Procesos De Bombeo

TEMA # 1

CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA

LA TERMODINÁMICA TRATA DE LA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA EN ENERGÍA MECÁNICA Y EL PROCESO INVERSO, LA CONVERSIÓN DE TRABAJO EN CALOR.

POR QUÉ LA TERMODINÁMICA JUEGA UN PAPEL TAN IMPORTANTE EN LA CIENCIA Y EN LA TECNOLOGÍA. PORQUE TODA LA ENERGÍA DISPONIBLE DE LA MATERIA PRIMA SE LIBERA EN FORMA DE CALOR.

ENERGÍA: ES LA CAPACIDAD DE PRODUCIR CAMBIOS EN LA CONSTITUCIÓN, EL ESTADO, LA POSICIÓN O EL MOVIMIENTO DE LA MATERIA. EN EL SISTEMA INTERNACIONAL (SI) LA UNIDAD DE ENERGÍA ES EL NEWTON-METRO (N x M), QUE RECIBE EL NOMBRE DE JOULE (J). EN EL (SI), 1 JOULE ES IGUAL AL TRABAJO REALIZADO POR UNA FUERZA DE 1 NEWTON PARA MOVER UN OBJETO LA DISTANCIA DE 1 METRO PARALELA A LA FUERZA. DE MANERA SIMILAR, LA UNIDAD DE ENERGÍA EN EL SISTEMA INGLÉS ES LA LIBRA-PIE (Lb-ft). NO EXISTE ALGÚN NOMBRE ESPECIAL PARA ESTA UNIDAD; 1ft x Lb, ES IGUAL AL TRABAJO REALIZADO POR UNA FUERZA DE 1 Lb PARA MOVER UN CUERPO EN UNA DISTANCIA DE 1 ft, PARALELA A LA FUERZA. LOS SIGUIENTES FACTORES DE CONVERSIÓN RESULTARÁN MUY ÚTILES: 1 J = 0.7376 ft-Lb 1 ft-Lb = 1.356 J.

POTENCIA: ES LA RAPIDEZ CON LA QUE SE REALIZA UN TRABAJO. LA UNIDAD CORRESPONDIENTE EN EL (SI) TIENE UN NOMBRE ESPECIAL, EL WATT (W) Y SE DEFINE COMO: 1 W = 1 J/S; EN EL SISTEMA INGLÉS ES LA LIBRA-PIE POR SEGUNDO (Lb-ft/s). LOS FACTORES DE CONVERSIÓN SON: 1 KW = 1000W; 1 hp = 550 ft-Lb/s; 1 hp = 746W = 0.746 KW; 1 KW = 1.34 hp.

LAS PROPIEDADES DE LAS SUBSTANCIAS PUEDEN SER DIVIDIDAS EN DOS CLASES: INTENSIVAS Y EXTENSIVAS.

PROPIEDADES INTENSIVAS: AQUÉLLAS QUE SON INDEPENDIENTES DE LA MASA DEL SISTEMA CONSIDERADO; POR EJEMPLO, TEMPERATURA, PRESIÓN, DENSIDAD.

PROPIEDADES EXTENSIVAS: AQUÉLLAS QUE SON DEPENDIENTES DE LA MASA DEL SISTEMA CONSIDERADO Y SON VALORES TOTALES; POR EJEM, VOLUMEN, ENERGÍA INTERNA, MASA.

PRESIÓN ESTÁ DEFINIDA COMO LA FUERZA NORMAL POR UNIDAD DE ÁREA. ES UNA DE LAS PROPIEDADES MÁS ÚTILES, YA QUE PUEDE SER MEDIDA DIRECTAMENTE. LAS UNIDADES DE LA PRESIÓN VIENE DADA NORMALMENTE EN: Kgf/cm2 o Lbf/in2.

