Introducción y Conceptos Básicos Termodinámica

Introducción y Conceptos Básicos Termodinámica

1. TERMODINÁMICA

2. ¿Porqué Estudiar Termofluidos en Ingeniería?

3. Estudiar la Temperatura en líquidos Estudiar los sistemas, para mejora y aprovechamiento de la energía Diseño – Materiales, Estudio energético de los sistemas Transferencia de Calor, máquinas térmicas, sistemas de refrigeración Identificar las propiedades de los sistemas para selección de instrumentos Definir el control en los diferentes procesos industriales ¿Porqué Estudiar Termofluidos en Ingeniería?

4. Termofluidos – Ingeniería Mecatrónica

5. El estudio Termofluidos esta presente en todos los procesos Industriales Por la aplicación en Frenos de motos Aprovechamiento de los recursos naturales Diseño de Motores (Eléctricos, Hidráulicos, Combustión Interna y Combustión Externa) Sistemas de Refrigeración Maquinas de Vapor Aerosoles Automóviles y Aviones (Dinámica y Aerodinámica) Control de Temperatura y presión Rendimiento de las máquinas (Eficiencia) Herramientas Industria Naval Proteger al medio ambiente y minimizar impactos ¿Porqué Estudiar Termofluidos en Ingeniería?

6. Parte de la Física que estudia las relaciones existentes entre los fenómenos dinámicos y caloríficos Ciencia que trata con el calor y el trabajo y su relación con las propiedades de los portadores de energía Ciencia que trata de las transformaciones y transferencias de energía Ciencia de la energía, de la entropía y la exergía … Donde aplicaría el estudio de la Termodinámica?

7. El cuerpo humano Sistemas de aire acondicionado Aviones Entrada de agua Salida de agua Radiadores automotrices Plantas de energía Sistemas de refrigeración Algunas áreas de aplicación de la termodinámica. APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA

8. PRESION P = F / A Kgf / cm, bares, atmósferas VOLUMEN V = m * v cm MASA Kg, lb 1 lb = 0,453 Kg FUERZA N o lbf F = m x a 2 3

9. P=Densidad*gravedad*Altura P=F/A P=mg/A P= DVolg /A P= DhAg /A P= Dgh PRESIÓN

10. Dimensión Símbolo Unidad SI Unidad Inglesa Masa M kg (kilogramo) lbm (libra masa) Longitud L m (metro) ft (pie) Tiempo t s (segundo) s (segundo) Temperatura T K (kelvin) R (rankine) Corriente eléctrica I A (ampere) A (ampere) Cantidad de Luz C cd (candela) cd (candela) Cantidad de materia o sustancia N mol mol

11. Sistema Internacional (SI): Conversión de Unidades Gg = Gigagramo. kPa = kilo Pascal. MW = Mega watts μm = micrometro

12. Sistema de Unidades a Otro: Factores de conversión. Un conducto de petróleo tiene una velocidad de flujo de 110000 BPD (barriles por día). Determine la velocidad de flujo a pies cúbicos por segundo si: 1 barril = 42,0 galones. 7,48 galones = 1 ft 3 Conversión de Unidades

13. Solución Definimos : Q = 110 000 barriles por día. Definimos : Q = 110 000 barriles por día.

14. Factor de Conversión Gravitacional g c Sistema Internacional (SI) Sistema Americano de Ingeniería (SAI) Sistema Cegecimal (CGS)

15. Fuerza y Peso La ecuación que relaciona la fuerza (F) en unidades definidas con la masa y la aceleración es: El peso (W) de un objeto es la fuerza que ejerce sobre el objeto la atracción gravitacional:

16. Ejemplo Peso y Masa El agua tiene una densidad de 62.4 lb m /ft 3 . ¿Cuánto pesan 2 ft 3 de agua (a) al nivel del mar y 45 o de latitud ? (b) en Denver, Colorado, donde la altitud es de 5374 ft y la aceleración de la gravedad es de 32.139 ft/s 2 ? Solución: La masa del agua es: El peso del agua es: Al nivel de mar g/g c = 1 lb f /lb m , entonces W = 124.8 lb f En Denver g/g c = 32.139/32.174 = 0.9989 , y W = 124.7 lb f

17. Puede consistir en cualquier elemento de espacio o materia específicamente apartado para su estudio , limitada por fronteras, las cuales pueden ser reales o imaginarias y se pueden alargar o contraer. El sistema es separado del ambiente por sus fronteras. Todo análisis termodinámico debe comenzar con la selección del sistema , sus fronteras y sus alrededores

18. Los sistemas pueden ser cerrados o abiertos. Sistema Cerrado , es aquel en el cual no hay flujo de masa a través de la fronteras, sin embargo la energía fluye a través de las mismas. Sistema Abierto , tanto la masa como la energía fluyen a través de las fronteras que se seleccionan. Al sistema abierto se le conoce como volumen de control y a su frontera se le llama superficie de control. … Cuales ejemplos aplicarían como sistemas cerrados o abiertos?

