CT 3412 Tema 2 Aspectos Fundamentales de Termodinámica pdf
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(2) Otras Unidades. Otras Unidades. 2.
(3) ¿Por qué es importante la Termodinámica y el estudio de Turbomáquinas Térmicas? ~ 2/3 energía eléctrica mundial es generada c/Centrales Termoeléctricas a base de combustibles fósiles (~ 12,7 trillion kWh @ EIA-2007) Centro-Sur-America (~ 0,3 trillion kWh @ EIA-2007). Centro-Sur-América, gen. eléctrica: 68%% Hidro vs. 30%% Fósil vs. 2% % Otros (@ EIA-2007) - Combustibles fósiles/gen. eléctrica:. Capacidad instalada en el Sistema Eléctrico Nacional por fuente primaria para Junio 2010. Ref.: Centro Nacional de Gestión del Sistema Eléctrico de Venezuela. Carbón, Metano y Fuel Oil - Centrales Termoeléctricas/Fósiles: Turbinas a Vapor, Turbinas a Gas, Ciclo Combinado ⇒ ¡Máquinas Térmicas!. Conceptos Básicos de la Termodinámica …. Ciencia que estudia las transformaciones energéticas. Ley cero Primera Ley Basada en cuatro leyes. Segunda Ley. Nace por la necesidad de comprender y estudiar el vapor. Tercera Ley. 3.
(4) Conceptos Básicos de la Termodinámica … SISTEMA. Propiedad Termodinámica T di á i. Es una región del espacio definida por un observador. Variable que cuantifica la situación de un sistema Intensivas. Extensivas. NO dependen de la masa. Dependen de la masa. Frontera Abierto ó Cerrado. Conceptos Básicos de la Termodinámica … ESTADO. CICLO. Condición del sistema definida por sus propiedades independientes. Proceso que comienza y termina en un mismo estado. PROCESO La transformación de un estado a otro. Isotérmico Isocórico Isobárico Adiabático. 4.
(5) Conceptos Básicos de la Termodinámica … EQUILIBRIO. FASE. Un sistema está en equilibrio siempre y cuando no ocurran cambios en sus propiedades sin un estímulo externo. Cantidad homogénea y uniforme de materia Sólido Líquido. Gaseoso. IMPORTANTE: Para una sustancia pura no pueden coexistir en un mismo instante más de tres fases. 9Térmico 9Mecánico 9Químico 9De fase. Las Propiedades Termodinámicas … Volumen específico. υ = 1ρ t=t1. PvT. Presión. p1 0. p2=pa Z1=h Z2=0. Temperatura En un sistema simple podemos elegir como variables independientes P (presión) y T (temperatura) ya que son las más fáciles de medir y si consideramos el volumen V como variable dependiente de P y T, entonces: V=V (P, T). 5.
(6) Otras Propiedades Termodinámicas … û h = û +. Energía Interna p ρ. s C p ∧ Cυ. Excitación y Movimiento a nivel Molecular. Entalpía. Función matemática combinación de funciones de estado. Entropía. “Medida de desorden Molecular”. Propiedad termodinámica vinculada con ciclos reversibles. Calores Específicos. Calor Transferido a un sistema para variar en un diferencial su temperatura. Dos pseudo – Propiedades de Transporte:. k. Conductividad. Vinculado a la transferencia de Calor. μ. Viscosidad. Vinculado a al movimiento del fluido. Propiedades de Estancamiento. 6.
(7) Diagramas Termodinámicos υ = 1ρ. υ = 1ρ. Punto Crítico: Limite superior para la coexistencia de fases en equilibrio. ρ líquido = ρ gas. Postulado de Estado: Se define el estado de una sustancia pura especificando dos propiedades intensivas independientes Punto Triple: Conviven en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Tablas Termodinámicas Propiedades Termodinámicas del Agua en el Domo de Saturación. 7.
(8) Ecuaciones de Estado Propiedades P i d d d de llas sustancias son tan complejas. Funciones matemáticas que permiten la descripción de los estados termodinámicos de una sustancia. Gráficos. Tablas. Ecuación de Gases Ideales:. pυ = RT y. donde:. ⎡ J ⎤ R = 8,3144 ⎢ ⎥ ⎣ mol K ⎦. R=. R M. Constante Universal de los gases. Gas Ideal y Gases Reales Gas Ideal. Las fuerzas intermoleculares son despreciables. Gases Reales:. ≠. Gas Real. Las fuerzas intermoleculares NO son despreciables. ρ g = f (p, T ) h g = f (p, T ) μ g = f (p, T ). 8.
(9) Factor de Compresibilidad La diferencia entre los gases reales e ideales es considerado por el factor de compresibilidad Z. Gas Ideal Gas Real. P ⋅ν = R ⋅ T P ⋅ν = Z ⋅ R ⋅ T. Z=f(P,T)=f(Pr,Tr). Tr =. T Tcr. Pr =. P Pcr. - Las propiedades pseudocriticas Pcr y Tcr son funciones de la composición del gas (o de la gravedad especifica γg). - La precisión de los factores Z de Standing-Katz es usualmente de 1-3%.. Gráfico Standing-Katz. Tablas. Propiedades de Gases. 9.
(10) Tablas. Propiedades de Gases. Tablas. Propiedades de Gases. 10.
