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INTRODUCCIÓ
INTRODUCCIÓN
TERMODINÁMICA
TERMODINÁMICA
DORY CANO DÍAZ
MSc.
MSc. Ingeniero Civil Mecá
Mecánico
Junio de 2007
UNIDAD 1: Conceptos básicos y Primera Ley de la Termodinámica
2.1.- Conceptos de Energía, Calor, Trabajo, Temperatura, Presión, Energía
Interna, Entalpía
2.2.- Definición de la Primera Ley: Aplicación en Vapores y Gases en sistemas
abiertos o cerrados
2.3.- Gases Ideales: Ecuación de estado de GI. Primera Ley: Aplicación de GI
en sistemas abiertos o cerrados
UNIDAD 2: Ciclos ideales y reales con optimizaciones
2.1.- Ciclos de Potencia de Vapor
2.2.- Ciclos de Potencia de Gas
UNIDAD 3: Mezclas de Gases y Psicometría
3.1.- Mezclas de gases y composiciones
3.2.- Mezclas de gas-vapor y acondicionamiento de aire
UNIDAD 4: Combustión
4.1.- Definiciones, reacciones químicas, Procesos de combustión teóricos y
reales, entalpías de formación, etc.
1
BIBLIOGRAFÍA:
• TERMODINÁMICA,
Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A .
Editorial McGraw-Hill
• FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA TÉCNICA,
Moran, M. J. · Shapiro, H. N
Editorial: Editorial Reverté, S.A. ( Barcelona)
Segunda Ley de la Termodinámica
Que principios deben cumplirse para que ocurra un proceso?
Satisfacer la 1°LT
Ppo de conservación de energía (Sist.
Cerrados y Sist. Abiertos)
Satisfacer la 2°LT
Determinar nivel de degradación de la Energía de un proceso
Dirección de los procesos
Afirma la existencia de calidad de la energía
Útil en la determinación de los límites teóricos de
funcionamiento de sistemas
W
W
Q
Q
2
Segunda Ley de la Termodinámica
Las MT están compuestos de los sgtes subsistemas:
1) Máquina Sistema cerrado a través del cual un fluido
describe un proceso Cíclico
Fluido al y desde
el cual se realiza
el
procesoFluido
de trabajo
2) Focos Fuente-Sumidero
Todas se caracterizan por:
1.1.- Recibir calor de fuente a alta T° TH
2.2.- Convertir parte de este Q en W
3.3.- Liberan Calor a fuente de baja T° TL
4.4.- Operan en Ciclo
Segunda Ley de la Termodinámica
Central Té
Térmica a Vapor ó Gas
Refrigeradores y BBS de Calor
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Segunda Ley de la Termodinámica
Kelvin-Planck
Clausius
Segunda Ley de la Termodinámica
Conceptos a dominar e incluir en nuestro lenguaje
técnico-termodinámico:
•Procesos Reversibles e Irreversibles
•Depósitos de Energía Térmica
•Maquinas Térmicas: Ciclos de Potencia
•Rendimiento o Eficiencia
•Eficacia
La importancia de conocer la evolució
evolución de los procesos irreversibles en el
contexto de los sistemas de producció
producción y/o transferencia de energí
energía radica en la
posibilidad de optimizar los procesos involucrados reduciendo a un mí
mínimo
la energí
energía disipada de acuerdo con las restricciones fí
físicas.
sicas
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Segunda Ley de la Termodinámica
Obs :
P. R. regreso a estado inicial sin variación
P.I. Regreso implica pérdidas , por lo tanto, no regresa a estado
original
Modelos ‘IDEALES
IDEALES’ sirven para comparar procesos ‘REALES
REALES’
Producción de Trabajo Entregan + Trabajo
Consumen Trabajo Requieren
- Trabajo
Mientras más cerca de un proceso reversible mayor será el trabajo
entregado por un dispositivo productor de W o tanto menor el trabajo
requerido por un dispositivo consumidor de W
Segunda Ley de la Termodinámica
Central Té
Térmica a Vapor
Variables :
Qen: Cantidad de calor suministrada al vapor en la
caldera de fuente de alta T° (TH ó Tc)
Qsal: Cantidad de calor liberado desde el vapor en el
condensador en sumidero de baja T° (TL ó Tf)
Wsal: Cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando
se expande en la turbina
Wen: Cantidad de trabajo requerido para comprimir el
agua a la presión de la caldera
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Segunda Ley de la Termodinámica
Wsalida
Volumen de control
Masa de control
Wsalida
Turbina
Qentrada
G
Generador
Qentrada
Condensador
Caldera
Bomba
Wentrada
Segunda Ley de la Termodinámica
Refrigeradores y BBS de Calor
Variables :
QL: Magnitud del Calor extraído del espacio refrigerado a TL
QH: Magnitud del Calor liberado al ambiente a temperatura TH
Wneto,en: Entrada de trabajo neto al refrigerador
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Segunda Ley de la Termodinámica
• Refrigeració
Refrigeración
Qsalida
Condensador
Válvula de
Expansió
Expansión
Compresor
Wentrada
Evaporador
Qentrada
Eficiencia Té
Térmica:
Fracción de la entrada de Calor (Qentrada= Qc=QH) que se
convierte en Salida de Trabajo ó Potencia (Wneto)
Rendimiento: Salida deseada / Entrada requerida
Qsalida = Qf=QL :
Siempre ≠ 0 rendimiento NUNCA es del 100%
7
Segunda Ley de la Termodinámica
Conceptos bá
básicos de refrigeradores y Bombas de Calor
8
Unidad 4: Segunda Ley de la Termodinámica
4.1.4.4.1.4.- Conceptos bá
básicos de refrigeradores y Bombas de Calor
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4.1.6.4.1.6.- El Ciclo de Carnot
MT que opera en un Ciclo
de Carnot se llama:
Máquina térmica de Carnot
-->
4 procesos reversibles
(2 isotérmicos y
2 adiabáticos)
Proceso 11-2: Expansión isotérmica reversible (QH y TH=cte)
Proceso 22-3: Expansión adiabática reversible ( Q=0 y TH-->TL)
Proceso 33-4: Compresión isotérmica reversible (QL y TL=cte)
Proceso 44-1: Compresión adiabática reversible ( Q=0 y TL-->TH)
El Ciclo de Carnot
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Los Principios de Carnot
