Download termodinámica - Biblioteca de la UNS

Mg. Joel Herradda Villanueva
CONCEPTO:
La temperatura es aquella magnitud
física de tipo tensorial que nos indica
de un modo directo el grado de
movilidad de las moléculas de una
sustancia. Es decir es la manifestación
del grado de agitamiento molecular
Considérense dos sistemas “A” y “B” separados entre sí por un material
aislante, y puesto en contacto cada una de ellas con un tercer sistema
“C” mediante un mateial conductor.
C
A
Material aislante
Material conductor
B
Se produce una transferencia de energía entre los sistemas “A” y
“c” hasta que ambos sistemas llegen al equilibrio térmico; lo mismo
pasa con los sitemas “B” y “C”.
Es decir los sistemas “A” y ”B” alcanzan el equilibrio térmico con el
sitema “C”.
Ahora, si después de ello se ponen en contacto los sistemas “A” y
“B” mediante un material conductor.
Material conductor
Evidentemente, no se producirá más cambios, los sistemas “A” y “B”
estan a la misma temperatura, e igual a la del sistema “C”.
Es decir lo sistema “A” y “B” estan en equilibrio térmico.
La temperatura se expresa en grados, por lo general en una de las
dos escalas relativas: Celsius y Fahrenheit, o en una de las dos
escalas absolutas Kelvin o Rankine.
•
Escala Celsius: Es aquella que tiene 100 divisiones donde 0
grados y 100 grados centígrados son las temperaturas de
referencia.
•
Escala Fahrenheit: Esta tiene 180 divisiones, donde 32°F y 212°F
son las temperaturas de referencia.
•
Escala Kelvin: Esta tiene 273 divisiones desde el cero absoluto
hasta la fusión del agua y 100 divisiones entre las temperaturas
de referencia.
•
Escala Rankine: Esta tiene 492 divisiones desde el 0 absoluto
hasta la fusión del agua y 180 divisiones entre las temperaturas
de referencia
°C
°F
°K
°R
100
212
373
672
C
F
K
R
0
32
273
492
-273
-460
0
0
PE
PF
CA
PE = Punto de ebullición del agua.
PF = Punto de fusión del agua (punto triple del agua).
CA = Cero absoluto.
Nota: Se denomina cero absoluto a la temperatura a la cual
las moléculas tienden a cesar su movimiento, es decir, es el
estado de energía cinética mínima, pero no igual a cero.
OBSERVACIÓN: Si ° C, ° F, ° K y ° R son las lecturas de una misma
temperatura en las distintas escalas, se cumple la siguiente relación:
º C º F  32 º K  273 º R  492



5
9
5
9
Cuando aumentamos o disminuimos la temperatura de un cuerpo
a nivel microscópico se produce un aumento o disminución
respectivamente de la distancia promedio entre las moléculas,
efecto que en conjunto aumentan o disminuyen el tamaño de los
cuerpos.
De este modo se deduce que:
“Al calentarse los cuerpos se dilatan y al enfriarse se contraen”
DILATACIÓN LINEAL
DILATACIÓN SUPERFICIAL
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA
Tipo de dilatación que experimentan los cuerpos cuya dimensión
predominante es la longitud
∆L = Lf – Lo
∆L = Lα ∆T
Lo
∆L
Lf = L(1+ α ∆T)
∆T = Tf - To
Lf
Donde: α: coeficiente de dilatación lineal propio del material y que se
expresa en (1/° C) ó (1/° K). Además se verifica que su valor es
pequeño:
Es el tipo de dilatación que experimentan los cuerpos en donde la
superficie es la dimensión predominante. Aquí se verifica lo
siguiente:
∆S = Sf – So
∆S =Soβ ∆T
Sf = So(1+ β ∆T)
To
Tf
So
Donde: β: coeficiente de dilatación superficial.
β=2α
So
Se le llama también dilatación cúbica y viene a ser la dilatación real
que experimentan todos los cuerpos. Aquí se verifica lo siguiente:
∆V = Vf – Vo
Tf
∆V = Voθ∆T
Vf = Vo(1+θ ∆T)
To
Vo
Vf
Donde: θ = coeficiente d dilatación volumétrica
Θ=3α
• Si un cuerpo se dilata, sus dimensiones
internas también se dilatan.
