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Termodinámica Técnica
2017
Programa Analítico de: TERMODINÁMICA TÉCNICA
Especialidad: INGENIERIA ELECTROMECANICA
Nivel: Tercer año.
UNIDAD
CONTENIDOS
IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA
1. 1
Termodinámica y Energía. Origen de la termodinámica. Las primeras máquinas
térmicas. Breve reseña histórica. Modernas aplicaciones de la termodinámica.
1. 2
Definiciones: Sistema, Medio Ambiente, Límites del sistema, Universo
Termodinámico. Criterios de enfoque. Clasificación de Sistemas y Límites.
Concepto y definición de equilibrio termodinámico.
1. 3
Propiedades, parámetros, estado, evolución. Clasificación de propiedades.
Clasificación de evoluciones o transformaciones.
I
1. 4
1.5
II
III
Energía y potencia. Definiciones y unidades. Formas de energía. Energía en
transferencia y energía contenida.
Principio Cero de la Termodinámica. Transmisión del calor. Conducción.
Convección. Radiación. Unidades más usuales en Termodinámica.
PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS
2.1
Definición y comportamiento. Diagramas pv; pT y Tv de una sustancia pura.
Superficie pvT de la sustancia pura. Postulado de estado.
2.2
Estados de agregación: Fase vapor, Fase líquida y Fase sólida. Vapor saturado,
vapor saturado húmedo, vapor sobrecalentado, líquido saturado, líquido
comprimido. Fluidos supercríticos
2.3
Presión de vapor, temperatura de saturación. Título o calidad de un vapor
húmedo.
2.4
Tablas de propiedades de las sustancias puras.
3.1
GASES IDEALES, REALES, MEZCLAS
El gas ideal o perfecto. Ecuación de estado para los gases ideales. Superficie de
estado para el gas ideal.
1.
Termodinámica Técnica
2017
3.2
Mezclas de gases ideales. Leyes de Amagat y Dalton. Propiedades de una
mezcla de gases ideales.
3.3
El gas real. Ecuación de Van der Waals. Otras ecuaciones de estado para gases
reales. Ley de los estados correspondientes. Factor de compresibilidad.
3.4
Mezclas de gases reales. Propiedades de las mezclas de gases reales. Parámetros
pseudocríticos y pseudoreducidos. Factor de compresibilidad de una mezcla de
gases reales. Regla de Kay.
CALOR. TRABAJO. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
PARA SISTEMAS CERRADOS
IV
4.1
CALOR Definición. Breve reseña histórica. Concepto. Capacidad calorífica.
Calor específico. Calor específico verdadero o instantáneo, calor específico
medio, variabilidad de los calores específicos. Cálculo de los calores
intercambiados entre sistema y medio ambiente. Signos. Tablas. Principio Cero
de la Termodinámica. Transmisión del Calor. Conducción. Convección.
Radiación.
4.2
TRABAJO Definición. Concepto. Cálculo del trabajo transferido entre sistema y
medio para distintos tipos de sistemas. Representación gráfica. Signos.
4.3
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Su enunciación
experimental. Formulación matemática para un sistema cerrado. Energía Interna
y energía total.. Propiedades. Energía Interna de un gas ideal. Aplicación del
primer principio para distintos tipos de evoluciones. Balance de energía de un
sistema cerrado. Simplificaciones para sistemas en estado estacionario, procesos
adiabáticos, procesos isocóricos, etc.
PRIMER PRINCIPIO PARA SISTEMAS ABIERTOS
V
5. 1
Trabajo de circulación
5. 2
Entalpía. Propiedades. Entalpía para un gas ideal.
5. 3
Balance de energía para sistemas abiertos. Simplificaciones para sistemas en
estado estacionario, procesos adiabáticos, procesos isocóricos, etc. Aplicación
del primer principio para sistemas abiertos a distintos dispositivos comunes en
ingeniería. Caldera, tobera, turbina, compresor, recipiente que se llena,
recipiente que se vacía, etc.
2.
Termodinámica Técnica
2017
5.4
5.5
VI
Transformaciones cuasiestáticas de sistemas constituidos por un gas ideal.
Móvil perpetuo de primera especie
6.1
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Generalidades. Enunciados. Reversibilidad e irreversibilidad en distintos
procesos. Generalización a las transformaciones reales.