19. La masa no puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado, pero la energía sí. SISTEMAS CERRADOS

20. El Sistema Termodinámico puede involucrar fronteras fijas, móviles, reales e imaginarias. SISTEMAS ABIERTOS

21. Eficiencia Térmica , se define como la producción neta de trabajo sobre la alimentación o entrada de calor. Propiedad , es una característica de un sistema que puede especificarse mediante la descripción de una prueba a la que deberá someterse dicho sistema. Mediante el apoyo de un instrumento de laboratorio Combinación matemática de otras (entalpía, entropía) Por Leyes Termodinámicas (presión, temperatura, volumen ) Otros Conceptos y Generalidades

22. Propiedades Intensivas – Específicas o Parámetros Específicos Volumen Específico: v = V/m Trabajo por unidad de masa (Específico): w = W/m Calor por unidad de masa (Específico): q = Q/m Energía Interna Específica: u = U/m Propiedades a Estudiar en Termodinámica (o a tener en cuenta) Presión P Temperatura T Volumen V o  Energía Interna U o u Entalpía H o h Entropía S o s Densidad  Masa m Velocidad v Posición (altura) Z

23. Densidad , se define como la masa por unidad de volumen. Densidad Relativa , es el cociente de la densidad de un fluido entre la densidad del agua a una temperatura especificada. Volumen Específico , se define como el volumen por unidad de masa de una sustancia .  = V/m = 1/ Presión , se define como la fuerza normal por unidad de área que actúa sobre las fronteras del sistema. Presión Absoluta , es la presión real en un punto determinado del sistema y se mide en forma relativa a una presión absoluta de cero. Presión Manométrica , es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Pman = Pabs - Patm

24. Presiones absoluta, manométrica y de vacío.

25. Manómetro , es un instrumento que se utiliza para medir una diferencia de presión en términos de la altura de una columna de un líquido. P 2 Sistema Gaseoso P 1 Z (1) (2) dZ

26. Barómetro , es un instrumento que se utiliza para medir la presión atmosférica. El valor de esta presión puede variar dependiendo de las condiciones ambientales y de la ubicación geográfica. Vacío Mercurio Presión Atmosférica Altura de la Columna de Mercurio

27. Estado , es la condición de un sistema caracterizado por los valores fijos de sus propiedades, las cuales están verdaderamente definidas cuando un sistema está en equilibrio (igualdad de fuerzas o estado de balance). Si el valor de una propiedad cambia, el estado cambiará a uno diferente. La Termodinámica estudia los estados de equilibrio. Un sistema que está en equilibrio no experimenta cambios cuando se encuentra aislado de sus alrededores. La palabra equilibrio implica un estado de Balance Tipos de Equilibrio: * Térmico * Mecánico * Químico * de fase

28. Proceso , es cualquier cambio que experimenta un sistema desde un estado de equilibrio a otro. El cambio de una propiedad genera un cambio de Estado y por lo tanto se lleva a cabo un proceso. Los procesos más utilizados son :

29. Diagrama P-V de un proceso de compresión. Los diagramas de proceso que se grafican a partir de las propiedades termodinámicas como coordenadas son muy útiles en la visualización del proceso. Algunos son: P-v, P-T, T-v, T-s

30. SISTEMA CUASIEQUILIBRIO Considere el siguiente sistema en equilibrio mecánico, en el cual todas las fuerzas están compensadas

31. Proceso Cuasiequilibrio o cuasiestático Es aquel proceso en el cual el sistema permanece infinitesimalmente cercano a un estado de equilibrio . Un proceso cuasiestático se considera lo suficientemente lento, que permite al sistema realizar un ajuste interno de manera que las propiedades en una parte de él no cambien más rápido que en otras partes. 1 2 1 2

32. Proceso Cuasiequilibrio o cuasiestático Es importante destacar que cuando se tengan procesos en desequilibrio, entonces se tiene que describir el sistema antes que el proceso ocurra y después que se haya completado y se restablezca el equilibrio. Un proceso cuasiequilibrio constituye un caso idealizado y no la representación de un proceso real. Pero varios procesos reales tienden a él y pueden modelarse como cuasiequilibrio con un error insignificante.

33. Ciclo Termodinámico Un sistema se somete a un ciclo, cuando al terminar el proceso este llega a su estado inicial. En un ciclo los estados inicial y final son los mismos. Ciclo de dos Procesos Ciclo de Cuatro Procesos 3 4

34. Si dos cuerpos de un sistema que se encuentran aislados de los alrededores, no experimentan ningún cambio de estado cuando entran en contacto a través de una frontera rígida común, se dice que los sistemas están en Equilibrio Térmico . Ley Cero de la Termodinámica , cuando dos cuerpos tienen igualdad de temperatura con un tercero, los tres tienen igualdad de temperatura entre sí.

35. Comparación de escalas de temperatura. Punto de ebullición del agua a 1 atm Punto triple del agua Cero absoluto 273,15 32,00 491,67 0,00 Punto de congelación del agua

36. Temperatura