Presentación: Termodinámica para Dummies


Termodinámica para DummiesVersión en línea Curso introductorio de Nociones Elementales de Termodinámica por Eric Viana Buendia 1 Introducción TERMODINÁMICA: Es la especialidad de la física encargada de estudiar todos aquellos fenómenos en donde interviene la energía térmica y la manera como el calor afecta los sistemas físicos y como se puede aprovechar este recurso energético para provecho del hombre y/o de la industria.La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, es decir, aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas. Un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente empleando la teoría termodinámica. 2 Propiedades Termodinámicas Las sustancias tienen un comportamiento ante ciertas condiciones de Presion y Temperatura llamadas Propiedades Termodinámicas. Para cada presión existe asociada una temperatura, llamada de saturación. Por encima de ésta a una presión dada, se dice que la sustancia se encuentra como vapor sobrecalentado. Por otra parte, si a una temperatura dada la presión dada está por encima de la presión de saturación, se dice que la sustancia está como líquido subenfriado. Básicamente la sustancia puede estar como líquido o como vapor saturado. Para cada caso hay asociados unos valores de otras propiedades importantes. Una de estas propiedades tiene que ver con el calor propio de cada sustancia, llamada Entalpía. Otras propiedades importantes son: Energía Interna, Volumen Específico y Entropía. 3 Ejemplo propiedades En la figura se aprecia agua como sustancia, la cual a 11 °C tiene una presión de 0,01312 bares. Si la presión estuviese a 0.02 bares, se diría que el agua está como líquido subenfriado. Por otro lado, si a 0,01312 bares la temperatura es de 20 °C, entonces el agua estaría como vapor sobrecalentado. 4 Equilibrio Térmico EQUILIBRIO TÉRMICO Existe un principio, conocido como la Ley Cero de la Termodinámica, que establece que dos cuerpos que entran en contacto inicialmente a temperaturas diferentes terminan adoptando una misma temperatura común, la cual será menor que la temperatura inicial del cuerpo más caliente, pero mayor que la temperatura inicial del cuerpo más frío, debido a que el cuerpo más caliente le transfiere calor al cuerpo más frío hasta que ambos quedan con el mismo calor. La cantidad de calor de un cuerpo depende de la temperatura a la que está, de su masa y de una propiedad de la sustancia llamada calor específico. En el siguiente video se ilustrará una manera de aplicar los modelos matemáticos al Principio de Equilibrio Térmico. 5 Ejemplo Equilibrio Térmico 6 Leyes de la Termodinámica La Primera Ley de la Termodinámica está basada en el principio de Conservación de la Energía, es decir, que la Energía ni se crea ni se destruye, sino que simplemente se transforma. Este principio se utiliza para, mediante balances de calor, al igual que los balances de cuentas en contabilidad, determinar cantidades, por ejemplo, de calor que ha ganado o perdido el sistema, trabajo que ha realizado o absorbido el sistema, cantidad de entalpía debido al intercambio de masas entrantes y salientes en un sistema abierto, y/o cambio de energía interna en forma de acumulación o pérdida en caso de que el sistema no sea en estado estacionario o estable. Por otra parte, mediante la Segunda Ley de la Termodinámica se puede aplicar el concepto del cambio de una propiedad termodinámica llamada Entropía, para determinar con exactitud la relación existente entre el trabajo o energía aprovechada de un sistema y la energía requerida o gastada por el mismo, relación que es conocida como eficiencia. 