• Si se incrementa la temperatura de un
cuerpo, la distancia entre dos puntos
específicos del cuerpo aumenta según el
fenómeno de la dilatación lineal.
CONCEPTO:
Cuando expusimos los fundamentos de la ley cero de
la termodinámica intuimos la existencia de una
forma especial de energía que se transmite desde un
cuerpo de alta temperatura hacia un cuerpo de baja
temperatura otras veces de una pérdida de energía
vibratoria de las moléculas de cuerpo de alta
temperatura, y que ganaban las moléculas de bajas
temperaturas, es a esta energía a la que llamamos
calor, y que solo existe como energía en transito
entre cuerpo que mantienen una diferencia de
temperaturas.
El calor procede de una energía no almacenable se mide por los
efectos que produce; de este modo se establecieron las siguientes
unidades.
Caloría: (cal) representa la cantidad de calor que debe ganar un
gramo de agua para elevar su temperatura 1ºC. De 14,5ºC a 15,5 ºC
Kilocaloría: (kal) es la cantidad de calor que debe ganar o perder un
kilogramo de agua para elevar o disminuir su temperatura en 1° C.
1kcal = 1000cal
Por convenio internacional la caloría se define en la actualidad como
1/860 watio-hora.
Como el calor es una forma de energía, también se mide en Jouls
1 cal = 4,186 J (equivalente mecánico del calor)
Es la magnitud física escalar que nos indica la cantidad
de calor que debe ganar o perder un cuerpo para elevar
o disminuir su temperatura en un grado
Es la magnitud escalar que expresa una característica propia
de cada sustancia que nos indica la cantidad de calor (Q) que
un cuerpo debe de ganar o perder para que su unidad de masa
aumente o disminuya su temperatura en un grado.
dQ
)
dQ
dt
C

m
mdt
(
dQ  mcdt
Integrando se tiene :
t2
Q  m  Cdt
t1
t2
Q  mc  dt  mc(t 2  t1 )
t1
Q  mct
Muchas veces es muy útil emplear como unidad de masa el
mol_gramo. Un mol_gramo es un numero igual al peso molecular
M.
Para calcular el numero de moles M, se divide la masa en gramos
por el peso molecular.
m
n
M
dQ
c
mdt
dQ
C  Mc 
(capacidad calorifica molar)
ndt
La capacidad calorífica molar medida a presión cte, para
todos los metales excepto los muy ligeros, es
aproximadamente la misma e igual a 6 cal/mol°c
• EL CALORIMETRO: Es un recipiente que se usa para
calcular calores específicos, el interior de
este
recipiente se encuentra aislado convenientemente con
el propósito de evitar perdidas de calor.
el calorímetro contiene agua cuya masa se ha medido
previamente, y un termómetro sumergido en él, que
mide la temperatura.
Para calcular el calor especifico de una sustancia se
toma una muestra de dicha sustancia y se calienta
evitando que alcance temperaturas altas, porque
cambiara de fase en el agua del calorímetro, se mide la
temperatura y se introduce en el calorímetro para
después medir la temperatura de equilibrio.
En un calorímetro de plomo cuya masa es
de 200gr y que se encuentra a 20°C, se
coloca 50gr de agua a 40°C y se añade
60gr de agua a 80°c. determinar la
temperatura del equilibrio térmico.(Ce
pb=0.03 cal/g°c)
20°c
40°c
T
m pb  200 gr mH O  50 gr
2
80°c
mH 2O  60 gr
Ce pb  0.03cal / g c
por conservaci ón del calor :
 Qi  0
Q1  Q2  Q3  0
m pbCe pb (T  20)  mH 2O CeH 2O (T  40)  mH 2O CeH 2O (T  80)  0
(200)(0.03)(T  20)  (50)(1)(T  40)  (60)(1)(T  80)  0
T  59.6c
• FASE: Es estado de una sustancia que tiene
constitución física homogénea y su composición
química permanece inalterable.
En la naturaleza pueden existir como fase
liquida, fase sólida, vapor.
• CAMBIOS DE FASE: Es aquel fenómeno físico
que consiste en el reordenamiento molecular,
que
experimenta
una
sustancia
como
consecuencia de la ganancia o perdida de calor
bajo determinadas condiciones, de presión y
temperatura.