(11) Mezcla de Gases Ideales Los gases reales no son sustancias puras, sino que están formados por varios gases. g Una aproximación p para p el estudio de gases g es reales es asumir que q el gas en cuestión es una mezcla de gases ideales GI-1. Mezcla de gases ideales. GI-2 GI-i. Δt. Mezcla. GI-n. En una mezcla de GI se cumple que: • La mezcla se comporta como un gas ideal • Cada gas de la mezcla se comporta como un gas ideal que ocupa un volumen V, está a T y pero a una presión parcial Pi •Cada gas puro a P y T es un gas ideal. P ⋅V = n ⋅ R ⋅ T. (I). Pi ⋅ V = ni ⋅ R ⋅ T. (II). P ⋅ Vi = ni ⋅ R ⋅ T. (III). Mezcla de Gases Ideales (II) ( )÷( (I) ). Pi ni = = X i ⇒ ∑ Pi =∑ X i ⋅ P = P ⋅ ∑ X i = P = Pm P n. ⇒ ∑ Pi =P = Pm. Ley de Dalton. En la mezcla de GI también se puede demostrar que:. ∑V. i. =V = Vm. C pm = ∑ X i ⋅ C pi. Tc m = ∑ X i ⋅ Tc i. C v m = ∑ X i ⋅ Cv i. Pc m = ∑ X i ⋅ Pc i. PM m = ∑ X i ⋅ PM i. 11.
(12) Trabajo La primera noción de trabajo que conocemos es la de trabajo mecánico uff, uff. .. r r W = F⋅x. Distancia que q e se desplaza el objeto. Fuerza aplicada. Trabajo realizado por el hombre. Fuerza. W =∫. X2 X1. Fd Fdx. [N.m=J] X 1. distancia. X. Trabajo=área. 2. Trabajo Veamos el sistema cilindro pistón r r W = F⋅x. Patm ⋅ A. F. Pi ⋅ A. i. Δx. Gas Pi ⋅ A. r. ∑ Fr = 0 ∑F = P ⋅ A− P. Patm ⋅ A. atm. ⋅ A− F = 0. Muy lentamente aumentamos la fuerza de modo de comprimir el sistema. FSISTEMA ∂W = F ⋅ dx = PAdx = PdV W = ∫ PdV. P. Gas. Para el Sistema en Equilibrio, la Segunda ley de Newton dice. W v2. V. v1. 12.
(13) Trabajo de un ciclo Ciclo: Secuencia ininterrumpida de fenómenos ó que se repiten en estricto orden Veamos el siguiente ciclo 1-2 Expansión Isobárica 2-3 Compresión Isocórica 3-4 Compresión Isobárica 4-1 Expansión Isocórica. 4. P 1. 1. 4. 3. =. W3-4. 3. W. P. P. P. +. 2. V 4. W1-2. 3. 1. 2. V. V. 2. V. 4. P. 3. Sobre el trabajo. 1. 2. V. •El Trabajo no es una propiedad de estado •i.e El trabajo no se puede definir en un punto •El trabajo dependerá de la trayectoria tomada •El trabajo neto depende además de la forma o sentido en que se efectúe 2. 1. V. 2. P. P. P. 2 1. 1. V. V. P. Recorrido Horario W > 0 W. El Sistema produce trabajo Recorrido Anti-Horario W < 0. V. El Sistema consume trabajo. 13.
(14) Calor. 9Cantidad mensurable, relacionada pero distinta de aquella que llamamos temperatura 9Todos los cuerpos que se comuniquen libremente y que no estén expuestos a acciones externas adquirirán la misma temperatura (ley 0). Transferencia inmaterial entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. Q>0. Sistema. Q<0. “Una definición matemática”. Q = C ⋅ m ⋅ ΔT. Primera Ley LA ENERGÍA DEL UNIVERSO SE CONSERVA La energía potencial se transforma en energía cinética. energía química (carbón) energía interna (agua líquida Vapor de agua) el vapor se expande Trabajo energía cinética. se acelera. La pérdida de energía potencial acelera el j deslizamiento del objeto. cae. 14.
(15) Primera Ley El cambio de energía g de un sistema cerrado es igual al calor suministrado menos el trabajo realizado. ΔE = Q − W El Calor El Trabajo La energía del sistema. Energía en Transito Se puede manifestar de muchas formas: Potencial, Temperatura, Potencial eléctrico, velocidad, energía interna. Ecuación de la Energía para un Flujo Estacionario. 15.
(16) Segunda Ley. Segunda Ley 20ºC. ?. 25ºC. ? T=50ºC. 25ºC. .. .. ?. 75ºC. ?. 16.
(17) Segunda Ley Entropía: La ENTROPÍA es una función de estado estado, en cualquier proceso sólo depende de los estados inicial y final. Segunda Ley. 17.
(18) Procesos Proceso espontáneo Proceso Imposible Reversibles. Un proceso es termodinámicamente reversible cuando en cualquiera de los puntos de su evolución ó puede ser invertido el sentido de mismo, con modificación infinitesimal de las condiciones externas. Dos tipos Irreversibles. Proceso Real o procesos disipativos en los que parte de la energía se pierde irremediablemente aumentando la entropía del sistema. Ciclo de Carnot Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura. a. b. d. c. T1 T2. 18.
(19) Principio de Carnot Cualquier máquina térmica que siga un ciclo termodinámico reversible tendrá un rendimiento máximo. a. η=. b. T1 d. c. T2. T1 − T2 T1. η = 1−. T2 T1. Relaciones Isoentrópicas para gas ideal. 19.
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