7 Transferencia de Calor 8 Procesos Termodinámicos PROCESOS TERMODINÁMICOS Los procesos Termodinámicos, ya sea que las sustancias sean sólidas, líquidas o gaseosas, varían según la manera como sus propiedades se comportan. En todo caso, las propiedades que básicamente se alteran son: Volumen, Temperatura, Presión o Transferencia de calor desde o hacia los alrededores.Los procesos en los cuales la temperatura no varía se denominan isotérmicos. Los procesos en los cuales la presión no varía se denominan isobáricos. Aquellos procesos en los que no varía el volumen se denominan isométricos o isocóricos, mientras que aquellos en donde no se da ninguna transferencia o interacción de calor con los alrededores se denominan adiabáticos.Existen unos modelos matemáticos en donde se estudian estos procesos en el caso particular en que las sustancias son gaseosas bajo ciertas condiciones específicas. Estas sustancias son llamadas Gases Ideales, y estos modelos matemáticos están sustentados en la Ecuación de Estado de los Gases Ideales y en tres leyes particulares de los gases llamadas:Boyle Mariotte (Procesos Isotérmicos)Gay Lussac (Procesos Isométricos)Charles (Procesos Isobáricos)Para mayor información sobre el tema, consulte el link:http://es.wikipedia.org/wiki/Gases_ideales 9 Ciclo Rankine CICLOS TERMODINÁMICOS - CICLO RANKINE Los procesos termodinámicos se pueden interrelacionar entre sí formando unos procesos cerrados llamados ciclos termodinámicos, cuya función es realizar un proceso cíclico global. El Ciclo Rankine es un ciclo básico utilizado para obtener energía mecánica rotacional a partir de la acción del chorro de vapor sobrecalentado a alta presión sobre las paletas de una turbina, la cual al girar, su eje hace energizar un generador de energía eléctrica, la cual es capaz de abastecer una subestación eléctrica, y de ahí a una población o región específica con electricidad para uso doméstico o industrial.El vapor a alta presión procede de un intercambiador de calor llamado caldera, en el cual se da un proceso de evaporación hasta llegar a estado de vapor sobrecalentado. Al pasar por la turbina, su pérdida de presión se manifiesta como expansión. A la salida de la turbina, el vapor pasa a través de un condensador, a través del cual se da el proceso de condensación, transformándose de vapor a líquido, el cual es bombeado de regreso a la caldera a través de una bomba. Este proceso en sí es poco eficiente, por lo que ha sido rediseñado a lo largo de los últimos 6 decenios, durante los cuales se han añadido procesos adicionales de aprovechamiento de energías antes desperdiciadas. Los ciclos que actualmente utilizan las Termoeléctricas, llamados ciclos combinados, utilizan básicamente el ciclo Brayton de las Turbinas de Gas, y los gases calientes residuales se aprovechan para suministrarle energía a la caldera del ciclo Rankine anexo al primero. 10 Ciclo de Refrigeración CICLOS TERMODINÁMICOS - CICLO DE REFRIGERACIÓN Este es el ciclo mediante el cual se puede invertir el proceso natural de transferencia de calor, el cual normalmente va de la zona más caliente a la más fría. El proceso lo que hace es llevar el calor de la zona más fría a la zona más caliente.Esto solo es posible utilizando una sustancia cuyo punto de ebullición está muy por debajo de la temperatura ambiente, llamado refrigerante. Esta sustancia pasa como líquido a través del evaporador, realizando así el proceso de evaporación, a través del cual se absorbe calor del interior del cuarto frío, congelador o nevera. Cuando está como vapor saturado, el compresor lleva a cabo su proceso de compresión llevando el vapor al condensador en condiciones de alta presión. Allí el vapor pasa a líquido por condensación, y ya en forma de líquido pasa a través de la válvula de expansión o tubo capilar de regreso al evaporador para repetir el proceso cíclico.Aunque la mayoría de los refrigeradores domésticos de hoy no utilizan condensador exterior (la parrilla negra de atrás de las neveras), todavía hay modelos que las tienen, para las cuales jamás se recomienda colgar ropa para ponerla a secar, ya que disminuye la tasa de transferencia de calor del condensador a los alrededores, disminuyendo la eficiencia del ciclo, esforzando el funcionamiento del compresor y encareciendo el costo de consumo energético. 11 Fin Esperando que esta información haya sido de gran utilidad. Cualquier duda no dude en comunicarse con su servidor ERIC VIANA BUENDIA al correo eviana67@yahoo.es. Ahora los invito a que interactúen con las actividades derivadas de este curso: el test, el crucigrama y el mapa interactivo.MUCHAS GRACIAS.

