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- 1. ENERGÉTICA AVANZADA Capítulo 1 - Conceptos Básicos de Termodinámica Dr. Ing. Elder Mendoza Orbegoso
- 2. Visión General ¿Qué es la Termodinámica? Proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (movimiento) Ambas palabras sugiere a la termodinámica como el estudio del ‘movimiento del calor’, el cual refleja el origen de esta ciencia. La termodinámica fue desarrollado con el objetivo de explicar cómo el ‘calor’ (originado de la combustión), puede ser suministrado a una máquina para generar potencia o ‘movimiento’ Sin embargo la termodinámica ha madurado tanto de manera que es aplicado a un amplio rango de aplicaciones (i.e., expansión adiabática de una turbina a gas) La termodinámica ha sido criticada por solo tratar de sistemas en ‘equilibrio’ Sistemas en ‘equilibrio’ no es dinámico, por tanto, sugieren llamar a esta ciencia como “Termoestática”
- 3. Visión General Ciclo del agua Heat Loop (Condenser) Quizás la mejor definición es: “La Termodinámica es la ciencia que estudia la conversión de la energía de una forma a otra” Esta definición captura la generalidad de la ciencia, pero también introduce un nuevo concepto ‘energía’ La termodinámica trabaja con muchos conceptos que pueden ser nuevos para el estudiante como ‘calor’ y ‘energía’ que son términos completamente distintos. Y que necesitan ser bien definidos y diferenciados de manera a aplicar las leyes de la termodinámica.
- 4. Visión General La Primera Ley de la Termodinámica establece que: “La energía es conservada (i.e., no es generada ni destruida)” Aquello indica que la cantidad de energía que es disponible debe de ser constante. Pero si la cantidad de energía es constante, ¿Por qué escuchamos en las noticias acerca de la escasez de energía? La respuesta es que el término ‘energía’ usada en el habla popular es distinto a la definición que emplea la Termodinámica. El término energía usada coloquialmente está referido a ‘la capacidad para producir trabajo’, cuya definición no es consistente con la definición de ‘energía’ que emplea la termodinámica. Mas sí se refiere a un concepto termodinámico llamado ‘exergía’ Energía no es ‘alguna cosa’, pero sí es una propiedad de la materia. No podemos verlo, mirarlo, probarlo, degustarlo o sentirlo. Pero si podemos medirlo, pero solo indirectamente.
- 5. Visión General La Primera Ley de la Termodinámica está preocupada por la conservación de la energía (en términos cuantitativos). Sin embargo la energía tiene ‘cantidad’ y ‘calidad’ La ‘calidad’ de energía no es conservada, y la Segunda Ley de la Termodinámica trata de ello. Aunque la energía es conservada en términos cuantitativos, la calidad de la energía siempre es reducida durante su transformación. Energía de baja calidad es menos útil para nosotros en el sentido que su ‘capacidad para realizar trabajo’ ha sido disminuida.
- 6. Visión General La Segunda Ley de la Termodinámica es responsable de la naturaleza real de todos los procesos. Los procesos ocurren en una dirección y no retornan espontáneamente. Retornar espontáneamente requeriría un incremento de la calidad de la energía. La segunda ley de la termodinámica explica el porqué: El calor fluye desde fuentes calientes a fuentes frías. Objetos a diferentes temperaturas resultan en temperaturas iguales. Gases se mezclan y las cosas se rompen. El tiempo es unidireccional (jamás retorna).
- 7. Sistemas Termodinámicos Cada análisis termodinámico se inicia con la especificación de un ‘sistema’. Un ‘sistema’ se define como una cantidad de materia o región del espacio que ha sido elegida para su análisis. La región fuera del sistema se conoce como ‘entorno’ o ‘alrededores’. ‘Frontera’ es la superficie imaginaria que separa el sistema con su entorno.
- 8. Sistemas Termodinámicos: Tipos ‘Sistema cerrado’ o masa de control.- Consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Puede ser fijo o móvil. Un caso especial de sistema cerrado es el ‘sistema aislado’ o adiabático, en donde no existe interacción de energía con el entorno.
- 9. Sistemas Termodinámicos: Tipos Sistema abierto o ‘volumen de control’, VC.- Es una región elegida apropiadamente en el espacio. En el VC, tanto la masa como la energía pueden cruzar la frontera, que se le llama 'superficie de control’. Un VC puede ser fijo en tamaño y forma o bien podría implicar fronteras móviles.
- 10. Estados y Propiedades: Propiedades y Tipos Cualquier característica de un sistema se llama ‘propiedad’, i.e. presión, volumen, temperatura, etc. Propiedad Extensiva.- aquellas cuyos valores dependen del tamaño o extensión del sistema, i.e., masa, volumen, cantidad de movimiento. Propiedad Intensiva.- son independientes de la masa del sistema, i.e., temperatura, presión, densidad, etc. Propiedad Específica.- son propiedades extensivas por unidad de masa. i.e., volumen específico, energía específica, etc.
- 11. Estados y Propiedades: Props. Medibles y Derivadas Las propiedades termodinámicas también son clasificadas como medibles o derivadas. Propiedades Medibles: pueden ser directamente medible usando apropiadamente un instrumento. Ejemplos: masa, temperatura, presión, volumen, velocidad, elevación y composición, etc. Propiedades Derivadas: no pueden ser directamente medida. Ejemplos: energía interna, entalpia, entropía, etc.
