Conceptos Basicos Termodinamica

En este trabajo describiremos cada uno de los diferentes procesos utilizados en la industria del petróleo, así como las diferentes maquinas térmicas como los motores que son máquinas termodinámicas, que utilizan la energía de la combustión transformándola en movimiento. A lo largo del desarrollo tecnológico, el hombre ha producido diferentes tipos de motores, cada uno adecuado a diferentes necesidades y condiciones de utilización. Los distintos tipos de motor tienen requerimientos específicos para su alimentación energética. Además de cómo funcionan y sus diversas aplicaciones, también las variadas unidades con las que se pueden trabajar y cómo influyen todos estos factores en el ambiente y sus formas de energía.

Objetivo

Analizar los principios fundamentales mediante los cuales se dan los cambios de energía en los diferentes equipos térmicos utilizados en la industria petrolera. Desarrollará su capacidad para interpretar y modelar fenómenos físicos para la toma de decisiones. El alumno analizara los conceptos y principios fundamentales de la termodinámica para poder aplicarlos a la ingeniería.

1.1 EQUIPOS TERMODINÁMICOS EN LA INDUSTRIA PETROLERA

Para muchos aparatos se desea conocer su eficiencia adiabática. En una turbina de vapor se busca la producción de un cierto trabajo a partir de un estado a temperatura y presión elevadas y una presión dada

a la salida. Cualquier transferencia de energía desde la turbina en forma de calor representa una pérdida y reduce la entrega de trabajo. Un compresor toma un fluido desde un estado a la entrada y requiere cierto trabajo para que dicho fluido salga a la presión deseada. El calor perdido por un compresor dado demanda una entrada de trabajo mayor. (Algunos compresores operan casi isotérmicamente, por lo que existe una transferencia de calor. Estos compresores requieren un estudio particular.) Las ineficiencias de estos componentes se deben a procesos irreversibles.

La eficiencia de los aparatos se emplea para comparar el proceso real con el proceso adiabático reversible. Se desea la reducción de las irreversibilidades en un componente del proceso con el fin de aumentar la eficiencia de dicho proceso. Por consiguiente, la eficiencia de un aparato es la relación entre el resultado real y el isentrópico, teniendo como valor límite la unidad. Un aparato isentrópico es el estándar para comparar la operación adiabática real.

Motores de ciclo Otto

La idea básica de los motores de explosión es: aprovechar la energía generada por el combustible, al quemarse dentro de un cilindro. La energía que se libera de esta forma se transmite a un pistón móvil: así se produce trabajo mecánico que, por ejemplo, puede usarse para mover un vehículo. En los motores de ciclo Otto, la combustión se inicia mediante el salto de una chispa eléctrica proveniente de una bujía. Los combustibles de estos motores deben tener capacidad antidetonante,

o sea, que no se enciendan antes de recibir la chispa -fenómeno conocido como autoencendido-. Los combustibles más usados son las naftas y gases (GNC).El ciclo completo del motor consta de cuatro tiempos.

Ciclo Diesel

En 1893, el alemán Rudolf Diesel desarrolló un concepto audaz para los motores de explosión. Al reflexionar sobre el problema de autoencendido, se le ocurrió no tratar de evitarlo sino, por el contrario, provocarlo ex profeso. Los motores Diesel actuales han evolucionado de una combinación de las ideas de Diesel y de su contemporáneo Herbert Stuart. A diferencia de los motores de ciclo Otto, en los motores Diesel el cilindro no aspira una mezcla de aire y combustible, sino sólo aire. El pistón comprime este airea una presión alta, elevando mucho su temperatura. En ese instante se inyecta el combustible, que, al encontrarse con el aire caliente, se enciende y va quemándose a medida que entra en el cilindro. Los combustibles que se utilizan deben tener una velocidad de auto ignición adecuada al régimen de operación de cada motor. De acuerdo a su tipo, se los clasifica en veloces, medios y lentos, que corresponden al gas oíl, Diesel oíl, bunker y fuel oíl, en ese orden.