Líquido
Sólido
Vapor
• FUSIÓN: Es el cambio de la fase sólida ala fase liquida.
• TEMPERATURA DE FUSIÓN (Tf): Es la temperatura
alcanzada por un cuerpo en la cual está en condiciones de
cambiar de la fase sólida a fase liquida. La temperatura de
fusión depende de la presión ejercida sobre el cuerpo.
L 
Q
m
• CALOR LATENTE: Es el calor por unidad de masa que se
debe de entregar a una sustancia para que cambie de fase.
El calor latente representa la cantidad de calor que debe
recibir 1 kg de una sustancia cuando se encuentra a su
temperatura de fusión para pasar de la fase sólido a la fase
liquido, para el hielo el calor latente de fusión es
L  80cal / gr
• SOLIDIFICACIÓN: Es el proceso inverso a la
•
fusión es decir, es el cambio de fase liquida a
fase sólida esto ocurre en las mismas
condiciones de presión y temperatura de la
fusión.
CALOR LATENTE DE SOLIDIFICACIÓN (Ls): Es
la cantidad de calor que se debe extraer a cada
unidad de masa de la sustancia para cambiar de
fase liquida a fase sólida.
L f  Ls
• VAPORIZACIÓN: Se define como el proceso de
cambio de fase liquida a vapor.
• CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (Lv): Es
el calor que se debe entregar a cada unidad de
masa de la sustancia liquida.
El calor latente de vaporización de agua a una
atm de presión es:
Lv  540cal / gr
• CONDENSACIÓN: Es el proceso inverso a la
vaporización. Ocurre a la misma temperatura
de ebullición.
• CALOR LATENTE DE CONDENSACIÓN (Lc): Es
la cantidad de calor que se debe quitar a 1gr
de vapor de una sustancia para cambiarla a la
fase liquida cuando se encuentra a su
respectiva temperatura de condensación o
vaporización.
Lv  Lc
• CANTIDAD DE CALOR LATENTE: Es la cantidad
de calor que recibe o pierde una sustancia
durante el proceso de cambio de fase.
Q  mL
m = masa de cambio de fase
L = Lv (si se tiene vaporización o condensación)
L = Lf (si se tiene fusión o solidificación)
Se tiene 20gr de hielo a -10°c ¿Cuánto de
calor es necesario entregar para convertir
el hielo en vapor a temperatura de 150°C?
Ce hielo = 0.5cal/g°C
Ce vapor = 0.5cal/g°C
-10°c
0°c
100°c
150°c
M hielo = 20gr
Análisis de calor
Q1: calor sensible necesario para calentar el hielo desde -10°c hasta 0°c
Q1 = m hielo Ce hielo (0- (-10))
Q1 = (20)(0.5)(10)
Q1 = 100cal.
Q2: calor latente de fusión necesaria para derretir el hielo a 0°c (Lf=80cal/gr)
Q2 = mLf
Q2 = (20)(80)
Q2 = 1600cal
Q3 = calor sensible necesaria para calentar el agua desde 0°c hasta
100°c
Q3 = mCe(100-0)
Q3 = (20)(1)(100)
Q3 = 2000cal
Q4 = calor latente de vaporización necesaria para vaporizar todo el agua
a 100°c
(Lv=540cal/gr)
Q4 = mLv
Q4 = (20)(540)
Q4 = 10800cal
Q5 = calor sensible necesario para calentar el vapor desde 100°c hasta
150°c
Q5 = mCe (150-100)
Q5 = (20)(0.5)(50)
Q5 = 500cal
El calor necesario total será:
Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=15000cal
Se mezclan 5gr de hielo a 0°C con 45gr
de agua a 10°C ¿Qué cantidad de energía
gana el hielo cuando el sistema se
estabiliza?
0°c
mhielo  5gr
T
10°c
mH 2O  45 gr
Cuando el sistema se estabiliza se cumple que:
 Qi  0
Q1  Q2  Q3  0
(mhieloL f  mL CeL T )  mH 2O CeH 2O T  0
(5)(80)  (5)(1)(T  0)  (45)(1)(T  10)  0
400  5T  45T  450  0
T  1c
Cuando la temperatura del equilibrio T=1°C,
entonces la cantidad de calor que gana el hielo
es:
QT  Q1  Q2
QT  mhielo L f  mL CeL T
QT  (5)(80)  (5)(1)(1)
QT  405cal
MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DECALOR
El calor se define como la forma de energía que se puede transferir en
forma natural de un sistema a otro como resultado de la diferencia de
temperatura.
CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
Mecanismos de
transmisón de calor
Conducción: transferencia de energía
desde cada porción de materia a la
materia adyacente por contacto
directo, sin intercambio, mezcla o
flujo de cualquier material.
Convección: transferencia de
energía mediante la mezcla íntima
de distintas partes del material: se
produce mezclado e intercambio de
materia.
Convección natural: el
origen del mezclado es la
diferencia de densidades que
acarrea una diferencia de
temperatura.
Convección forzada: la causa
del mezclado es un agitador
mecánico o una diferencia de
presión (ventiladores,
compresores...) impuesta
externamente.
Radiación: transferencia de energía mediada por ondas
electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas
por los cuerpos fríos.
38
Transferencia de calor por conducción
Colisiones y
difusión de
moléculas
Interacción
de partículas
sólidos
Vibración de
moléculas
líquidos
gases
39
Conducción
Ley de Fourier: determinación del flujo de calor
(Estado estacionario)
Q x
X
Calor difundido
por unidad de
tiempo
Conductividad térmica (W·m-1·grado -1):
calor que atraviesa en la dirección x un
espesor de 1 m del material como
consecuencia de una diferencia de 1
grado entre los extremos opuestos
dT
Q x  kA
dx
Gradiente de
temperatura (grados/m):
variación de la
temperatura en la
dirección indicada por x.
Superficie (m2): superficie
a través de la cual tiene
lugar la transmisión de
calor
40
Ecuación para la conducción del calor
dT

Q  k A
dx
[W ]
Que se conoce como ley de Fourier de
conducción
de
calor.
El
calor
es
conducido
en
la
dirección
de
la
temperatura decreciente, y el gradiente
de temperatura se vuelve negativo cuando
la temperatura disminuye con x creciente.
Ecuación para la conducción del calor
dT

Q  k A
dx
[W ]
Conductividades térmicas de algunos materiales
a temperatura ambiente
Material
Vapor de agua
Aire
Agua líquida
Mercurio
Espuma de poliestireno
Papel
Vidrio
Hielo
Plomo
Acero
Aluminio
Cobre
La conductividad
térmica cambia
con el estado de
agregación
-1
-1
K
k (W·m ·K )
0.025
0.026
0.61
8.4
0.036
0.13
0.35-1.3
2.2
34
45
204
380
Malos conductores
Buenos conductores
... pero la capacidad de transporte de calor no depende sólo de la conducción
43
EJEMPLO 1:
CONDUCCIÓN DEL CALOR (Placa plana)
Integración de la ecuación de Fourier
Conductividad térmica
A
Área
Espesor
Calor transferido en el tiempo t
Q

Q
t
44
Cálculo del flujo de calor a través del tabique de una habitación, de 34 cm
de espesor, siendo las temperaturas interior y exterior de 22 ºC y 5 ºC
respectivamente. Tómese como valor de la conductividad k = 0.25 W·m-1·K
Gradiente de temperaturas
dT Tdentro  T fuera 22  5


 50 K  m 1
dx xdentro  x fuera
0.34
Tdentro
Gradiente de temperaturas constante 
 la temperatura varía linealmente
Densidad de flujo
Q
dT
 k
 0.25  50  12.5 W  m 2
S
dx
Gradiente de temperaturas constante 
 densidad de flujo constante
dT
dx
Q x
S
Tfuera
0.34 m
xfuera
xdentro
45
Resistencias térmicas
Cuando el calor se transfiere a través de una pared aparece una
resistencia a la conducción
T T
Q
T T
T T
T
 k 2 1   2 1   2 1 
R
x/k
A
x
R
T2
T1
Conductividad
Resistencia térmica en W-1·m2·K
Similitud con circuitos eléctricos
x
I
R
V0
I =
Vo
R
V0
I
R
Q T

