ANALISIS TERMODINAMICO DE UN PROCESO

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1 ANALISIS TERMODINAMICO DE UN PROCESO
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES CONCEPTOS TERMODINAMICOS RELACIONADOS CON EL USO EFICIENTE DE LOS RECURSOS ENERGETICOS    1.- La Energía. Recursos Energeticos. Transformaciones de Energia. Clasificación de acuerdo al origen . 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. ANALISIS TERMODINAMICO DE UN PROCESO 3.- Primer Principio de la Termodinámica. Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. 4.- Máquinas térmicas. Concepto. Ciclo de Carnot. Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius. Teorema de Carnot. Rendimientos Termodinámicos 5.- Segundo Principio de la Termodinámica. Teorema de Clausius Funcion entropía Evolución de los Procesos Incremento de Entropía 6.- La degradación de la energía. Calidad de la Energía Trabajo Reversible Trabajo Perdido y Trabajo Real Función Exergía

2 Caballo de Vapor hora (CV-h) British thermal unit (Btu)
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 1.- LA ENERGÍA. RECURSOS ENERGETICOS.TRANSFORMACIONES DE ENERGIA. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL ORIGEN . DEFINICIONES DE ENERGIA L a energía es una propiedad inherente a todo sistema material. Es la capacidad que tiene un sistema material de promover un cambio en otro sistema. Da cuenta de la interacción entre sistemas. Concepto mecánico: Capacidad de realizar trabajo. FORMAS BASICAS DE ENERGIA Cinética Potencial Interna  CLASIFICACION SEGÚN TIPO DE INTERACCION U ORIGEN mecánica, térmica, eléctrica, magnética, química, elástica, nuclear, solar, eólica, etc. Julio [J] (S.I.) Caloría [cal] British Thermal Unit [Btu] Unidades mas usadas de la Energía Ergio (Erg) Julio (J) Kilovatio-hora (kWh) Kilocaloría (kcal) Caballo de Vapor hora (CV-h) British thermal unit (Btu) Ergio (Erg) 1 1 E-7 2,778 E-14 2,389 E-11 0,377 E-13 9,480 E-11 Julio (J) 1 E+7 2,778 E-7 2.389 E-4 0,377 E-6 9,480 E-4 Kilovatio-hora (kWh) 3,600 E+13 3,600 E+6 860 1,359 3.413 4,186 E+10 4.186 1,163 E-3 1,581 E-3 3,969 2,650 E+13 2,650 E+6 0,736 632,6 2.510 1,055 E+10 1.055 2,930 E-4 0,252 0,398 E-3

3 TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. ¿Qué es la Termodinámica? La Termodinámica es una Ciencia Física que trata sobre el estudio de las TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA y de las relaciones entre las PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS EN EQUILIBRIO las cuales son afectadas por aquellas transformaciones

4 Lavoiser Carnot Clausius Kelvin Joule Gibbs S. XVIII S. XIX S. XXI
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Equiparación entre energía térmica y trabajo Ecuaciones fundamentales entre propiedades Ley conservación de la materia Lavoiser Carnot Clausius Kelvin Joule Gibbs S. XVIII S. XIX S. XXI Escala de temperaturas Análisis de las máquinas térmicas Entropía

5 Es una Porción del Universo objeto de estudio
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Frontera Imaginaria Frontera Real Sistema Termodinámico. Frontera del Sistema. Es una Porción del Universo objeto de estudio Esta delimitado por una frontera o pared (Real o Imaginaria) El exterior es el Entorno o alrededores Ambos conforman un Universo = Sistema + Entorno Sª Termodinámico Entorno Universo

6 TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Sistema Termodinámico. Interacciones. 1) Material (Flujo) ) Trabajo (mecánico, eje) ) Calor (térmico, superficie) Aislantes  No permiten ningún tipo de interacción entre el sª y sus alrededores Impermeables/Permeables  Intercambio de materia (interacción material) Rígida/Móvil  Intercambio de energía en forma de TRABAJO con cambio de volúmen (interacción mecánica) Adiabática/Diatérmana  Intercambio de energía en otra posible forma (interacción térmica) Pared Impermeable Pared permeable W Q

7 TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Sistema Termodinámico. Interacciones. 1) Material (Flujo) ) Trabajo (mecánico, eje) ) Calor (térmico, superfcie)