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Introducción

TERMODINÁMICA:

Es la especialidad de la física encargada de estudiar todos aquellos fenómenos en donde interviene la energía térmica y la manera como el calor afecta los sistemas físicos y como se puede aprovechar este recurso energético para provecho del hombre y/o de la industria.La termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, es decir, aquel estado hacia el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas. Un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente empleando la teoría termodinámica.

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Propiedades Termodinámicas

Las sustancias tienen un comportamiento ante ciertas condiciones de Presion y Temperatura llamadas Propiedades Termodinámicas. Para cada presión existe asociada una temperatura, llamada de saturación. Por encima de ésta a una presión dada, se dice que la sustancia se encuentra como vapor sobrecalentado. Por otra parte, si a una temperatura dada la presión dada está por encima de la presión de saturación, se dice que la sustancia está como líquido subenfriado. Básicamente la sustancia puede estar como líquido o como vapor saturado. Para cada caso hay asociados unos valores de otras propiedades importantes. Una de estas propiedades tiene que ver con el calor propio de cada sustancia, llamada Entalpía. Otras propiedades importantes son: Energía Interna, Volumen Específico y Entropía.

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Ejemplo propiedades

En la figura se aprecia agua como sustancia, la cual a 11 °C tiene una presión de 0,01312 bares. Si la presión estuviese a 0.02 bares, se diría que el agua está como líquido subenfriado. Por otro lado, si a 0,01312 bares la temperatura es de 20 °C, entonces el agua estaría como vapor sobrecalentado.

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Equilibrio Térmico

EQUILIBRIO TÉRMICO

Existe un principio, conocido como la Ley Cero de la Termodinámica, que establece que dos cuerpos que entran en contacto inicialmente a temperaturas diferentes terminan adoptando una misma temperatura común, la cual será menor que la temperatura inicial del cuerpo más caliente, pero mayor que la temperatura inicial del cuerpo más frío, debido a que el cuerpo más caliente le transfiere calor al cuerpo más frío hasta que ambos quedan con el mismo calor. La cantidad de calor de un cuerpo depende de la temperatura a la que está, de su masa y de una propiedad de la sustancia llamada calor específico. En el siguiente video se ilustrará una manera de aplicar los modelos matemáticos al Principio de Equilibrio Térmico.

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Ejemplo Equilibrio Térmico

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Leyes de la Termodinámica

La Primera Ley de la Termodinámica está basada en el principio de Conservación de la Energía, es decir, que la Energía ni se crea ni se destruye, sino que simplemente se transforma. Este principio se utiliza para, mediante balances de calor, al igual que los balances de cuentas en contabilidad, determinar cantidades, por ejemplo, de calor que ha ganado o perdido el sistema, trabajo que ha realizado o absorbido el sistema, cantidad de entalpía debido al intercambio de masas entrantes y salientes en un sistema abierto, y/o cambio de energía interna en forma de acumulación o pérdida en caso de que el sistema no sea en estado estacionario o estable.

Por otra parte, mediante la Segunda Ley de la Termodinámica se puede aplicar el concepto del cambio de una propiedad termodinámica llamada Entropía, para determinar con exactitud la relación existente entre el trabajo o energía aprovechada de un sistema y la energía requerida o gastada por el mismo, relación que es conocida como eficiencia.

