TERMODINAMICA

INTRODUCCION

La termodinámica es la ciencia que se ocupa del estudio de la energía y sus transformaciones, particularmente la trasformación de calor en trabajo. En ella se estudian y clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva a definir conceptos como sistema termodinámico y su contorno. Un sistema termodinámico se caracteriza por sus propiedades, relacionadas entre sí mediante la ecuación de estado. A continuación se desarrolla la guía de la actividad 6. “Trabajo colaborativo 1”, en donde se aplica los conocimiento adquiridos durante el estudio de la primera unidad denominada “ley cero, trabajo y primera ley de la termodinámica”.

Durante el desarrollo de la actividad se afirman conceptos y se emplean diversas formulas importantes para el estudio del curso de termodinámica y su aplicación en el área profesional.

OBJETIVOS

General

Aplicar conceptos adquiridos durante el estudio de la unidad uno “ley cero, trabajo y primera ley de la termodinámica” del curso.

Específicos

Identificar sistemas termodinámicos presentes en el hogar o el lugar de trabajo.

Reconocer los cambios y características de los sistemas termodinámicos.

Identificar cuando un procesos es isobáricos, isocórico, isotérmicos o adiabáticos.

Desarrollar ejemplos de sistemas termodinámicos isobáricos, isocórico, isotérmicos y adiabáticos.

Determinar el consumo energético o el trabajo eléctrico realizado por cada uno de los sistemas termodinámicos.

Hallar el trabajo realizado para cada sistema termodinámico.

Afianzar conceptos de la unidad uno “ley cero, trabajo y primera ley de la termodinámica”.

DIEZ EJEMPLOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS EN EL HOGAR CON EL CÁLCULO DE SUS CONSUMOS ENERGÉTICOS

Para Calcular los consumos energéticos de los sistemas termodinámicos:

Se determina si el sistema termodinámico trabaja con electricidad o con combustible.

Si el sistema funciona con electricidad se debe mirar los datos de placa del equipo o las especificaciones técnicas en el manual: como voltaje de operación (V), y corriente de operación (I). Si no se cuenta con los datos anteriores se toma la potencia del artefacto que es el producto de V y de I. P=V*I.

Si no cuenta con ninguno de los datos, se debe medir el voltaje y la corriente de consumo del equipo (esto se realiza con un voltímetro y un medidor de corriente).

Una vez obtenidos los datos se aplica la ecuación para la energía:

E=V.I.∆t. o E=P*∆t

Donde:

E=Energia

V=Voltaje

I=Intensidad de corriente electrica (A)

P=Potencia

t=Tiempo

Al aplicar la ecuación es importante tener en cuenta que ∆t es el periodo efectivo que el equipo trabaja durante el dia.

Ejemplo 1: Lavadora. Según especificaciones del electrodoméstico tiene una potencia de 550W, el tiempo de lavado aproximado es de 90 minutos.

t=90 min→horas→ t=90 min*(1 horas)/60min=1,5 horas

E=550W*1,5h=825W/h ó 0,825 Kw/h Consumo por lavado

R//. La energía consumida por la lavadora es 0,825Kw/h.

Ejemplo 2: Cargador universal de baterías de litio.

Según especificaciones técnicas: 1mA de corriente, con voltaje de entrada de 110v a una hora

P= V*I

1mA * 1A / 1000mA = 0.001A

P = 110v * 1mA →

P = 11Ov *0.001A

P = 0.11W

E = P * Δt

0.11w * 1kw/1000w =0.00011kw

E = 0.00011 kw * 1hora

E = 0.00011 kw/h

R//. El consumo energético del cargador es de 0.00011 kw/h

Ejemplo 3: Flavor Ware. Según especificaciones tiene una potencia de 1300 W, tiempo de consumo es de 55 min.

t=55 min*1hora/60min=0,92 h

E=1300W*0,92h=1197 W/h que equivale a 1,197 Kw/h

R//. El consumo por uso es del flavor ware es de 1,197 Kw/h.

Ejemplo 4: Consumo de energía para el sistema de calefacción.

La calefacción está encendida 2/3 partes del día (para hacer un calculo exacto se deben usar equipos para hacer la medición). Si la calefacción funciona con gas igual que con los equipos eléctricos se debe saber los datos de la placa, la potencia que normalmente se da en KW o consumo por hora.

W = E = V. I.∆t

V = 220 V

I = 9.09ª

∆t=18 h

E=(220V)(9.09)(18h)

=35996.4W/h

R// E=35.996KW/h de consumo diario. Se toma como referente unos 2000 W que es el equivalente a calentar 1 habitación.