8 Se dice que un sistema aislado está en equilibrio termodinámico
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso PROPIEDAD: cualquier característica macroscópica (evaluable) de un sistema HECHO EXPERIMENTAL: Todo sistema termodinámico aislado llega a tener fijas todas sus propiedades. EQUILIBRIO: Se dice que un sistema aislado está en equilibrio termodinámico cuando todas sus propiedades son fijas (no evolucionan con el tiempo) VARIABLES TERMODINÁMICAS: Son magnitudes físicas que corresponden a las propiedades del sistema en equilibrio y que pueden tomar valores diferentes. Variables internas: P, V, T, m, , cv, cp, U, S … Variables externas: Ec, Ep, ...

9 SI NO Variables Termodinamicas Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso NO TODAS LAS VARIABLES TERMODINAMICAS SON INDEPENDIENTES ENTRE SI Variables de Estado  Son las variables independientes de un sistema. Funciones de Estado  Son las variables que dependen de las variables de estado Variables Termodinamicas NO SI ¿’Dependen’ de la masa? Extensivas Intensivas

10 Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso ESTADO: conjunto de valores de todos las variables de estado (un valor para cada variable) Ecuaciones de Estado  Ecuaciones que relacionan entre sí distintas variables de un sistema Ejs: Ecuación de estado del gas ideal  PV = nRT Ecuación de estado de Clausius  P (V - nb) = nRT (OJO: la Termodinámica proporciona definiciones de funciones de estado o relaciones entre ellas, pero NO proporciona las ecuaciones de estado) PROCESO: paso de un sistema desde un estado de equilibrio (inicial) a otro (final) (Basta que cambie una sola variable de estado) Camino: estados intermedios en un proceso Proceso Cíclico  Estado inicial = Estado Final Proceso Cuasiestático  el sistema evoluciona por sucesivos estados de equilibrio Proceso Reversible  proceso cuasiestático sin disipación Proceso Irreversible  procesos con disipación (procesos reales) y Estado Final Camino Estado Inicial X

11 Definición general de una propiedad termodinámica
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Propiedad. Equilibrio. Estado. Proceso Definición general de una propiedad termodinámica (variables y funciones de estado): - Magnitud física cuya variación en un proceso (no cíclico) depende SOLO de los estados inicial y final  - Su variación en cualquier proceso cíclico es nula  - Su diferencial es exacta

12 EL SISTEMA C SE DENOMINA TERMÓMETRO
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Temperatura HECHO EXPERIMENTAL (Principio Cero de la Termodinámica): DOS SISTEMAS QUE ESTÁN EN EQUILIBRIO TÉRMICO CON UN TERCERO ESTÁN EN EQUILIBRIO TÉRMICO ENTRE SÍ C C A B A B Consecuencia: Existe una función de estado  que caracteriza el equilibrio térmico Temperatura Empírica Variable de Estado  cuyo valor es el mismo para todos los sistemas en equilibrio térmico. EL SISTEMA C SE DENOMINA TERMÓMETRO

13 TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES
2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Temperatura  Ejemplos de propiedades termométricas: la longitud de una columna de mercurio, la presión (o el volumen) de un gas a volumen (o presión) cte., resistencia eléctrica, ...  Para asignar valores a la temperatura empírica de cualquier sistema es necesaria la introducción de una escala de temperaturas Escala Termométrica Lineal   = (a + b * x ) a y b son ctes. que se fijan asignando valores arbitrarios de temperatura al punto de fusión del hielo f y al punto de ebullición del agua e a P = 1 atm Escala centígrada  f - e = 100 Escala Celsius  escala centígrada con f = 0 y e = 100   = 100 (x - xf)/(xe - xf) Escala Farenheit  f = 32 y e = 212   = (x - xf)/(xe - xf) Lord Kelvin: Existe una escala Universal o absoluta de temperaturas (independiente del tipo de propiedad elegida para medirla)

14  homogéno químicamente pero NO físicamente  FASES
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Propiedades de las Sustancias Puras Aceite y agua Hielo y agua Sustancia Pura: sistema formado por un solo componente o especia química  homogéno químicamente pero NO físicamente  FASES Sustancia Pura Simple: sustancia pura cuyos estados vienen determinados por sólo 2 propiedades (p,T,v) = 0

