Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Escuela de Ingeniería Automotriz Termodinámica
ESPOCH- Escuela de Ingeniería Automotriz
TERMODINÁMICA Conceptos Básicos Qué es la Termodinámica La termodinámica es una ciencia fundamental, parte de la Física que estudia la transformación de la energía desde el punto de vista térmico (Santillán, 2010)
TERMODINÁMICA Conceptos Básicos Sistemas Termodinámicos
Sistema Termodinámico Abierto
Sistemas Termodinámico Cerrado
Calor
Aire frío
Pistón
Aire caliente
Gas
TERMODINÁMICA Conceptos Básicos Propiedades Termodinámicas
Intensivas
Independientes de la masa Presión Temperatura Volumen Específico Entropía Específica Entalpia Específica
Intensivas=Extensivas/Masa
Extensivas
Dependientes de la masa Volumen Total Entropía Total Entalpia Total Energía Interna Total
TERMODINÁMICA Conceptos Básicos VOLUMEN ESPECÍFICO DENSIDAD PRESIÓN
p
m
1
m
V
V
v
F P manon
A P
pab s pmanom pba r pab s
pba r
pvacio
P2 vació
Patm P2 abs
TERMODINÁMICA Conceptos Básicos TEMPERATURA °C °K
°K=°C+273
°F °R
°R=°F+460
TERMODINÁMICA Concepto de Energía Es la capacidad que tiene un sistema termodinámico, sea éste abierto o cerrado, para realizar trabajo.
Formas de Energía Energía potencial Peso
P
m * g z 2
z 1
Peso
Z2
F Z1 F
TERMODINÁMICA Formas de Energía Energía Cinética V1 F
F
V2
2 2 V 2 V 1 K m * 2
TERMODINÁMICA Entalpía La Entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Matemáticamente
H U p *V
TERMODINÁMICA Entropía Es una propiedad termodinámica de tipo puntual que permite conocer la cantidad de calor que sale de un sistema a una temperatura especifica. Matemáticamente
dS
dQ T
TERMODINÁMICA Calor Específico La cantidad de calor necesaria para que la unidad de masa de la sustancia, varié en un grado. Matemáticamente
C
dq
dT
TERMODINÁMICA Calor Específico a presión Constante Matemáticamente
cp
dh
dT
Calor Específico a volumen Constante Matemáticamente
cv
du dT
TERMODINÁMICA Relaciones entre cp y cv k
c p
C p C v
cv
1.0
R J
TERMODINÁMICA Primera Ley de La Termodinámica “la energía no se puede crearse ni destruirse solo se transforma”
E ent
E
E sal
TERMODINÁMICA Primera Ley de La Termodinámica Para Un Sistema Cerrado E ent E E sal
Q E Wnf
Pistón
Q U Wnf Wnf
Q
dQ dU pdV
Extensiva
dq du pdv
Intensiva
dQ
dH Vdp
dq dh vdp
Extensiva Intensiva
TERMODINÁMICA Primera Ley de La Termodinámica Para Un Sistema Abierto E ent E E sal E ent
P 1 K 1
E sal
m1
p1V 1Q P 2
K 2
U 2
p2V 2W sf
dQ dP dK dH dW eje Extensiva
1
p2, V2
m1
v2 Z2
p1,V1
U1
Q P K H W eje 2
Z1
U 1
P 1 K 1 H 1 Q P 2 K 2 H 2 W sf
Wsf
v1
Q
U2
dq dp dk dh dW eje Intensiva
TERMODINÁMICA Segunda Ley de La Termodinámica «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada». Clausius
dS
dQ T
TERMODINÁMICA Tercera Ley de La Termodinámica «A una temperatura que tiende al cero absoluto la entropía de una sustancia tiende a cero». V. Nernst Si
T 0 K
Entonces
S
0
TERMODINÁMICA Sustancia de Trabajo Compresibles Gas Ideal
Incompresibles
Gas Real
Gas Ideal Sustancia de Trabajo que cumple las leyes de los gases Ideales
TERMODINÁMICA Layes de Los Gases Ideales Ley de Boyle y Mariotte P
T= Constante p
1
V P V = cte. hipérbola equilátera 1
p1 * v1 = p2 * v2 = cte.