Los Principios de Carnot
A considerar:
• El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, irrealizable en la
práctica, pero usado como comparación de otros ciclos.
• Por ser totalmente reversible es el de máximo
rendimiento entre dos focos dados (1° Corolario)
• Por ser totalmente reversible tiene siempre el mismo
rendimiento entre dos focos (independiente del
tamaño, tipo de fluido, etc.) (2° Corolario)
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Diferencias conceptuales entre la eficiencia té
térmica y la eficiencia
de la segunda ley
• Eficiencia de la Primera Ley: (ó eficiencia térmica)
NO hace referencia al mejor rendimiento posible no
entrega una visión correcta de eficiencia. (Fracción de calor que
se convierte en trabajo)
•
Eficiencia de la Segunda Ley: (ó eficacia)
Entrega una medida del desempeño de una máquina térmica,
de cuanto se puede aprovechar la energía disponible
= Razón entre la eficiencia térmica real y la eficiencia térmica
máxima obtenible en las mismas condiciones (eficiencia de
Carnot)
Diferencias conceptuales entre la eficiencia té
térmica y la
eficiencia de la segunda ley
600K
W
A
1000K
B
300K
300K
ηt,A= 30%
W
ηt,B= 30%
Qué máquina tiene mayor potencial de trabajo?
Cual tiene un mejor desempeño?
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Qué
Qué es la entropí
entropía?
Del Primer Principio de la Termodinámica , 1°PT Energí
Energía
Del Segundo Principio de la Termodinámica , 2°PT Entropí
Entropía
ENTROPÍ
ENTROPÍA :
Propiedad Termodinámica que mide la parte de la energía que no puede
utilizarse para producir un trabajo. En un sentido más amplio se interpreta
como la medida del desorden de un sistema
La CANTIDAD de energí
energía siempre se preserva durante un proceso real (1°
(1°LT)
LT)
pero la CALIDAD está
á
condenada
a
disminuir
(2°
°
LT).
).
est
(2 LT
La reducció
reducción de la CALIDAD está
está acompañ
acompañada de un aumento de ENTROPÍ
ENTROPÍA
Qué
Qué es la entropí
entropía?
1) La entropí
entropía puede ser vista como una medida del desorden molecular
o aleatoriedad molecular.
Conforme un sistema se vuelve más desordenado,
desordenado, las posiciones de las
molé
moléculas son menos predecibles AUMENTA LA ENTROPÍA
Entropí
Entropía fase só
sólida < entropí
entropía fase gaseosa
2) La entropí
entropía puede ser vista como una medida de las Irreversibilidades
RELACIÓN ENTRE AUMENTO DE ENTROPÍA Y PROCESOS IRREVERSIBLES NO ES
CASUAL,
SINO QUE SURGE DE UN TEOREMA GENERAL QUE ESTABLECE QUE
LA VARIACIÓ
VARIACIÓN TOTAL DE ENTROPÍ
ENTROPÍA (incluye sistema y entorno) ES
POSITIVA EN TODOS LOS PROCESOS IRREVERSIBLES
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Diagramas de propiedades que incluyen a la entropí
entropía
Diagramas de propiedades que incluyen a la entropí
entropía
El diagrama de Mollier
es una representación de
las propiedades del agua
y vapor de agua. Se usa
un sistema principal de
coordenadas H-S
(Entalpía-Entropía).
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Calor en procesos internamente reversibles:
Por definición la
entropía se transfiere
solo con procesos de
transferencia de calor
Las relaciones Tds
Definición de Segunda Ley
15
Las relaciones Tds
El cambio de entropí
entropía de gases ideales
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El cambio de entropí
entropía en sustancias incompresibles
Procesos isentró
isentrópicos de gases ideales
1.- Suponiendo GI, Cp y Cv promedio:
UN PROCESO ES ISENTRÓPICO (S2=S1) SI Y SÓLO SI
ES ADIABÁTICO E IRREVERSIBLE
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Segunda Ley de la Termodinámica
Segunda Ley de la Termodinámica
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Eficiencias isentró
isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
Eficiencias isentró
isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
Turbinas – Compresores – Toberas - Difusores
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Eficiencias isentró
isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
Eficiencias isentró
isentrópicas de algunos dispositivos de flujo permanente
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Trabajo de flujo permanente reversible
Minimizació
Minimización del trabajo del compresor
w = q + (h1-h2) + (v1^2-v2^2)/2 + g(Z1-Z2)
[kJ/kg]
w = ∫ Tds + (h1 − h2 ) +
(v12 − v22 )
+ g (Z1 − Z 2 )
2
Tds = dh − vdP
,de las relaciones Tds de Gibbs
∫ Tds = h1 − h2 − ∫ vdP
,aplicando segunda ley
,integrando
Trabajo de flujo permanente reversible
Minimizació
Minimización del trabajo del compresor
∆ec ~ ∆ep ~ 0
A mayor volumen específico (v (m3/kg) )
mayor Trabajo Reversible (Wrev producido o consumido)
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Por tanto se busca:
Entrada de W (compresión) v lo más pequeño posible
Salida de W (expansión) v lo más grande posible
El W de entrada de un compresor se
minimiza cuando el proceso se realiza
reversiblemente
Posibilidades:
1) Aprox a proceso rev minimizar I, cuasiestático, etc.
2) Forma más práctica mantener v al mínimo posible
durante compresión => disminuir T° (vgas α v(T))
Procesos Politró
Politrópicos de Compresió
Compresión :
Para cualquier gas :
w=
−n
( P2 v2 − P1v1 ) __________ __ ∀n ≠ 1 ____( a )
n +1
(1) Si consideram os ahora GI, se tiene, Pv = RT :
w=
Pvn = Cte
− nR
(T2 − T1 ) __________ __ ∀n ≠ 1 ____( b)
n +1
(2)
Consideran do que para un proceso politrópic o :
Reemplazando (2) en (1) se tiene
expresión (a)
T2  P2 