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Transferencia de Calor

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Procesos Termodinámicos

PROCESOS TERMODINÁMICOS

Los procesos Termodinámicos, ya sea que las sustancias sean sólidas, líquidas o gaseosas, varían según la manera como sus propiedades se comportan. En todo caso, las propiedades que básicamente se alteran son: Volumen, Temperatura, Presión o Transferencia de calor desde o hacia los alrededores.Los procesos en los cuales la temperatura no varía se denominan isotérmicos. Los procesos en los cuales la presión no varía se denominan isobáricos. Aquellos procesos en los que no varía el volumen se denominan isométricos o isocóricos, mientras que aquellos en donde no se da ninguna transferencia o interacción de calor con los alrededores se denominan adiabáticos.Existen unos modelos matemáticos en donde se estudian estos procesos en el caso particular en que las sustancias son gaseosas bajo ciertas condiciones específicas. Estas sustancias son llamadas Gases Ideales, y estos modelos matemáticos están sustentados en la Ecuación de Estado de los Gases Ideales y en tres leyes particulares de los gases llamadas:Boyle Mariotte (Procesos Isotérmicos)Gay Lussac (Procesos Isométricos)Charles (Procesos Isobáricos)Para mayor información sobre el tema, consulte el link:http://es.wikipedia.org/wiki/Gases_ideales

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Ciclo Rankine

CICLOS TERMODINÁMICOS - CICLO RANKINE

Los procesos termodinámicos se pueden interrelacionar entre sí formando unos procesos cerrados llamados ciclos termodinámicos, cuya función es realizar un proceso cíclico global. El Ciclo Rankine es un ciclo básico utilizado para obtener energía mecánica rotacional a partir de la acción del chorro de vapor sobrecalentado a alta presión sobre las paletas de una turbina, la cual al girar, su eje hace energizar un generador de energía eléctrica, la cual es capaz de abastecer una subestación eléctrica, y de ahí a una población o región específica con electricidad para uso doméstico o industrial.El vapor a alta presión procede de un intercambiador de calor llamado caldera, en el cual se da un proceso de evaporación hasta llegar a estado de vapor sobrecalentado. Al pasar por la turbina, su pérdida de presión se manifiesta como expansión. A la salida de la turbina, el vapor pasa a través de un condensador, a través del cual se da el proceso de condensación, transformándose de vapor a líquido, el cual es bombeado de regreso a la caldera a través de una bomba. Este proceso en sí es poco eficiente, por lo que ha sido rediseñado a lo largo de los últimos 6 decenios, durante los cuales se han añadido procesos adicionales de aprovechamiento de energías antes desperdiciadas. Los ciclos que actualmente utilizan las Termoeléctricas, llamados ciclos combinados, utilizan básicamente el ciclo Brayton de las Turbinas de Gas, y los gases calientes residuales se aprovechan para suministrarle energía a la caldera del ciclo Rankine anexo al primero.

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Ciclo de Refrigeración

CICLOS TERMODINÁMICOS - CICLO DE REFRIGERACIÓN

Este es el ciclo mediante el cual se puede invertir el proceso natural de transferencia de calor, el cual normalmente va de la zona más caliente a la más fría. El proceso lo que hace es llevar el calor de la zona más fría a la zona más caliente.Esto solo es posible utilizando una sustancia cuyo punto de ebullición está muy por debajo de la temperatura ambiente, llamado refrigerante. Esta sustancia pasa como líquido a través del evaporador, realizando así el proceso de evaporación, a través del cual se absorbe calor del interior del cuarto frío, congelador o nevera. Cuando está como vapor saturado, el compresor lleva a cabo su proceso de compresión llevando el vapor al condensador en condiciones de alta presión. Allí el vapor pasa a líquido por condensación, y ya en forma de líquido pasa a través de la válvula de expansión o tubo capilar de regreso al evaporador para repetir el proceso cíclico.Aunque la mayoría de los refrigeradores domésticos de hoy no utilizan condensador exterior (la parrilla negra de atrás de las neveras), todavía hay modelos que las tienen, para las cuales jamás se recomienda colgar ropa para ponerla a secar, ya que disminuye la tasa de transferencia de calor del condensador a los alrededores, disminuyendo la eficiencia del ciclo, esforzando el funcionamiento del compresor y encareciendo el costo de consumo energético.

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Fin

Esperando que esta información haya sido de gran utilidad. Cualquier duda no dude en comunicarse con su servidor ERIC VIANA BUENDIA al correo eviana67@yahoo.es. Ahora los invito a que interactúen con las actividades derivadas de este curso: el test, el crucigrama y el mapa interactivo.MUCHAS GRACIAS.

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