p1 pv=cte T=cte
2
p2
V1
V2
V
TERMODINÁMICA Layes de Los Gases Ideales DE CHARLES Y GAY LUSSAC V T
P= Constante V
cte
recta
T
T
V 1
2 T2
T 1
T/V=cte p=cte
1
T1
V1
V2
V
V 2 T 2
cte
TERMODINÁMICA Layes de Los Gases Ideales DE CHARLES Y GAY LUSSAC P T
V= Constante P T
cte
recta
T
P 1
2 T2
T 1
T/p=cte V=cte
1 T1
p1
p2
p
P 2 T 2
cte
TERMODINÁMICA Layes de Los Gases Ideales Ecuación de estado PV
Cons tan te
T Cons tan te Pv
RT
P V 1 1 T 1
P 2V 2
Cons tan te
T 2
R
Donde: P=Presión v=Volumen Específico T=Temperatura R= Constante Particular cada Gas
de
TERMODINÁMICA Layes de Los Gases Ideales Ecuación de estado PV
PV
mRT
n RT
Donde: P=Presión V=Volumen Total m=Masa R= Constante Particular cada Gas Donde: P=Presión V=Volumen Total n=Número de Moles Ř= Constante Universal de los gases.
de
TERMODINÁMICA Layes de Los Gases Ideales Constante Universal R
M
MR
R = 847.8
R = 1545.3
m
n
kg m kmol 0 K lb pie lbmol 0 R
TERMODINÁMICA Procesos Con Gases Ideales Estado Termodinámico Punto de una fase que está identificado por dos propiedades termodinámicas intensivas e independientes.
Proceso Termodinámico Es todo cambio que experimenta un sistema termodinámico de un estado de equilibrio a otro.
TERMODINÁMICA Procesos Con Gases Ideales Proceso Isométrico o Isócoro Toda transformación en equilibrio que ocurre a volumen constante se denomina proceso isométrico. p T 1 p1
2
T2
p2
2
V1=V2
T1
V
1 Q
S1
S2
S
TERMODINÁMICA Propiedades del Estado po p f
T o
PV
T f
Ley de Charles Y Gay Lussac
mRT
Ecuación de estado
Propiedades del Proceso Energía Interna
dU mcvdT Si cv = Constante U mcvT
U
mcv(T f T o )
TERMODINÁMICA Entalpía
dH mcpdT
Si cp = Constante
H H
mcpT
mcp(T f T o )
Trabajo No Fluente W nf
p. dV 0 0
Calor dQ dU pdV
Q U mcv(T f T o )
Q U pdV
TERMODINÁMICA Entropía
dQ
dS
S
mcv
dS
T dT T
dU
mcv ln(
T
T f T o
mcvdT T
)
Trabajo Para el sistema de flujo estacionario dQ dP dK dH dW eje 0
dW eje
0
dQ dH dP dK
dW eje
dQ dH
TERMODINÁMICA Procesos Con Gases Ideales Proceso Isobárico La transformación en equilibrio que se cumple a presión constante se llama proceso isobárico p
T
1
2
2
T2
P1=P2
T1
pdV
1
Q
V1
V2
V
S1
S2
S
TERMODINÁMICA Propiedades del Estado V o V f
T o
PV
T f
Ley de Charles Y Gay Lussac
mRT
Ecuación de estado
Propiedades del Proceso Energía Interna
dU mcvdT Si cv = Constante U mcvT
U
mcv(T f T o )
TERMODINÁMICA Entalpía
dH mcpdT
Si cp = Constante
H H
mcpT
mcp(T f T o )
Trabajo No Fluente W nf p.dV p dV p(V f V 0 ) 0
Calor
dQ dH Vdp
Q H mcp(T f T o )
Q H Vdp
TERMODINÁMICA Entropía
dS
S
mcp
dQ
dS
T dT T
dH
mcp ln(
T
T f T o
mcpdT T
)
Trabajo Para el sistema de flujo estacionario dQ dP dK dH dW eje 0
dW eje
0
dQ dH dP dK
dW eje dQ dH 0
