Termodinamica y Maquinarias termicas

TERMODINAMICA  Y  MAQUINAS  TERMICAS

Prof.  Ing. Mónaco José Alberto

UNIDAD  1:  Sistemas Termodinámicos. Parámetros o variables de estado: presión,  temperatura  y volumen. Unidades. Equilibrio  Termodinámico. Medición de presiones y temperaturas. Ecuación de estado. Leyes de  los gases. Trabajo. Energía. Tipos de energía.  Primer  Principio  de  la  Termodinámica. Entalpía.

TERMODINÁMICA

La Termodinámica o dinámica del calor  es  una  parte de la Física  que estudia las transformaciones de la energía y en particular la transformación del  calor en trabajo mecánico.

La  Termodinámica Técnica se refiere especialmente a la obtención y al empleo del trabajo y establece una relación previa fundamental y teórica al estudio de las máquinas térmicas  como:  máquinas de vapor,  motores de combustión interna, máquinas  frigoríficas,  turbinas de vapor,  turbinas de gas;  además  de  los procesos  de  acondicionamiento  de  aire  y  los  de  conservación de alimentos.

Sistemas  Termodinámicos

Para el estudio de la Termodinámica es necesario conocer lo que es un sistema termodinámico. Se define como tal a toda porción de materia limitada por una superficie  (la del  recipiente  que  la  contiene)  y  con  un  medio  exterior  que  lo rodea.  A través de la superficie que rodea  a la  materia,  puede  pasar la energía  ya  sea  en  forma  térmica  o  mecánica   (figura 1):

                      Materia

                                        Medio exterior  [pic 1][pic 2]

[pic 3]

[pic 4]

                                              Superficie[pic 5]

                       Energía

          Figura 1

Los  sistemas  termodinámicos  pueden  ser:

a) Aislado: Es  aquel  sistema  que  no  intercambia  energía,  ni materia fuera  de  sus  límites y  además  no  hay  cambios  físicos  en  la  materia  que  lo constituye. Por  ejemplo.. una garrafa con gas  licuado  cuando se  encuentra cerrada  la  válvula,  donde  el  gas  permanece  sin  cambios  dentro  del  sistema.  .

b) Cerrado:  Es  aquel sistema  sin  flujo,  en  el  cual la cantidad de materia que  constituye  al sistema se mantiene,  aún  cuando hay cambios físicos en la misma,  pero  sin  que  haya  intercambio  de  esta  con  el  medio  exterior.  Por  ejemplo  en  el  cilindro    de  la  figura 2   que  corresponde  a  un  motor Otto,  es  decir  que  funciona  con  nafta  como  combustible, al  abrirse  la válvula  de  admisión (Va) entra  al  cilindro una  cantidad  de  mezcla  de  aire  y  nafta  pulverizada,  luego  se  cierra la válvula  de

                                                admisión   y   la  mezcla  es  comprimida   por   el   pistón  

                                                que   avanza  hacia   el   punto   muerto  superior  (PMS), [pic 6]

                                                en  esa  instancia  varían  las  condiciones  físicas  de  la                

                                                sustancia,  porque aumentan la  presión y la  temperatura      

                                                pero  la  cantidad  de  esta se  mantiene, es  decir que no

                                       hay  intercambio de sustancia con el medio  exterior, pero

                    Figura 2                 si hay intercambio de energía. (calor  y  trabajo)

                     .

c)  Abierto:  Es  aquel  sistema  con flujo en el que  existe intercambio  de  sustancia  y  de  energía (calor  y  trabajo)  con  el medio  exterior.  Por  ejemplo  en  el  cilindro de  la  figura 2,  luego  de  producirse  la  combustión  de  la  mezcla que  se  encontraba  comprimida,  se  produce  una  expansión,  desplazándose  el  pistón  hacia  el  punto muerto inferior (PMI)   y  luego  los  gases  que  quedan  de  la  combustión  son  desplazados por  el  pistón  que  vuelve  en  su  carrera  hacia el  punto muerto  superior (PMS),  se  abre  entonces  la válvula  de  escape  (Ve),  para que  dichos  gases  salgan  del  cilindro  hacia  el  medio  exterior.  Por  lo  tanto  en  este  caso  existe  un  intercambio  de  sustancia  y  e  energía con  el  medio  exterior.

También  en  estos  procesos con flujo se  puede  distinguir además el  sistema  abierto con  movimiento  permanente  o  estacionario,  en  el  cual existe una  cantidad  de  masa que  circula por el sistema en un tiempo  determinado,  como   es  el  caso de los compresores  de aire y de instalaciones frigoríficas.

Parámetros  o  Variables  de  Estado  de  un  Sistema  Termodinámico

En cualquier  Sistema Termodinámico,  se pueden  observar en la sustancia que lo  constituye  una  serie  de propiedades o magnitudes  físicas  características  que  reciben  el  nombre  de  parámetros,  muchos  de  ellos  son  evidenciables  por  instrumentos de  medición  y  otros no.

Se  llaman  parámetros  intensivos   aquellos  que  son  independientes  de  la  cantidad  de  sustancia  que  contiene  el  sistema, tales  como:  la  presión,  la  temperatura,  la  viscosidad  y la  velocidad.

Se  llaman  parámetros  extensivos,  aquellos que  dependen  de  la  cantidad  de  sustancia  que  contiene  el  sistema,  tales  como:  la  masa,  el  volumen  y  la  capacidad  calorífica.  Estos  parámetros  se  pueden  transformar  en  intensivos cuando  se  refieren a una  determinada  cantidad  de  sustancia como  sucede  con:  la  densidad,  el  volumen  específico  y  el  calor  específico.

Equilibrio  Termodinámico  

El estado  de  un  Sistema Termodinámico  se  puede definir por una determinada  cantidad de parámetros cuya  intensidad  se  puede elegir en forma independiente.  Así  por ejemplo para un gas  perfecto conocido  resulta suficiente  establecer  el  valor  de  las  propiedades  elegidas,  por  ejemplo:  la  presión  y  la  temperatura.

Supongamos  que los parámetros del Sistema no varían con el tiempo,  se  dice  entonces que  existe un  Equilibrio  Termodinámico.  Este  equilibrio  sólo  se  puede  lograr  a  través  de  tres  condiciones:

a) Equilibrio  químico: cuando la  composición  química  de  la  sustancia  que  constituye  el  sistema  no varía  con  el  tiempo.

b)  Equilibrio  mecánico:  cuando no  existen  movimientos  macroscópicos  dentro del   sistema  o  entre  este  y  el  medio  exterior.  Es  decir que la presión en cada punto del sistema  es la misma.

c)  Equilibrio Térmico: cuando la temperatura se mantiene uniforme en todo el  sistema.

Las condiciones  anteriores  implican  uniformidad  de  la  temperatura y  de la  presión  en  el  sistema  y  entonces es  posible  definir  el  estado  del  mismo  mediante  estos   parámetros,  los  que  también se  denominan  variables  de  estado,  porque  identifican  los distintos  estados del  sistema  cuando  varía  alguno de  ellos.

[pic 7][pic 8]

Para el estudio de los Sistemas Termodinámicos, se consideran los  principales parámetros  que  los  identifican,  tales  como:  la  presión,  la  temperatura  y  el  volumen.

Presión 

Para analizar este parámetro,  consideramos la presión sobre sólidos y la presión  en  fluidos.

a) Presión  en  sólidos: Se define  como  presión  en  sólidos  a la fuerza  que  actúa  sobre  la  unidad  de  superficie:

                                                                  [pic 9]

              S              F[pic 10]

...