A R
46
Ejemplo. Resistencias en serie
R1
R2
R1
R2
Resistencia equivalente = suma de resistencias
Ejemplo
Calcúlese la resistencia térmica de la pared de un
refrigerador, formada por tres capas de material,
cuyos espesores son, de dentro afuera 2 cm, 10
cm y 3 cm. Las conductividades térmicas de los
tres materiales son, respectivamente, 0.25, 0.05 y
10
2
0.20 W· m-1 ·K-1.
x 0.02
R1  1 
 0.08 W-1·m2·K
Resistencias en serie
k1 0.25
R2 
x2 0.10

 2.00 W-1·m2·K
k2 0.05
R3 
3
(cm)
R  R1  R2  R3  2.23 W-1·m2·K
x3 0.03

 0.15 W-1·m2·K
k3 0.20
47
CONVECCIÓN
• La convección es un fenómeno
de transporte (materia y
energía) que tiene su origen en
diferencias de densidad.
• Cuando un fluido se calienta, se
expande; en consecuencia su
densidad disminuye.
• Si una capa de material más fría
y más densa se encuentra
encima del material caliente,
entonces el material caliente
asciende a través del material
frío hasta la superficie.
• El material ascendente disipará
su energía en el entorno, se
enfriará y su densidad
aumentará, con lo cual se
hundirá reiniciando el proceso.
48
Transferencia de calor por convección
• La convección es el modo de transferencia
de energía entre una superficie sólida y
líquido o gas adyacente que está en
movimiento, y tiene que ver con los
efectos combinados de conducción y
movimiento del fluido: mientras más rápido
sea éste mayor es la transferencia de calor
por convección.
Q conv  h  A (Ts  Tamb ) [ W]
49
Ley de enfriamiento de Newton
Coeficiente de
convección
Superficie de
intercambio
Q  hA(T  T )  hA  T
Temperatura del fluido libre
Temperatura superficial
T
fluido libre
Capa límite
T
T
superficial
50
Transferencia de calor
por convección
Q conv  h  A (Ts  Tamb ) [ W]
51
Valores típicos del coeficiente de convección
Convección libre en aire
Convección libre en agua
Convección forzada en aire
Convección forzada en agua
Agua hirviendo
Vapor condensando
h (Wm-2K-1)
5-25
500-1000
10-500
100-15000
2500-25000
5000-100000
52
Transferencia de calor por radiación
-
Las energías radiantes
podemos mencionar:
Los rayos cósmicos
Rayos x
Rayos gama
Rayos ultravioleta
La luz visible
Rayos infrarrojos
Ondas de radio
4
4

Q      A(Ts  Trec ) [ W]
 ; emisividad de la superficie
  5.67x 10 -8 [W/m 2 K 4 ]constante de Stefan - Boltzmann
Es la ciencia que analiza las leyes de la transferencia de
energía y el estudio de las propiedades de las sustancias
involucradas.
CONCEPTOS PREVIOS
SISTEMA TERMODINÁMICO
Es aquella región del espacio que se va a seleccionar para
analizar los fenómenos que ocurren en él.
Un sistema termodinámico es:
Sistema Cerrado
Sistema Abierto
Cuando no existe transferencia de masa entre el
sistema y sus alrededores o ambiente.
El Sistema Cerrado a su vez puede ser:
Sistema Aislado
límite o
frontera del
sistema
Sistema Adiabático
Sistema Cerrado
m=cte
Es un sistema cerrado incapaz de
interactuar energéticamente con el medio
que lo rodea, es decir, no intercambia calor,
masa, trabajo con el medio circundante
Es un sistema cerrado que se caracteriza por
ser impermeable al calor fundamentalmente,
es decir, no admite ni emite calor a través de
su límite o frontera.
Q=0
Sistema Adiabático
Es aquel que intercambia masa con el medio que lo
rodea a través de su límite o frontera.
Ejemplo:
El motor de un automóvil, una bomba de agua, una
turbina, etc.
Un sistema se encuentra en equilibrio
termodinámico con su medio interior cuando no
hay transferencia energética que altere sus
propiedades termodinámicas, o sea, no hay
cambio de estado
Sucede cuando entre sistemas y su medio exterior no
hay transferencia de calor. Esto se observa cuando
las temperaturas son iguales
Permítase que un sistema cambie de un estado inicial i aun estado
final de equilibrio f, en un camino determinado, siendo Q el calor
absorbido por el sistema y W el trabajo hecho por el sistema.