TERMODINÁMICA Procesos Con Gases Ideales Proceso Isotérmico La transformación en equilibrio que se cumple a temperatura constante se llama proceso Isotérmico p
T
1 p1
T1=T2
1
2
-Vdp Q
2
p2 pdV
V1
V2
V
S1
S2
S
TERMODINÁMICA Propiedades del Estado P oV o
PV
P f V f
Boyle-Mariotte
mRT
Ecuación de estado
Propiedades del Proceso Energía Interna
0
dU mcvdT Si T = Constante U 0
TERMODINÁMICA 0
Entalpía
dH mcpdT
Si T = Constante
H 0
Trabajo No Fluente W nf p.dV p.V . ln( 0
Calor dQ dU pdV
Q Pdv pV . ln(
V f V o
V f V o
) p.V . ln(
Q U pdV ) p.V . ln(
po p f
)
po p f
)
TERMODINÁMICA Entropía
S
dS
mR
dV V
dQ
dS
T
mR ln(
pdV
T
V f
mRdV
V
P o
) mR ln( ) V o P f
Trabajo Para el sistema de flujo estacionario dQ dP dK dH dW eje 0
dW eje
0
0
dQ dH dP dK
dW eje
dQ
TERMODINÁMICA Procesos Con Gases Ideales Proceso Isentrópico Este proceso es aquel en el cual la entropía ( S ) permanece constante, a este se lo considera como un proceso reversible y adiabático p
T 1
1 p1
p2
T1=T2
-Vdp
2
2 pdV V1
V2
V
S1
S2
S
TERMODINÁMICA Propiedades del Estado poV o
K
p * V
k
k
p f V f
V o T o V f k 1 T f P F T o P 0 T f
cte
PV
mRT
k 1
Ecuación de estado
Propiedades del Proceso Energía Interna
dU mcvdT Si cv = Constante U mcvT
U
mcv(T f T o )
TERMODINÁMICA Entalpía
dH mcpdT
Si cp = Constante
H H
mcpT
mcp(T f T o )
Trabajo No Fluente W p.dV nf
0
Calor dQ dU pdV
U pdV
p f V f poV 0 1 k
Q U pdV
mR(T f T o ) 1 k
TERMODINÁMICA Entropía
dS
0
Trabajo Para el sistema de flujo estacionario dQ dP dK dH dW eje 0 0
dW eje
0
dQ dH dP dK
W eje
H
TERMODINÁMICA Procesos Con Gases Ideales Proceso Politrópico p
T
1
T1
1
p1
-Vdp 2
p2
2
T2 Q Q
pdV
V1
V2
V
S1
S2
S
TERMODINÁMICA Propiedades del Estado poV o n
pV
n
n
p f V f
V o T o V f n 1 T f P F T o P 0 T f
cte
PV
n 1
log n log
mRT
p1 p 2 V 2
Ecuación de estado
V 1
Propiedades del Proceso Energía Interna
dU mcvdT U mcvT
U
mcv(T f T o )
Si cv = Constante
TERMODINÁMICA Entalpía
dH mcpdT
Si cp = Constante
H H
mcpT
mcp(T f T o )
Trabajo No Fluente W p.dV nf
p f V f poV 0 1 n
0
Calor dQ dU pdV
dQ
mcndT Q
C n
C v
mcn(T f T 0 )
k
n
1
n
mR(T f T o ) 1 n
TERMODINÁMICA Entropía
dS dS mcn
dQ T dT T
mcndT T mcn ln(
T f T 0
)
Trabajo Para el sistema de flujo estacionario dQ dP dK dH dW eje 0
dW eje
0
dQ dH dP dK
dW eje
Q H
TERMODINÁMICA Ciclos Comprende una secuencia de procesos que partiendo del origen y pasando por diversos puntos (estados termodinámicos) retorna a su estado inicial.
ELEMENTOS DE UN CICLO Fuente de calor: es el elemento, del cual se puede extraer el calor del ciclo (ejemplo: combustible).
Sumidero de calor: A este lugar o ambiente es a donde se arroja el calor no utilizado por la máquina térmica (ejemplo: medio ambiente, condensadores).