Ejemplo 5: Microondas. Según especificaciones técnicas: 9A de corriente, con voltaje de entrada de 120v a 3,5 minutos

P= V*I

P = 120v * 9Amp

P = 1080w

E = P * Δt

1080w * 1kw/1000w = 1.08kw

3.5min * 1hora/60min = 0.05 horas

E = 1.08 kw * 0.05horas

E =0.054 kw/h

R//. El consumo energético del microondas es de 0.054 kw/h.

Ejemplo 6: Calculo del consumo de energía para el horno eléctrico:

W = E = V.I.∆t

V = 220V

I = 40 A

∆t=18h

E=(220V)(40A)(18h)

E =158400W/h

R//. El consumo eléctrico del horno es de 158.4Kw/h de consumo diario.

Ejemplo 7: Aire acondicionado. P= 1300 W, t = 8horas.

E=1300W*8h=10400 W/h que equivale a 10,4 Kw/h

R//. El consumo de energía eléctrica del aire acondicionado es de 10,4 Kw/h.

Ejemplo 8: Lámpara de fotocurado. Según especificaciones técnicas utiliza 1Amp de corriente y 110v de entrada a dos minutos

P= V*I

P = 1Amp

P = 11Ov * 1A

P = 110W

E = P * Δt

110w * 1kw/1000w =0.11kw

E = 0.11 kw * 1hora

E = 0.11 kw/h

R//. El consumo energético de la lámpara de foto curado es de 0.11 kw/h

Ejemplo 9: Máquina de envasado al vacío (industrial).

V=400V

I = 22.5 A

∆t=18h

E= (400V) (22.5 A) (18h)

=162000 W/h

E= 162 KW/h de consumo diario

R//. El consumo eléctrico de la máquina de envasado al vacio industrial es de 162 Kw/h día.

Ejemplo 10: Estufa a gas.

El consumo promedio de la estufa a gas por m^3/h es de 0.1319, se toma de referente 2 quemadores y un uso de la estufa a diario de 4 h.

Conversión: 1m^3=11.012 KWh

Consumo total: (0.1319m^3/h) (4h) (2)

=1.0552 m^3 11.012KWh/(1m^3 ) =11.619 KW h de consumo diario.

3. COMPARACIÓN DEL CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON EL CONSUMO DE GAS PARA HERVIR UN LITRO DE AGUA

Durante el proceso para hervir un litro de agua con gas o con electricidad se deben tener en cuenta los siguientes pasos. Del paso 1 al 7 el procedimiento es igual para hervir agua usando gas o electricidad, los pasos siguientes varían dependiendo si se utiliza gas o electricidad.

Medir un litro de agua.

Medir la temperatura ambiente.

Medir la humedad relativa con un termo higrómetro.

Medir la presión atmosférica usando un barómetro.

Medir la temperatura del agua.

Garantizar el mismo material para el recipiente.

Medir el tiempo empleado hasta llegar el agua al punto de ebullición.

Medir el volumen de gas empleado en el proceso. Para esto se usa un medidor volumétrico para gas, (se debe conocer la equivalencia energética para el gas en Kw-h/m^3 de gas). Medir los Kw/h que gasta en el proceso par hervir el agua usando energía eléctrica, para este fin se utiliza de ser posible un analizador de parámetros eléctricos. Si no se cuenta con un equipo de estas características, se averigua en el manual del fabricante de la cocina eléctrica cual es la potencia aproximada de un fogón en vatios o Kw para de esta forma calcular cual será el consumo aproximado durante el proceso de hervir el litro de agua.

Monitorear el cambio de temperatura durante todo el proceso.

Una vez se toma los datos de tiempo empleado par ambos casos (proceso con gas – proceso con electricidad) se procede a efectuar los cálculos respectivos en el consumo de energía.

Calculo de energía para el proceso con gas. En este punto se debe tener en cuenta la equivalencia energética de un metro cubico de gas en Kw/h. Para el caso es de 1 m³ = 11.012 Kw/h. El tiempo aproximado en hervir el litro de agua fue de 3.25 min y el consumo estimado de gas para el fogón es de 0.1319 m³/hr. Esto nos daría un consumo aproximado de energía de:

E = (0.1319 m³/60 min)(11.012 Kw-h/m³)(3.25 min) = 0.0787 Kw/h aproximadamente.

Calculo de energía para el proceso con energía eléctrica. La potencia del fogón eléctrico es de aproximadamente 800 W. El tiempo empleado fue de 4.8 minutos. El consumo de energía es:

E = (800 W)(4.8 min)(1 hr/60 min) = 64 W/h = 0.064 Kw/h aproximadamente.

Finalmente

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