Después calculamos el valor de Q-W. A continuación cambiamos el
sistema desde el mismo estado i hasta el estado final f, pero en
esta ocasión por un camino diferente, lo, hacemos una y otra ves,
usando diferentes caminos en cada caso encontramos que en
todos los intentos Q-W es la misma.
Esto es, que aunque Q y W separadamente dependen del camino,
Q-W no depende, en lo absoluto, de cómo pasamos el sistema del
estado i hasta el estado f, sino solo de los estados inicial y final (de
equilibrio).
Del estudio de la mecánica conocemos, que cuando un objeto se
mueve de un punto inicial a otro final , en un campo gravitacional
en ausencia de fricción, el trabajo hecho depende solo de las
posiciones de los puntos inicial y final y no, de la trayectoria por
la que el cuerpo se mueve.
De esto concluimos que hay una energía potencial, función de
las coordenadas espaciales del cuerpo, cuyo valor final menos
su valor inicial, es igual al trabajo hecho al desplazar el cuerpo.
Ahora, en la termodinámica, encontramos experimentalmente,
que cuando en un sistema ha cambiado su estado, la cantidad
de energía depende solo de las coordenadas inicial y final y no,
en absoluto, del camino tomado entre estos puntos extremos.
Concluimos que hay una función de las coordenadas
termodinámicas, cuyo valor final, menos su valor inicial es igual
al cambio en el proceso. A esta función le llamamos FUNCION
DE LA ENERGIA INTERNA.
Representemos la función de la energía interna por la letra U .
Entonces la energía interna del sistema en el estado f, Uf , es
solo el cambio de energía interna del sistema, y esta cantidad
tiene un valor determinado independientemente de la forma en
que el sistema pasa del estado i al estado f: Tenemos entonces
que:
U  U f  U i
U  Q  W
Como sucede para la energía potencial, también para la energía
interna, lo que importa es su cambio. Si se escoge un valor arbitrario
para la energía interna en un sistema patrón de referencia, su valor
en cualquier otro estado puede recibir un valor determinado.
Esta ecuación se conoce como la Primera Ley de la Termodinámica
al aplicarla debemos recordar que Q se considera positiva cuando el
calor entra al sistema y que W será positivo cuando el trabajo lo hace
el sistema.
A la función interna U, se puede ver como muy
abstracta en este momento.
En realidad, la TERMODINAMICA clásica no ofrece una
explicación para ella, además que es una función de
estado que cambia en una forma predecible. ( Por
función del estado, queremos decir, que exactamente, su
valor depende solo del estado físico del material: su
constitución, presión, temperatura y volumen)
La primera
ley de la termodinámica, se convierte
entonces en un enunciado de la ley de la conservación
de la energía para los sistemas termodinámicos.
La energía total de un sistema de partículas, U cambia
en una cantidad exactamente igual a la cantidad que se
le agrega al sistema, menos la cantidad que se le quita.
Podemos expresar la primera ley en palabras diciendo: Todo
sistema termodinámico en un estado de equilibrio , tiene una
variable de estado llamada energía interna U cuyo cambio dU
en un proceso diferencial está dado por la ecuación.
dU  dQ  dW
La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de
la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en
otro.
Decimos que si un sistema esta en estado de equilibrio cuando
podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de
parámetros constantes del sistema como presión, volumen
temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue
verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un
estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son
ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos
aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete
en un tambor de acero cerrado.
Esta
ley
experimental
axiomática
nos
permite
analizar
cualitativamente los proceso o transformaciones de la energía; esta
ley servirá para definir la posibilidad de realización de un proceso
termodinámico y sus limitaciones físicas reales. La segunda ley de la
termodinámica será determinante para afirmar la validez de un
proceso termodinámico cualquiera y la importancia de producir un
trabajo efectivo .
ES IMPOSIBLE CONSTRUIR UNA MÁQUINA QUE OPERANDO EN
CICLOS TRANSFORME TODO EL CALOR QUE SE LE SUMINISTRA EN
TRABAJO MECÁNICO ÚTIL.
Es aquel dispositivo que para su operación continua
requiere de una fuente y un sumidero, la maquina térmica
es el dispositivo mecánico que se encarga de transformar la
energía calorífica que se le transfiere en energía mecánica.