LA TEMPERATURA ES LA MEDIDA DE LA INTENSIDAD DE LA ENERGÍA MOLECULAR ALMACENADA EN UN SISTEMA. LAS ESCALAS DE TEMPERATURA SON LA ESCALA CELSIUS O CENTÍGRADA Y LA ESCALA FAHRENHEIT, CUYOS PUNTOS DE REFERENCIA MÁS COMUNES SON AQUÉLLOS A LOS CUALES EL AGUA SE CONGELA Y HIERVE. PARA LA ESCALA CENTÍGRADA LOS PUNTOS DE CONGELAMINETO Y DE VAPOR SON 0°C Y 100°C Y PARA LA ESCALA FAHRENHEIT SON 32°F Y 210°F. ESTAS DOS ESCALAS ESTÁN RELACIONADAS MUTUAMENTE POR:

T°C = 5/9 (T°F – 32) Y T°F = 9/5 T°C + 32

EL ESTUDIO DE LA TERMODINÁMICA REQUIERE EL USO DE ESCALAS ABSOLUTAS DE TEMPERATURA, LAS CUALES ESTÁN MEDIDAS A PARTIR DE UN PUNTO DE CERO ABSOLUTO. EL CERO ABSOLUTO DE LA ESCALA CENTÍGRADA ES – 273° Y ESTÁ DEFINIDO POR LA SIGUIENTE EXPRESIÓN: T°K = T°C + 273 DONDE °K = GRADOS KELVIN O CENTÍGRADOS ABSOLUTOS.

EL CERO ABSOLUTO DE LA ESCALA FAHRENHEIT ES – 460° Y ESTÁ DEFINIDO POR LA EXPRESIÓN

T°R = T°F + 460 DONDE °R = GRADOS RANKINE O FAHRENHEIT ABSOLUTOS.

FACTORES DE CONVERSIÓN:

1 bar = 105N/m2 = 102KPa = 0.1MPa

1 JOULE = N x m; 1 Btu = 778 Lb-ft; 1Kcal = 4186 J; 1 Cal = 4.186J; 1J = 0.2388Cal

PROPIEDADES EXTENSIVAS: AQUÉLLAS QUE SON DEPENDIENTES DE LA MASA DEL SISTEMA CONSIDERADO Y SON VALORES TOTALES; POR EJEMPLO, VOLUMEN, ENERGÍA INTERNA, MASA.

ENTALPÍA: (H) ESTÁ DEFINIDA COMO LA SUMA DEL PRODUCTO PRESIÓN-VOLUMEN MÁS LA ENERGÍA INTERNA. LA ENTALPÍA ES UNA PROPIEDAD SUMAMENTE IMPORTANTE EN LOS ANÁLISIS TERMODINÁMICOS, ESTA PROPIEDAD SE DEFINE:

H = U + PV; O POR UNIDAD DE MASA h = u + pv

LA ENTALPÍA TIENE LAS MISMAS UNIDADES QUE LA ENERGÍA, MÁS NO ES UNA FORMA DE ENERGÍA. EN EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES ES EL JOULE.

ENTROPÍA: (S) ES UNA PROPIEDAD TERMODINÁMICA, LAS CUAL ES USADA COMO UN ÍNDICE DE LA IRREVERSIBILIDAD DE LOS PROCESOS, ESTA PROPIEDAD SE DEFINE:

ΔS12 = ∫12 dQ/T DONDE dQ ES LA REVERSIBILIDAD DEL CALOR SUMINISTRADO O EXTRAÍDO DE UNA SUBSTANCIA A UNA TEMPERATURA ABSOLUTA (T) DADA.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

EL PRINCIPIO DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA ESTABLECE QUE, LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SÓLO SE TRANSFORMA, ASÍ, UN CUERPO EN MOVIMIENTO AL DESPLAZARSE DE UN PUNTO (A) A OTRO PUNTO SUPERIOR (B), IRÁ PERDIENDO ENERGÍA CINÉTICA, MIENTRAS SU CANTIDAD DE ENERGÍA POTENCIAL IRÁ EN AUMENTO. COMO ÉSTA, PODEMOS VER EN LA NATURALEZA UNA GRAN CANTIDAD DE TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA.