6.2
Ciclos reversibles. Ciclo de CARNOT. Escala de temperaturas absoluta
6.3
Máquina térmica y frigorífica reversible. Rendimiento del Ciclo de Carnot.
Teorema de CARNOT sobre el rendimiento de las máquinas térmicas.
Corolarios del teorema de CARNOT.
ENTROPÍA
7. 1
Teorema de CLAUSIUS. Formulación matemática del Segundo Principio.
7. 2
Entropía. Propiedades. Entropía para procesos ideales y reales. Entropía e
irreversibilidad. El segundo principio como Principio de Aumento de la
Entropía. Balance de entropía en sistemas cerrados y abiertos. La entropía como
probabilidad de estados termodinámicos. Cálculo de la Entropía para gases
ideales. Móvil perpetuo de segunda especie
7. 3
Diagramas entrópicos para gases ideales y vapores. Aplicaciones.
VII
VIII
8.1
EXERGÍA
Concepto y definiciones. Importancia. Determinación de la Exergía de una
fuente térmica y de un cuerpo respecto de la atmósfera. Casos particulares.
8.2
Exergía de un sistema cerrado.
8.3
Exergía de un sistema abierto en flujo estable.
8.4
Balance de exergía en sistemas cerrados y abiertos. Rendimiento exergético de
las instalaciones.
CICLOS DE MOTORES DE GAS
9. 1
Nociones elementales sobre combustibles y combustión. Definición de poder
calorífico de un combustible.
3.
Termodinámica Técnica
2017
IX
9. 2
Estudio termodinámico de los ciclos ideales de aire y teóricos de aire
combustible. Determinación del rendimiento térmico y aplicaciones.
9.3
Ciclo OTTO. Ciclo DIESEL. Ciclo MIXTO, SEMIDIESEL o SABATHE. Ciclo
BRAYTON. Aplicaciones de en potencia y aeronáuticas. Representación en los
planos p-v y T-s.
CICLOS DE MÁQUINAS DE VAPOR
X
10.1
Ciclo de Carnot para fluidos condensables. Rendimiento del ciclo y relación de
trabajo.
10.2
Ciclo de Rankine. Instalación necesaria para describirlo. Rendimiento
termodinámico. Mejoras que se introducen para aumentar su eficiencia. Ciclo
con sobrecalentamiento. Ciclo con doble expansión y recalentamiento
intermedio. Ciclo regenerativo. Ciclo con extracciones múltiples.
Representación gráfica en el diagrama T - s y h - s.
11.1
XI
11.2
CICLOS DE REFRIGERACIÓN O FRIGORÍFICOS
Ciclos frigoríficos con dos y tres fuentes térmicas. Bomba de calor. Ciclo
inverso de Carnot. Efecto frigorífico y efecto calorífico. Coeficiente de efecto
frigorífico y calorífico. Ciclo en régimen seco.
Mejoras para aumentar la eficiencia. Ciclo con doble compresión y refrigeración
intermedia. Ciclo con subenfriamiento o de doble expansión.
AIRE HÚMEDO
XII
12.1
Definición y usos. Composición. Propiedades que lo definen. Humedad
absoluta. Humedad absoluta máxima. Grado de saturación. Presión relativa.
Entalpía. Temperatura de bulbo húmedo. Psicrómetro. Temperatura de
saturación adiabática. Temperatura de rocío.
12.2
Diagrama Psicrométrico. Diagrama entálpico.
12.3
Procesos con aire húmedo. Mezclas de aire húmedo.
4.
Termodinámica Técnica
2017
PROGRAMA DE EXÁMEN:
BOLILLA I:
El gas real. Ecuación de Van der Waals. Ley de los estados correspondientes. Balance de energía para
sistemas abiertos. Aplicación para distintos dispositivos comunes en ingeniería: Caldera, tobera,
turbina, compresor, intercambiador de calor. Mejoras para aumentar la eficiencia en un ciclo de
refrigeración. Ciclo con doble compresión y refrigeración intermedia. Ciclo con subenfriamiento o
de doble expansión.
BOLILLA II:
Formas de Transmisión del calor. Criterios de enfoque. Vapor saturado, vapor saturado húmedo, vapor
sobrecalentado, fluido supercrítico. Mezclas de gases ideales. Leyes de Amagat y Dalton. Primer Principio
para sistemas cerrados: Simplificación para estado estacionario, proceso adiabático, proceso isocórico. Ciclo
de Carnot. Representación para un fluido condensable y para un gas. Teorema de CARNOT sobre el
rendimiento de las máquinas térmicas. Principios o Corolarios del Teorema de CARNOT. Determinación
de la Exergía de una fuente térmica.