Ejemplo:
Los motores de combustión interna (petróleo, gasolina) las
turbinas a vapor, los turbo compresores.
Un ejemplo típico de maquinas térmicas lo constituye la
planta de generación de vapor.
Qa
caldera
Turbina
Ws
T°c
Qb
condensador
We
B
bomba
DONDE:
Qa: cantidad de calor suministrado al vapor en la
caldera de una fuente de alta temperatura
Qb: cantidad de calor liberado del vapor en el
condensador en un sumidero de baja temperatura
WS: cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando
se expande en la turbina
We: cantidad de trabajo requerido para comprimir el
agua a la presión de la caldera.
El
vapor
procedente
del
caldero
se
expande
adiabáticamente en la turbina desarrollando trabajo ,hasta
una presión mucho menor. En el condensador el vapor disipa
calor a transformarse en liquido
Puesto que la presión en este es mucho menor que la
presión en el caldero ,una bomba incrementa la presión del
liquido para introducirlo a este requiriéndose un trabajo
negativo para ello.
Mediante la adición de calor en el caldero el liquido se
vaporiza y va nuevamente ala turbina completándose así el
ciclo termodinámico mostrado.
La máquina térmica (TURBINA) tiene por objetivo
transformar el calor en trabajo y también se le denomina
maquina de potencia y a su ciclo ciclo de potencia
MÁQUINA TÉRMICA
Fuente
“T>”
Donde :
Qa
MT
Qb
Sumidero
“T<”
Wn
Qa=Wn+Qb
Wn=Qa-Qb
Es aquel foco térmico en el cual se desfoga el calor
previamente utilizado, normalmente recepciona calor. Su
temperatura siempre es menor que la temperatura de la fuente
Ejemplo:
Los condensadores camisetas de agua, etc.
Es aquel foco térmico que transfiere calor a la sustancia de
trabajo
Ejemplo
Generadores de vapor, calderos, hornos, etc
Es aquel sistema de masa inmensamente
grande el cual se le puede sustraer o
entregar calor sin que su temperatura
experimenta notable cambios.
REPRESENTACION ESQUEMÁTICA DE UNA MAQUINA
TERMICA
Fuente
Caldero horno
“Ta”
Qa
MT
Donde observamos :
Qa=Wn+Qb
Qb
candensador
Wn
Sumidero
“Tb”
Wn=Qa-Qb
Es un ciclo teórico, que lo efectúan las máquinas reversibles con
un gas perfecto. Este ciclo denominado de máxima eficiencia, está
compuesto por:
a) Dos procesos isotérmicos reversibles
b) Dos procesos adiabáticos reversibles
Denominados gases pérfectos ,son los que tienen las siguinetes
caracteristicas ideales
- Se considera que las moleculas tiene dimensiones despreciables.
- Se considera que las interaccion entre moleculas no existen.
- Se consideran que los choques que realizan contra las paredes del
recipiente que lo contiene son elasticos.
-Las propiedades tremodinamicas P,V,T necesarias para definir el estado
termodinamicodel gas ideal se relaciona con la ecuacion de estado.
Pv= nRT
P: Presión absoluta (N/ m2 = Pa)
V: Volumen del gas (m3)
n: N° de moles del gas ideal (mol)
R: cte. Universal de los gases ideales
R = 8.31 J / mol °K
T: Temperatura absoluta del gas
La cantidad de calor necesaria para el calentamiento o enfriamiento de
un gas depende de la alternativa:
a) A volumen cte.
b) A presión cte.
Es la cantidad de calor que necesita un mol de un gas para que su
temperatura varie en una unidad de grado manteniendo cte. su volúmen
Gas
Qv
Cv = Qv / n T
Qv = n C c T
Qv = n Cv ( Tf – To)
Donde:
n: N° de moles
T: Variación de temperatura del gas
Qv: Calor suministrado a volumen cte.
Los topes colocados en un cilindro que encierra el gas impide
que el volumen varíe.
Es la cantidad de calorque necesita un molde un gas ideal para que su
temperatura varíe en una unidad de grado sin que varie su presión.
Gas
Qp
Cp = Qp / n T
Qp = n C c T
c L
Qp = n Cp ( Tf – To)