Turbina

Otro tipo de motor ampliamente utilizado, sobre todo en aeronaves, es la turbina. En ella, a diferencia de los casos anteriores, no hay pistones ni bielas que conviertan el movimiento longitudinal en circular. La eficiencia de una turbina es la comparación entre la entrega de trabajo real y el trabajo producido por

un proceso isentrópico. La entrada a la turbina corresponde a un estado específico y la salida debe ser a una presión dada. La presión en el escape es la condición a la salida ya que con frecuencia, para una aplicación dada, queda determinada por factores tales como el agua de enfriamiento disponible en el condensador.

Toberas

Otra eficiencia de un componente se define para la tobera. Una tobera aumenta la velocidad como resultado de una disminución en la presión. Generalmente este dispositivo es adiabático. La eficiencia compara la energía cinética real a la salida con la energía cinética a la salida debida a un proceso isentrópico. El estado a la entrada de cada proceso y la presión a la salida son los mismos para cada proceso comparado.

1.2 DIMENSIONES Y UNIDADES

Cualquier medida física tiene dimensiones y debe ser expresada en las unidades correspondientes a estas dimensiones de acuerdo a un sistema de unidades particular. Las dimensiones fundamentales son primitivas, reconocidas mediante nuestras percepciones sensoriales y no definibles en términos de algo más simple. Su uso, sin embargo, requiere la definición de escalas de medición arbitrarias, divididas en unidades de tamaño específico. Las unidades primarias están dadas por un acuerdo internacional, y aparecen codificadas como el Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, de Système International).

El segundo, cuyo símbolo es s y que es la unidad SI de tiempo, es la duración de 9 192 631 770 ciclos de la radiación asociada con una

transición determinada del átomo de cesio. El metro, con símbolo m, es la unidad fundamental de longitud y se define como la distancia que la luz recorre en el vacío durante 1/299 792 458 de segundo. El kilogramo, símbolo kg, es la masa de un cilindro de platino/iridio que se guarda en el International Bureau of Weights and Measures en Sèvres, Rancia. La unidad de temperatura es el kelvin, con símbolo K, el cual es igual a l/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Dimensión: Es el nombre que se le da a las cantidades físicas, así: Longitud, masa, tiempo, etc.

Unidad: Es la medida de la dimensión. Por ejemplo: pie, metro, y milla son unidades de la dimensión longitud. Expresar una aceleración como 9.8 no tiene sentido, si se agrega la unidad correspondiente de un determinado sistema y se dice que la aceleración es 9.8 m/s2esta información adquiere sentido. Para trabajos científicos y de ingeniería, deben usarse las unidades de medida del Sistema Internacional de Unidades.

1.2.1 SISTEMAS

En termodinámica se puede definir como sistema a toda aquella parte del universo que se separa para su estudio. Esta separación se hace por medio de superficies que pueden ser reales, como las paredes de un equipo (tanque, compresor, etc.), o pueden ser imaginarias, como la delimitación de una determinada cantidad de fluido que circula a través de una tubería. El resto del universo y por supuesto, todos los otros sistemas termodinámicos que estén por fuera de esta frontera se llamarán alrededores

o ambiente. Dependiendo del tipo de interacciones entre el sistema y los alrededores permitidas por la frontera, los sistemas se pueden clasificar como abiertos, cerrados o aislados. En un sistema abierto, la frontera permite el intercambio de materia entre el sistema y los alrededores, además podrá también permitir el flujo de energía. Sistema cerrado es aquel en el cual la frontera permite el flujo de energía (como calor o trabajo) pero es impermeable al paso de la materia y por lo tanto este tipo de sistemas mantienen su masa constante. En un sistema aislado la frontera no permite el flujo de materia ni de energía entre el sistema y los alrededores. Siempre que se consideren un sistema y sus alrededores juntos, estos constituirán un sistema aislado.

1.3 ESTADO, PROCESO, TRAYECTORIA, CICLO

Estado

La palabra estado se refiere a la condición de sus sistemas como descrito por sus propiedades. Cuando cualquiera de las propiedades de sistemas cambia el estado cambia, entonces, dice que el sistema estuvo sujeto a un proceso.

Proceso

Se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los

procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

Trayectoria

La trayectoria es el conjunto de estados que atraviesa un sistema al realizarse un proceso.

Ciclo

Se denomina ciclo termodinámico

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