ESTA LEY PUEDE APLICARSE DE DISTINTAS MANERAS; POR EJEMPLO, PARA CUALQUIER SISTEMA, SI LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE:

ENERGÍA QUE ENTRA INCREMENTO DE LA ENERGÍA QUE SALE

AL SISTEMA = ENERGÍA ALMACENADA + DEL SISTEMA Y

ENERGÍA INICIAT. ENERGÍA QUE ENERGÍA QUE SALE ENERGÍA ALMACENADA

ALMACENADA + ENTRA AL SIST. - DEL SISTEMA = AL FINAL

PUESTO QUE LA MASA ES CONSTANTE POR DEFINICIÓN, LAS ÚNICAS CLASES DE ENERGÍA QUE ATRAVIESAN LAS FRONTERAS SON CALOR Y TRABAJO; ASÍ QUE:

QENTRA + WENTRA = QSALE + WSALE O QENTRA – QSALE = ΣQ = WSALE - WENTRA = ΣW

RELACIONES DE ENERGÍA

LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA, PUEDE COMPRENDERSE AÚN MEJOR SI TOMAMOS EN CUENTA LA REVERSIBILIDAD O LA IRREVERSIBILIDAD DE UN PROCESO O CICLO.

REVERSIBILIDAD: LLAMAMOS PROCESOS REVERSIBLES A AQUÉLLOS EN LOS QUE DESPUÉS DE COMPLETARSE EL PROCESO, SE PUEDE VOLVER A SEGUIR EN ORDEN INVERSO LOS DISTINTOS ESTADOS DEL PROCESO ORIGINAL Y TODAS LAS CANTIDADES DE ENERGÍA ABSORBIDAS POR EL MEDIO CIRCUNDANTE O CEDIDAS POR ÉSTE, PUEDEN RETORNARSE A SUS ESTADOS ORIGINALES.

IRREVERSIBILIDAD: LA IRREVERSIBILIDAD, DE MANERA CONTRARIA, LA ENCONTRAMOS EN PROCESOS EN LOS QUE NO PODEMOS SEGUIR EN ORDEN INVERSO LOS ESTADOS DEL PROCESO; TAL ES EL CASO DEL CALENTAMIENTO DE GAS POR ELECTRICIDAD EN EL QUE EL GAS CALIENTE NO PUEDE REGRESAR LA ELECTRICIDAD AL SISTEMA ELÉCTRICO. LA IRREVERSIBILIDAD DE UN PROCESO ESTÁ PRESENTE SIEMPRE QUE:

1) EL CALOR FLUYA A UNA DIFERENCIA DE TEMPERATURA.

2) OCURRA UN CHOQUE INELÁSTICO.

3) INTERVENGA EL ROZAMIENTO.

LA IRREVERSIBILIDAD PUEDE SER: INTERNA Y EXTERNA.

INTERNA: CUANDO EL SISTEMA LLEVA A CABO UNA TRANSMISIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE UNA CAÍDA DE TEMPERATURA.

EXTERNA: CUANDO EN EL SISTEMA EXISTA LA FRICCIÓN O EL ROZAMIENTO.

CALOR ESPECÍFICO. CUANDO EN UN PROCESO UNA CANTIDAD DE ENERGÍA SE DISIPA POR ROZAMIENTO, Y COMO RESULTADO DE ESTO LA TEMPERATURA DE UN CUERPO SE INCREMENTA, DECIMOS QUE EL CUERPO HA ABSORBIDO UNA CANTIDAD DE CALOR.

