformes a
través de dicho sistema.
El equilibrio termodinámico implica tres
tipos de equilibrio que deben existir
simultáneamente.

Equilibrio Térmico. Para que la temperatura sea la misma a
través de todo el sistema.

Equilibrio Químico. Para que la composición no cambie con
el tiempo. Esto es sí el sistema esta formado por más de
una sustancia, deberá existir equilibrio químico.

Equilibrio Mecánico. Para que no haya movimientos
macroscópicos dentro del propio sistema. Sería imposible
describir el sistema ya que no habría uniformidad de
presión y temperatura.
Conceptos

Propiedad de Estado. Aquella cuyo valor corresponde a un
estado particular y es completamente independiente de la
secuencia de etapas a través de las cuales fue alcanzado
dicho estado. Ejemplo: Energía Interna, entropía, etc.

Presión Absoluta. En un sistema es igual a la suma de la
presión manométrica más la presión barométrica o
atmosférica del lugar. En algunas circunstancias los
sistemas operan en condiciones de vacío, es decir, a
presiones inferiores a la presión atmosférica.
Conceptos

Trabajo. Se ejecuta un trabajo cuando una fuerza
actúa sobre un cuerpo a lo largo de una distancia.

El
trabajo
hecho
por
el
sistema
sobre
sus
alrededores es positivo, mientras el trabajo hecho
por los alrededores sobre el sistema es negativo.
Conceptos

Turbina. El trabajo desarrollado sobre sus alrededores
es positivo.

Compresor. el trabajo es negativo, puesto que los
alrededores hacen trabajo sobre el sistema.

El trabajo es energía en tránsito y nunca se le
considera como algo que reside dentro de un cuerpo.
Conceptos

La energía en tránsito entre dos cuerpos se divide
en dos categorías: calor y trabajo.

Calor. Es el flujo de energía térmica en virtud de
una diferencia de temperatura.
CONCEPTO, IMPORTANCIA Y TRASCENDENCIA DE LA PRIMERA
LEY DE LA TERMODINÁMICA

“ La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma “.

“Al interaccionar un sistema con sus alrededores, la energía
ganada por el sistema es exactamente igual a la energía
perdida por su entorno”.

Primera ley para un sistema cerrado:
Q – W = E , donde E = U + EC + EP



Primera ley para un volumen de control:
Q – W +  E en -  E sal = Evc , donde E= H + EC + EP

No se conoce ningun proceso en la naturaleza que haya
violado la primera ley.

La primera ley de la termodinámica tiene que ver con la
cantidad y la transformación de le energía de una forma a otra
sin importar su calidad. Además, no da información si un
proceso es posible o no.

La primera ley de la termodinámica capacita al ingeniero para
estudiar las relaciones entre trabajo, calor y otras formas de
energía. Por ejemplo, se puede determinar la potencia
producida por una turbina partiendo de las propiedades del
fluido que entra y sale de esta y el calor perdido desde la
cubierta de la misma.

Esta ley es una herramienta muy importante del análisis
termodinámico, y el ingeniero debe dominarlo por
completo para poder aplicarlo a una gran variedad de
sistemas.

Aplicación a los procesos de flujo permanente.
Problema. 4-32 (pág. 221, Yunus, Cengel)
Fluye vapor en estado permanente a través de una turbina adiabática.
Las condiciones de entrada del vapor son 10 MPa, 450ºC y 80 m/s, y las
de salida son 10 KPa, 92% de calidad y 50 m/s. La relación de flujo de
masa del vapor es 12 kg/s. Determine:
El cambio en la energía cinética.
La salida de potencia
El área de la entrada de la turbina.
Respuesta: a) –1.95 KJ/Kg, b) 10.2 Mw, c) 0.00446 m2
Diagrama para datos
Entrada
P1 = 10 MPa
T1 = 450 ºC
V1 = 80 m/s
VAPOR
m = 12 Kg/s
Salida
P2 = 10 Kpa
X2 = 0.92
V2 = 50 m/s
SOLUCIÓN
Entrada
De la Tabla A-5 (Pag. A-13, Cengel) a la presión P1 = 10 MPa le corresponde una Tsat =
311.06 ºC.
De acuerdo a la temperatura T1 = 450ºC > Tsat, por lo que se concluye que en el estado 1
tenemos un vapor sobrecalentado.
De la Tabla A-6 (Pag. A-16, Cengel) a la presión P1 = 10 MPa y a una temperatura T1 =
450 ºC se obtienen las siguientes propiedades:
V= 0.02975 m3/Kg
H1= 3240.9 Kj/Kg
Salida
El enunciado nos dice que tenemos a la salida un vapor con una
calidad del 92% por lo que se dice que es un vapor húmedo.
De la Tabla A-5 (Pag. A-12, Cengel) a la presión P2 = 10 KPa le
corresponde una Tsat = 45.81 ºC, a estas condiciones se obtienen las
siguientes propiedades:

Vˆ2  Vˆf  X 2 Vˆg  Vˆf

3
3
3


m
m
m
Vˆ2  0.001010
 0.9214.67
 0.001010 
Kg
Kg
Kg 

m3
ˆ
V2  13.49
Kg

Hˆ 2  Hˆ f  X 2 Hˆ g  Hˆ f


KJ
KJ
KJ 
ˆ

H 2  191.83
 0.92 2584.7
 191.83
Kg
Kg
Kg 

KJ
ˆ
H 2  2393.27
Kg
V2  V1
ˆ
Ec 
2 gC
2
2
donde:
V1 = 80 m/s
V2 = 50 m/s
Kg m m
* 2
gc = 9.81
Kg f s
Sustituyendo valores en la ecuación de energía cinética :
2
2
 m  m
 50 2    80 2 
Kg f m  4.1868KJ 
KJ
s   s 

ˆ


Ec 
 198.7767
 1.9493


Kg m  426.94Kg f m 
Kg

Kg m m 

2 9.81
 2

Kg f s 

KJ
ˆ
Ec  1.9493
Kg
a) La salida de potencia
Aplicando la Primera Ley de la Termodinámica:

 W
 m
ˆ  E
ˆ  E
ˆ
 H
Q
c
p

 0
Debido a que es un proceso adiabático Q
Obteniéndose la siguiente ecuación:

 m
ˆ  H
ˆ
 E
W
c
Asumiendo que:

ˆ  H
ˆ H
ˆ
H
2
1


donde:
ˆ  3240.9 KJ
H
1
Kg
ˆ  2393.27 KJ
H
2
Kg
Sustituyendo:
KJ
KJ 
ˆ 


H
2393
.
27

3240
.
9


Kg
Kg


ˆ  847.63 KJ
H
Kg
Kg  3600s 
Kg
m  12 
  43200
s  1H 
H
Supliendo valores en la ecuación de potencia:
Kg 
KJ
KJ 


W   43200   1.9493  847.63 
Hr 
Kg
Kg 

KJ  1KW * H  1MW 
W  36533406.24 


H  3600KJ  1000KW 
W  10.15MW
a)
El área de la entrada de la turbina.
 
m
donde:
AV
Vˆ1
  43200
m
por lo tanto
Kg
H
3
m
Vˆ1  0.02975
Kg
m  3600s 
m
V1  80

  288000
s  1H 
H
Sustituyendo:
Kg 
m3

0.02975
 43200


H 
Kg

A
m

 288000

H 

A  0.00446m 2




A
 Vˆ1
m
V
Problema 4.13
Una turbina adiabática es alimentada
con vapor de agua con 16.3 ata y 282°C
y descarga a una presion de 1.02 ata. Si
la calidad del vapor de escape es de
96% y si se puede despreciar la
variación de velocidad, calcular la
cantidad de trabajo efectuado por 0.45
Kg de vapor al fluir a través de la
turbina.
Problema 4.13
Datos iniciales
Turbina
Adiabática
P = 16.3 ata
P = 1.02 ata
T = 282° C
X = 0.96
* 0.45 Kg. de vapor
* Despreciar los cambios de velocidad
Problema 4.13
Q – W = H + Ec + Ep
–W=H
– W = m (H2- H1)
Tablas de vapor F1 de vapor
saturado (Smith-Van Ness)
P Kpa
T°C
1621
202
1651.51
202.89
1689.3
204
P1 16.3 ata =100 KPa = 1651.51KPa
0.9869 ata
P2 1.02 ata =100 KPa = 103.35 KPa
0.9869 ata
Indica que es un vapor
sobrecalentado T > T sat
Problema 4.13
T°C
P Kpa
275
282
300
1650
2977.3
2993.4
3034.8
1651.51
1700
H1=2993.37
2975.6
2991.81
Tablas de vapor F2 de
vapor sobrecalentado
(Smith-Van Ness)
3033.5
Para calcular la entalpía de salida
H2 = Hf + xHfg
H2 = 421.36 + 0.96(2255.46)
H2 = 2586.60 KJ/Kg
Tablas de vapor F1 de vapor
saturado (Smith-Van Ness)
P KPa
Hf KJ/Kg
Hfg KJ/Kg
101.33
419.1
2256.9
103.35
421.38
2255.46
108.78
427.5
2251.6
Problema 4.13
– W = m (H2- H1)
– W = 0.45kg (2586.60 KJ/ Kg – 2993.37 KJKg)
W = 183.0465 KJ