BOLILLA III:
Diagramas pv; pT y Tv de una sustancia pura. El gas ideal o perfecto. Ecuación de estado para los gases
ideales. Calor: Definición. Concepto. Capacidad calorífica. Calor específico. Energía Interna de un gas ideal.
Cálculo de la Entropía para gases ideales. Estudio completo del ciclo OTTO. Ciclos frigoríficos con dos y
tres fuentes térmicas. Aire húmedo: Definición y usos. Composición. Propiedades que lo definen. Diagramas
BOLILLA IV:
Ecuaciones de estado para gases reales. Entalpía: Propiedades. Entalpía de los gases ideales. Segundo
Principio de la Termodinámica: Generalidades. Enunciados. Rendimiento exergético de las instalaciones.
Poder calorífico de un combustible. Ciclo de Rankine. Instalación necesaria para describirlo. Rendimiento
termodinámico del ciclo, y estrategias para su mejora. Ciclo de refrigeración con doble compresión y
refrigeración intermedia.
BOLILLA V:
Tablas de propiedades de las sustancias puras. Parámetros pseudocríticos y pseudoreducidos. Factor de
compresibilidad de una mezcla de gases reales. Formulación matemática del Primer Principio para un sistema
cerrado. Aplicación a distintos sistemas. Entalpía para un gas ideal. Entropía e irreversibildad. Exergía:
Concepto y definiciones. Importancia. Balance de exergía para sistemas cerrados y abiertos. Estudio
completo de un Ciclo DIESEL. Ciclo de vapor regenerativo. Ciclo con extracciones múltiples. Ciclo inverso
de Carnot. Efecto frigorífico y efecto calorífico. Entalpía del aire húmedo.
5.
Termodinámica Técnica
2017
BOLILLA VI:
Superficie pvT de la sustancia pura, líquido saturado, líquido comprimido. Mezclas de gases reales. Factor de
compresibilidad. Calor específico verdadero o instantáneo, calor específico medio. Entropía: Teorema de
CLAUSIUS. Formulación matemática del Segundo Principio. Estudio completo del Ciclo MIXTO,
SEMIDIESEL o SABATHE. Ciclos de maquinas de vapor: Ciclo de Carnot para fluidos condensables.
Rendimiento del ciclo y relación de trabajo. Máquinas frigoríficas: Coeficiente de efecto frigorífico y
calorífico.
BOLILLA VII:
Presión de vapor, temperatura de saturación. Propiedades de las mezclas de gases reales. Parámetros
pseudocríticos y pseudoreducidos. Factor de compresibilidad de una mezcla de gases reales. Regla de Kay.
Variabilidad de los calores específicos. Entropia. Propiedades. Entropía para procesos ideales y reales.
Balance de entropía para sistemas cerrados y abiertos. Entropía de gases ideales. Exergía de un sistema
cerrado. Mejoras que se introducen para aumentar la eficiencia de un ciclo de RANKINE. Ciclo frigorífico en
régimen seco. Mejoras para aumentar la eficiencia. Humedad absoluta. Humedad absoluta máxima. Grado de
saturación. Presión relativa.
BOLILLA VIII:
Propiedades de las Sustancias Puras: Definición y comportamiento. Postulado de estado. Superficie de estado
para el gas ideal. Reversibilidad e irreversibilidad en distintos procesos. Generalización a las
transformaciones reales. Exergía de un sistema abierto en flujo estable. Estudio completo del Ciclo
BRAYTON. Representación en los planos p-v y T-s. Ciclo RANKINE con doble expansión y
recalentamiento intermedio. Temperatura de bulbo húmedo. Psicrómetro. Temperatura de saturación
adiabática. Temperatura de rocío.
BOLILLA IX:
Propiedades de una mezcla de gases ideales. El segundo principio como Principio de Aumento de la Entropía.
Escala de temperaturas absoluta. Diagramas entrópicos para gases ideales y vapores. Aplicaciones. Ciclo
frigorífico con subenfriamiento o de doble expansiónProcesos con aire húmedo. Diagrama Psicrométrico.
Diagrama entálpico. Mezclas de aire húmedo.