- 12. Estados y Propiedades: Props. Internas y Externas Las propiedades termodinámicas también pueden ser clasificadas como internas o externas Propiedades Externas: son independientes de la naturaleza de la materia que compone el sistema. Ejemplo: La velocidad del sistema y su elevación en un campo gravitacional. Estas propiedades no dependen de que si el sistema está compuesto de Helio o de Acero o una carro con humanos. Propiedades Internas: dependen de la naturaleza de la materia que está compuesto el sistema. Ejemplos: a NPT, el volumen de 50 kg de Helio es diferente al volumen de 50 kg del acero
- 13. Estados y Propiedades: Estado Estado de un Sistema.- conjunto de propiedades que describe por completo una condición del sistema. Equilibrio.- define un estado de balance, es decir, no hay potenciales desbalanceados. Equilibrio térmico.- si el sistema tiene la misma temperatura. Equilibrio mecánico.- cuando no hay cambio de presión en el sistema. Equilibrio químico, si su composición química no cambia con el tiempo. Equilibrio termodinámico. Cuando el sistema alcanza el equilibrio térmico, mecánico y químico.
- 14. Estados y Propiedades: Postulado de Estado Ejemplo 1: La temperatura y el volumen específico son 2 propiedades independientes y juntos fijan el estado de un sistema. Ejemplo 2: La presión y la temperatura son propiedades independientes para 1 sola fase, pero son dependientes para sistema multifase, i.e. ebullición T=f(P) «El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas independientes»
- 15. Proceso y Trayectoria Proceso.- Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro. Trayectoria.- Una serie de estados por lo que pasa un sistema. Cuando un proceso se desarrolla de manera que el sistema permanece infinitesimalmente cerca del equilibrio, estamos ante un proceso cuasiestático o de cuasiequilibrio. Un proceso de este tipo puede considerarse lo suficientemente lento para permitirle al sistema ajustarse internamente de modo que sus propiedades de una de sus partes no cambien mas rápido que otras.
- 16. Proceso y Trayectoria Los diagramas de proceso son trazados mediante el empleo de propiedades termodinámicas (P, T, V) como coordenadas. Ejemplo: el proceso de la compresión de un gas se representa en un diagrama P-V El prefijo iso- se usa para designar un proceso en donde una propiedad permanece constante, i.e., proceso isotérmico (T=cte), proceso isobárico (P=cte), proceso isocórico (V=cte).
- 17. Ciclo Termodinámico Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo, si este regresa a su estado inicial al final de un proceso (o varios procesos). Para un ciclo, los estados inicial y final son idénticos.
- 18. Hipótesis del Continuo La materia está constituido por átomos igualmente espaciados. Sin embargo no es conveniente considerar la naturaleza atómica de una sustancia. La hipótesis del continuo considera a la materia como homogénea (i.e., sin ningún hueco). Ejemplo: la densidad de un vaso con agua es la misma en todos los puntos. A CNTP: diámetro de molécula O2 = 3 x 10-10 m masa molécula O2 = 5.3x10-26 kg mpl O2 = 6.3x10-8 m El modelo de continuo falla cuando la longitud característica del sistema es comparable con la trayectoria media libre (mpl) de las moléculas i.e., vacíos muy altos.
- 19. Propiedades: Densidad y Volumen Específico Densidad: Masa por unidad de volumen Volumen específico: Volumen por unidad de masa. En gases: r es función de P y T En líquidos: r es función de T Densidad relativa: razón entre la densidad de una sustancia y una sustancia estándar a una temperatura especificada.
- 20. Propiedades: Peso Específico Peso específico: es el peso de un volumen unitario de una sustancia
- 21. Propiedades: Presión, Presión Atmosférica Presión: fuerza normal que ejerce un fluido por unidad de área. Presión atmosférica: Es la presión ejercida por la columna estática de aire que se extiende desde el punto hasta el límite superior de la atmósfera. Unidades usualmente utilizados: 𝑃 = 𝐹 𝑛 𝐴 N m2 = Pa
- 22. Propiedades: Presión Absoluta y Presión Relativa Presión absoluta: presión real que se mide respecto al vacío absoluto. Sin embargo, la mayor parte de dispositivos se calibran a cero en la atmósfera. Lo cual indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica, esta diferencia es la presión manométrica. Las presiones por debajo de la atmosférica se conoce como presión de vacío.
- 23. Manómetro y Barómetro Manómetro Barómetro
- 24. Ley “Cero” de la Termodinámica Podría ser tonto que un hecho tan obvio se conozca como una de las leyes de la termodinámica. Sin embrago sirve de base para la medición de la temperatura. Si el tercer cuerpo se substituye por un termómetro, la ley cero se puede expresar como: Dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura, incluso si no están en contacto. Si 2 cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí
- 25. Escalas de Temperatura Permiten usar una base común para las mediciones de temperatura. Escalas actualmente usadas en los sistemas SI e Inglés: Escala Celsius 0 oC y 100 oC a los puntos de hielo y evaporación del agua Escala Farenheit 32oF y 212 oF a los puntos de hielo y evaporación del agua. En termodinámica es conveniente tener una escala de temperatura independiente de las propiedades de cualquier sustancia. La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin y en el sistema inglés es la escala Rankine.
- 26. Escalas de Temperatura En la escala Kelvin, la temperatura mínima es el cero absoluto, o 0 K. La escala Kelvin se relaciona con la Celsius mediante: Y la escala Rankine con la Farenheit. Algunas relaciones importantes:
- 27. Dimensiones y Unidades • Magnitud (física): propiedad medible de un sistema físico. • Dimensión: expresa nuestra observación sobre una magnitud. • Unidades: utilizadas para describir una dimensión. Magnitud Dimensión Unidades (SI) Básicas Longitud L m Tiempo T s Masa M kg Temperatura q K Derivadas Volumen L3 m3 Fuerza MLT-2 N (kg m/s2) Presión ML-1T-1 Pa (N/m2) Trabajo = Energía ML2T-2 J (N m) Potencia ML2T-3 W (J/s)