LA CAPACIDAD CALORÍFICA “C”: LA DEFINIMOS COMO LA RAZÓN DEL CALOR ABSORBIDO “dQ”, A LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA “dT”. C = dQ/dT SUS UNIDADES SON:

Cal/°C O Btu/°F

EL CALOR ESPECÍFICO “C” DE UNA SUBSTANCIA SE DEFINE POR LA CANTIDAD DE CALOR QUE ENTRA O SALE DE UNA UNIDAD DE MASA, CUANDO EN ÉSTA VARÍA UN GRADO SU TEMPERATURA. SUS UNIDADES SON: Cal/gm°C O Btu/Lbm°F

EL CALOR ESPECÍFICO ES UNA PROPIEDAD DE UNA SUBSTANCIA DADA, MIENTRAS QUE LA CAPACIDAD CALORÍFICA ES UNA PROPIEDAD DE UN CUERPO FORMADO POR DICHA SUBSTANCIA. EL CALOR ESPECÍFICO DE UNA SUSTANCIA LO PODEMOS ENCONTRAR DE DOS MANERAS:

• CALOR ESPECÍFICO A VOLUMEN CONSTANTE “CV” O Cv = du/dt

EL CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS A VOLUMEN CONSTANTE ES LA CANTIDAD DE CALOR NECESARIO PARA ELEVAR LA UNIDAD DE MASA DEL GAS EN UNA UNIDAD DE TEMPERATURA, MIENTRAS EL VOLUMEN PERMANECE CONSTANTE.

• CALOR ESPECÍFICO A PRESIÓN CONSTANTE “Cp” O Cp = dh/dt

EL CALOR ESPECÍFICO DE UN GAS A PRESIÓN CONSTANTE ES LA UNIDAD DE CALOR NECESARIO PARA ELEVAR LA UNIDAD DE MASA EN UNA UNIDAD DE TEMPERATURA, MIENTRAS LA PRESIÓN PERMANECE CONSTANTE.

LA APLICACIÓN DE ESTOS CONCEPTOS ES FUNDAMENTAL EN EL ESTUDIO DE LOS PROBLEMAS RELACIONADOS CON LAS DIVERSAS TRANSFORMACIONES DE ENERGÍAS.

GASES IDEALES: LOS GASES IDEALES SON AQUELLAS SUSTANCIAS SOBRE LAS CUALES LAS LEYES DE LOS GASES IDEALES RINDEN RESULTADOS SUFICIENTEMENTE EXACTOS; DE NO SUCEDER ASÍ, SE CONSIDERARÁN GASES IMPERFECTOS.

LAS LEYES DE LOS GASES IDEALES SON:

LEY DE BOYLE: SIEMPRE QUE LA MASA Y LA TEMPERATURA DE UNA MUESTRA DE GAS SE MANTIENEN CONSTANTE, EL VOLUMEN DEL GAS ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL A SU PRESIÓN ABSOLUTA.

CONSIDÉRESE UN CILINDRO EQUIPADO CON UN ÉMBOLO MÓVIL, COMO SE MUESTRA EN LA FIGURA. EN LA FIGURA (a), EL ESTADO INICIAL DEL GAS SE DESCRIBE POR SU PRESIÓN P1 Y SU VOLUMEN V1. SI EL ÉMBOLO SE PRESIONA HACIA ABAJO HASTA LA NUEVA POSICIÓN INDICADA EN LA FIGURA (b) SE INCREMENTARÁ SU PRESIÓN A P2, EN TANTO QUE EL VOLUMEN DISMINUYE A V2. ESTE PROCESO SE MUESTRA GRÁFICAMENTE EN LA FIGURA (c).

FIGURA (a) FIGURA (b) FIGURA (c)

CUANDO UN GAS SE COMPRIME A TEMPERATURA DIAGRAMA P-V EN EL QUE SE

CTE. EL PRODUCTO DE SU PRESIÓN Y SU VOLUMEN MUESTRA QUE LA PRESIÓN DE

SIEMPRE ES CTE, O SEA, P1V1 = P2V2 UN GAS VARÍA INVERS. A SU VOL.

LA LEY DE BOYLE REVELA

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