TERMODINÁMICA
ELEMENTOS DE UN CICLO Sustancia
de
trabajo:
Es aquel fluido compresible, que es capaz de almacenar o ceder energía del ciclo termodinámico(ejemplo: vapor de agua, aire, etc).
Motor o máquina térmica: Es aquella que es capaz de transformar el calor en trabajo o el trabajo en calor (ejemplo: turbina de vapor, motor de combustión interna, etc).
recalentador.
caldero
bombas
turbina
condensador.
TERMODINÁMICA
TRABAJO EN UN CICLO dQ
Qneto
dW
W neto
RENDIMIENTO TÉRMICO e
Produccion
Energia producida
Consumo
Energia consumida
TERMODINÁMICA RENDIMIENTO TÉRMICO e
W Neto e
Q A Q R Q A
W neto Q A
Q A 1-
Q R QA
Q R
100%
TERMODINÁMICA CICLO DE CARNOT p p1
T 1
Qa T1=T2
2
p2
2
1
Q Neto
W Neto p4
T3=T4
4
3
4 p3
3
m
V1
V4
V2
V3
V
S1=S4
Qr
n
S2=S3
S
TERMODINÁMICA CICLO DE CARNOT Proceso Isotérmico (1-2), en este proceso se suministra calor a la sustancia trabajo, el gas (sustancia de trabajo) se expande isotérmicamente. Proceso adiabático (2-3), El fluido o sustancia de trabajo se expande reversible y adiabáticamente, su presión y temperatura disminuyen. Proceso isotérmico (3-4), La máquina térmica disipa calor hacia la región de baja temperatura, el fluido se comprime reversible e isotérmicamente. Proceso adiabático (4-1), Se comprime reversible y adiabáticamente.
TERMODINÁMICA CICLO DE CARNOT Calor Admitido Trabajo Producido
Q A
T 1 S 2
W producido
S 1
mR(T 3 T 2 )
1 k
Calor Rechazado
Trabajo Consumido
Q R
T 3 S 4
W consumido
S 3
mR(T 1 T 4 ) 1 k
TERMODINÁMICA CICLO DE CARNOT W Neto
Trabajo Neto
Q A
T 1 S 2 W Neto
Eficiencia e
W Neto Q A
Q A
S 1
Q R
Q R
T 3 S 4
(T 1 T 2 )(S 2 S 1 ) (T 1 T 2 )(S 2 S 1 ) e T 1 ( S 2 S 1 )
e
(T 1 T 2 )
T 1
S 3
TERMODINÁMICA CICLO DE OTTO
TERMODINÁMICA CICLO DE OTTO Proceso Isotentropico (1-2), El fluido o sustancia de trabajo se comprime reversible y adiabáticamente. Proceso Isócoro (2-3), Admite Calor a volumen constante Proceso Isotentropico (3-4), El fluido o sustancia de trabajo se comprime reversible y adiabáticamente. Proceso Isócoro (4-1), Rechaza calor a volumen constante
TERMODINÁMICA CICLO DE OTTO Calor Admitido
Q A
Trabajo Producido
mcv(T 3 T 2 )
W producido
mR(T 4 T 3 )
1 k
Calor Rechazado
Q R
Trabajo Consumido
mcv(T 1 T 4 )
W consumido
mR(T 2 T 1 ) 1 k
TERMODINÁMICA CICLO DE OTTO W Neto
Trabajo Neto
Q A
Q A mcv(T 3 T 2 ) W Neto
mcv(T 3
Eficiencia e
W Neto
Q Ae
Q R
T 2 )
mcv(T 3
e 1
Q R
mcv(T 1 T 4 )
mcv(T 4
T 2 )
mcv(T 3
(T 4 T 1 ) (T 3 T 2 )
T 1 )
mcv(T 4
T 1 )
T 2 ) 1 k
e 1 r
TERMODINÁMICA Preguntas El aire es considerado como gas ideal con las siguientes propiedades:
TERMODINÁMICA Preguntas El volumen especifico del aire(m^3/Kg) en el estado 1 es cercano a: a) b) c) d)
0.17 0.62 0.93 1.28