=
T1  P1 
n −1
n
n −1



− nRT1   P 2  n


w=
−
1


n − 1   P1 



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Procesos isoté
isotérmico de Compresió
Compresión :
(1)
Pvn = Cte
(2)
Ahora consideran do n = 1 donde pv 1 = cte para cualquier gas :
w = − P1v1 ln( P2 / P1 ) _________ para n = 1 ____( c )
Si consideram os ahora GI, se tiene, Pv = RT :
w = − RT1 ln( P2 / P1 ) _________ para n = 1 ____( d )
-
23
El trabajo es el área limitada entre el
eje P y la curva respectiva.
El área más pequeña en el diagrama
P-v, corresponde al consumo
mínimo de trabajo, es el proceso de
compresión isoterma (1–2b),
mientras que la compresión
adiabática (1–2a) es la que consume
más trabajo.
Por tanto, es deseable refrigerar el
gas durante la compresión, de modo
que su temperatura de salida sea lo
más baja posible, para reducir el
consumo de trabajo.
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Compresión en etapas:
Es habitual dividir la compresión en varias etapas; cuanto mayor es la relación
de presiones, son necesarias más etapas.
Entre etapa y etapa, el gas se somete a un enfriamiento con
un fluido refrigerante, normalmente agua o aire, hasta que recupera la
temperatura ambiente.
•En teoría el enfriamiento sucede a P=cte y el gas se enfría hasta la
temperatura inicial T1 en cada enfriador.
•Este método es muy conveniente cuando el gas se comprime a altas P
•W ahorrado depende de Pi (presiones intermedias) .
Ciclos de Potencia de Vapor
Centrales termoeléctricas clásicas :
Se denominan centrales clásicas a aquellas centrales térmicas que emplean la
combustión del carbón, petróleo (fuel oil) o gas natural para generar la energía eléctrica.
Son consideradas, las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización
está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de
desarrollo, a pesar de que actualmente estén siendo criticadas debido a su elevado
impacto medioambiental.
Componentes principales
•Caldera de combustión
•Turbina (vapor o gas)
•Generador
•Sistema de refrigeración (puede ser de caudal abierto o
mediante torres de refrigeración)
•Instalaciones de control
Que ventajas y desventajas
tiene usar vapor en los
ciclos?
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Teoría de
combustión
P1 y P2
Procesos de
Psicrometría
26
2
1
4
3
27
Rendimientos isentrópicos en turbina y bomba:
28
29
30
31
32
33
34
35
36
Tarea:
1. Objetivo siempre es mejorar el rendimiento, porque?
2.Rendimiento de Centrales Té
Térmicas Vapor, Gas y
GasGas-Vapor?
3. Investigar diferencias y/o ventajas comparativas
entre Ciclos Turbina de Vapor y de Gas.
(Temperatura de entrada de fluido, presiones de
trabajo, temperatura de salida de fluido, potencias,
costos de instalació
instalación, rendimientos, etc)
etc)
4. Tipo, ubicació
ubicación y potencia de centrales té
térmicas en
Chile.
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