15 Propiedades de las Sustancias Puras
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 2.- Conceptos previos de Termodinámica. Sistema Termodinámico. Frontera del sistema. Propiedad, equilibrio, estado y proceso. Temperatura. Propiedades de las sustancias puras. Propiedades de las Sustancias Puras

16 Forma de transferencia de energía entre el sistema y su entorno [ J ]
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Trabajo, W Forma de transferencia de energía entre el sistema y su entorno [ J ] Tipos de trabajo: Mecánico: W = F dr Eléctrico: W =  dQ Magnético: W = H dM Elástico: W = k dx … Fuerza Generalizada Desplazamiento Generalizado  W = Y dX Trabajo Termodinámico Convenio de Signos: Sistema W > 0 W < 0 Sistemas Simples COMPRESIBLES  Trabajo de Compresión/Expansión, Wc/e Wc/e = p dV 

17 1 2 Energia de un Sistema , E HECHO EXPERIMENTAL:
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Energia de un Sistema , E HECHO EXPERIMENTAL: La cantidad de energía en forma de trabajo necesaria para pasar de un estado inicial a otro final en un sistema cerrado y aislado (proceso adiabático) no depende ni del tipo de trabajo realizado ni del modo en que se realice . 1 2 Consecuencia: Existencia de una función de estado E ENERGÍA [ J ] p V Proceso arbitrario, W Proceso adiabático, Wad 1 2 |Q| = |W| - |Wad| En un proceso arbitrario, en el que se realiza un trabajo W se tiene que: E  W La energía del sistema varía además debido a otro tipo de interacción que no es de trabajo  INTERACCION TÉRMICA Se define una nueva magnitud física que da cuenta de esa interacción: CALOR Q  E + W

18 La energia de un sistema cerrado solo se modifica si a través
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Primer Principio de la Termodinamica para sistemas cerrados Convenio de Signos: + Q - Q Sistema - W + W PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS CERRADOS: E = Q - W ETotal = (Ecinética + Epotencial)Extrínseca + (Ecinética + Epotencial)Intrínseca = Ec + Ep + U La energia de un sistema cerrado solo se modifica si a través de sus fronteras gana o pierde calor y/o trabajo

19 Reagrupando: (U + pV) = Q – Wotros  H  U + pV
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Entalpia U = Q – W = Q – (Wotros + Wc/e) Si el proceso es a p = cte. = Q – (Wotros + p V) Reagrupando: (U + pV) = Q – Wotros  H  U + pV Consecuencia: En procesos a p = cte. de sistemas cerrados que intercambian calor Q con su entorno y no se realiza ningún otro tipo de trabajo (Wotros = 0 J), la entalpía es el calor intercambiado: H = Q La entalpía desempeña un papel fundamental en procesos de sistemas abiertos - combustión - potencia de turbinas - ciclos de refrigeración …

20 La variacion de entalpia de un sistema abierto es igual al calor
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Primer Principio de la Termodinamica para sistemas abiertos Convenio de Signos: + Q - Q Sistema H1 H2 - W + W PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS ABIERTOS: H = Q - W La variacion de entalpia de un sistema abierto es igual al calor y/o trabajo ganado o perdido a través de sus fronteras

21 La ecuación térmica de estado: F(p, T, V) = 0
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Propiedades Energéticas (calores específicos) La energía interna y la entalpía son funciones de estado, por tanto: U = U(p, T, V) H = H(p, T, V) La ecuación térmica de estado: F(p, T, V) = 0 Se puede eliminar una variable: U = U(T, V) H = H(p, T)

22 Propiedades Energéticas (calores específicos)
TECNOLOGIA DE LOS SERVICIOS AUXILIARES 3.- Primer Principio de la Termodinámica.Trabajo. Calor y energía interna. Entalpía. Primer Principio de la Termodinámica. Propiedades energéticas. Modelo de gas ideal. Propiedades Energéticas (calores específicos) Expresiones diferenciales de las ecuaciones energéticas: Calor específico a V = cte. : du = q – p dv  [J/kg K] Calor específico a p = cte. : dh = q  [J/kg K] cv y cp son funciones de la temperatura. Para sólidos y líquidos (sustancias incompresibles) se tiene: cv = cp = c