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
TERMODINÁMICA – YUNUS CENGEL - MICHAEL A. BOLES MCGRAWHILL
FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA- M.J MORAN, H.N SHAPIRO. WILEY
TERMODINÁMICA - KENNET WARK - DONALD E. RICHARDS . MC GRAWHILL
TERMODINÁMICA - KENNET WARK JR MC GRAWHILL
INGENIERÍA TERMODINÁMICA - J.B.JONES - R.E. DUGAN. PRENTICE HALL
TERMODINÁMICA TÉCNICA - PEDRO FERNÁNDEZ DÍEZ, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
6.
Termodinámica Técnica
2017
LISTADO DE TRABAJOS PRACTICOS
TRABAJO PRÁCTICO Nº 1: SUSTANCIAS PURAS
Se resolverán problemas previamente seleccionados con aplicación a sustancias puras de uso común en
ingeniería, mediante la utilización de tablas de propiedades, determinando valores de Psat, Tsat, vsat, condición
del sistema y cálculo de calidad de un vapor húmedo.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 2: GASES IDEALES Y REALES
Se resolverán problemas en los que intervienen gases y sus mezclas, practicando el uso de ecuaciones de
estado y gráficos de compresibilidad generalizados.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 3: CALOR - TRABAJO - 1º PRINC. SISTEMA CERRADO
Se resolverán problemas en los que intervienen dispositivos y sistemas de uso corriente, calculando valores
de trabajo y calor intercambiados entre sistema y medio. Determinación de variaciones de energía interna del
sistema para algunos procesos comunes y frecuentes en la realidad. Se resolverán problemas que involucren
cálculos de variación de la energía interna generalizada de un sistema cerrado (masa de control) en diversos
procesos, para familiarizarse con el principio de conservación de la energía
TRABAJO PRÁCTICO Nº 4: 1º PRINC. SISTEMA ABIERTO
Se resolverán problemas considerando sistemas que fluyen en régimen estable y no estable aplicando la
ecuación general de la energía a un volumen de control en dispositivos o instalaciones que pueden observarse
en la realidad. Turbinas, compresores, toberas, recipientes que se llenan o descargan, etc.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 5: 2º PRINC. - ENTROPÍA
Se resolverán problemas con determinación de variación de entropía para diversos procesos. Sólido que se
enfría. Líquidos que se enfrían o calientan a presión constante o a volumen constante. Gases que evolucionan
entre dos estados. Transformación de calor en trabajo. Etc.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 6: EXERGÍA
Cálculo de la Exergía de un cuerpo y de una fuente respecto de la atmósfera y determinación del rendimiento
exergético de algunos procesos.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 7: CICLOS DE MOTORES C. I.
Cálculo de parámetros del sistema que describe un ciclo, con determinación de trabajo, potencia, cantidades
de calor transferidas y rendimiento termodinámico de un ciclo teórico aire combustible con análisis básico de
la combustión en el cilindro de un motor de combustión interna. Representación gráfica en un diagrama
entrópico a calores específicos variables con la temperatura.
7.
Termodinámica Técnica
2017
TRABAJO PRÁCTICO Nº 8: CICLOS DE VAPOR
Determinación del trabajo obtenido de un ciclo de Rankine, con sobrecalentamiento. Esquema de la
instalación con identificación de los elementos que la componen. Determinación del calor recibido en la
caldera y entregado en el condensador. Rendimiento teórico. Representación gráfica en un diagrama
entálpico-entrópico o T; v; h; s.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 9: CICLOS DE REFRIGERACIÓN
Ciclos de Refrigeración. Cálculo de parámetros del sistema que describe un ciclo, con determinación de
trabajo y potencia consumidos, cantidades de calor transferidas en los distintos componentes. Cálculo del
COP. Uso del diagrama h-s. Ciclos de una etapa, ciclos en cascada, ciclos con refrigeración intermedia, ciclos
de absorción. Bombas de calor.
TRABAJO PRÁCTICO Nº 10: AIRE HÚMEDO
Resolución de problemas en los que interviene el aire húmedo. Determinando sus propiedades a partir de dos
conocidas, analíticamente con verificación gráfica de los valores calculados, haciendo uso de los diagramas
Psicrométrico y de Molliere.
Visitas a: CTM. Centrales Térmicas Mendoza (a confirmar según disponibilidad de la empresa).
CATEDRA: Alejandro Pablo Arena,.Erica Correa, Teresa Rauek, Gustavo Pulenta.
8.