Termodinamica

LIQUIDO COMPRIMIDO

Sustancia pura: es aquella que no se puede descomponer en otras mediante procedimientos físicos (como calentamiento o un campo magnético).

Sustancia simple: es aquella sustancia pura que está formada por uno o más átomos del mismo elemento químico en sus posibles estados alotrópicos. Por ejemplo, el oxígeno (O2) y el ozono (O3) son sustancias simples, ya que sus moléculas están formadas sólo por átomos de oxígeno

Sustancia compresible:

Cambios de fase: Se denomina cambios de fase a variaciones bruscas en alguna propiedad de un material que ocurran a una temperatura bien definida.

Temperatura de saturación: es la temperatura de un líquido, vapor, o un sólido, donde si se agrega o se quita donde si cualquier calor, es añadido o removido, se produce un cambio del estado.

Presión de vapor o de saturación: presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas.

EJEMPLO DE AMBOS

Considere un dispositivo de cilindro embolo que contiene agua líquida a 20°C y 1 atm de presión. En estas condiciones el agua existe en fase liquida y se denomina liquido comprimido, lo cual significa que no está a punto de evaporarse. Se transfiere calor al agua hasta aumentar su temperatura a, por ejemplo 40°C. A medida que aumenta la temperatura, el agua líquida se expande un poco y por consiguiente aumentara su volumen especifico y debido a esta expansión el embolo sube ligeramente. La presión en el cilindro permanece constante en 1 atm durante este proceso porque depende de la presión barométrica externa y el peso del embolo que son constantes. El agua es un líquido comprado en este estado todavía puesto que no ha comenzado a evaporarse.

Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumenta hasta alcanzar 100°C, punto en que el agua todavía permanece liquida pero cualquier adición de vapor hace que se vaporice algo de agua; es decir, está a punto de tener lugar un proceso de cambio de fase de liquido a vapor. Un líquido que está a punto de evaporarse se llama líquido saturado; así el estado 2 corresponde al de un líquido saturado.

LIQUIDO SATURADO

se dice que el líquido está saturado si al agregar energía (calor), una fracción de él pasa a la fase vapor.

Liquido subenfriado: Es el estado termodinámico en el cual sólo existe la fase líquida, la cantidad de calor por cada kilogramo de agua que se necesita para adicionar 1°C de temperatura corresponde a 4.2 (KJ / Kg.), y que corresponde al calor que agregamos al agua. Se manifiesta en un cambio en la entalpía, no así en sus otras características termodinámicas como son el volumen específico y su presión.

Liquido comprimido: Se denomina así a un líquido que está sometido a una presión mayor que a presión de equilibrio líquido – vapor correspondiente a la temperatura a que se encuentra.

Calidad:

Vapor saturado: Se denomina así a un vapor que se encuentra en condiciones de equilibrio con su líquido. En este estado tenemos la última gota de líquido que se transforma en vapor.

Liquido subenfriado

Es el estado termodinámico en el cual sólo existe la fase líquida, la cantidad de calor por cada kilogramo de agua que se necesita para adicionar 1°C de temperatura corresponde a 4.2 (KJ / Kg.), y que corresponde al calor que agregamos al agua. Se manifiesta en un cambio en la entalpía, no así en sus otras características termodinámicas como son el volumen específico y su presión.

Título o calidad de vapor (X) :

El titulo se puede definir como la masa de vapor presente en una mezcla total. Su de6terminacion puede ser realizada utilizando un calorímetro de mezcal, de Ellison o de expansión y un sobrecalentador.

X = masa vapor

masa total

Donde: masa total = masa liquido + masa vapor.

El valor del titulo va de 0 a 1: los estados de liquido saturado tienen x = 0 y los de vapor saturado corresponden a x = 1. Aunque se define como un cuociente, el titulo se da frecuentemente cono un porcentaje.

La temperatura de un líquido puede reducirse más allá del punto normal de congelación mientras este permanece sin congelarse o sin solidificarse y aún el estado líquido. Esto es subenfriamiento.

El fenómeno del subenfriamiento se presenta en substancias puras, sin perturbaciones que se enfrían lentamente. Mientras que las moléculas no se agrupen para formar un núcleo sólido (llamado"enucleación"). La muestra permanece en el estado líquido. Una vez que se forma un núcleo sólido, éste se extiende rápidamente por toda la muestra, y aquí, otra contradicción ocurre. La temperatura se eleva rápidamente mientras el calor latente de fusión es emitido en un fenómeno que se llama "recalescencia" y muchas veces se observa un destello de luz. La muestra entonces empieza a enfriarse mientras cambia del estado líquido al sólido.

El perfil de temperatura cuando una muestra es calentada y luego enfriada, y durante recalescencia, se muestra en la gráfica. Este perfil es importante para entender las propiedades físicas de diferentes aleaciones.

Lo que es aún más interesante es que cuando se permite a la muestra subenfriada que se congele o solidifique, ésta forma un material que es muy diferente al material que se obtiene cuando se congela de la manera "normal" este es el caso de nuevos materiales que se obtienen cuando una sustancia metálica subenfriada se congela o solidifica.

Casi todo el mundo ha visto muchas veces un líquido subenfriado y luego solidificado rápidamente - uno que se llama nieve Los copos de nieve se forman cuando agua subenfriada cae a través de la atmósfera, chocando eventualmente con otra gota de agua o con un grano de polvo en el aire, lo cual hace que ésta se solidifique rápidamente para formar una estructura cristalina en el copo de nieve. La estructura del copo de nieve es muy diferente a la del hielo común, aunque ambas son agua congelada.

Esto es porque el hielo se congela desde su estado normal líquido, mientras que los copos de nieve se solidifican desde su estado de subenfriamiento. Si los copos de nieve se mantienen sin perturbaciones, eventualmente se convierten en hielo común - porque el "estado de copo de nieve" es solo parcialmente estable, o meta estable.

Si un metal suspendido en un vacío, sin tocar un contenedor es calentado y luego enfriado, su temperatura puede bajar más allá del punto de congelación mientras permanece en el estado líquido. De esta manera es posible tener metales líquidos a una temperatura varios cientos de grados por debajo del punto normal de solidificación o "congelación" del metal.

Cuando el metal eventualmente se solidifica, esto ocurre en una fracción de segundo, tan rápido que su energía emite un pulso de luz. Las clases de metales sólidos que se obtienen bajo este proceso son muy diferentes de las que se obtienen de cualquier otra manera.

Algunos de los nuevos materiales metálicos obtenidos por el proceso de subenfriamiento permanecen en un estado amorfo en su estructura molecular, sin cristalizarse. Estos materiales son llamados "metales líquidos" -- e incluyen materiales como la aleación Liquidmetal mezcla de titanio, zirconio, níquel, cobre y berilio que se utiliza en palos especiales de golf.

SUBENFRIAMIENTO DE LÍQUIDO

Parte del líquido refrigerante que es recirculado en un sistema de refrigeración se usa para remover su propio contenido de calor (entalpía). El calor del líquido es absorbido en

el punto de reducción de presión (la VET reduce la presióndel lado de alta a la del lado de baja).

Durante la operación de clima fresco, cuando es posible capitalizar el “subenfriamiento

gratis”, la eficiencia del sistema puede aumentarse en 5% por cada 10°F (6 °C) de subenfriamiento de líquido, resultando en una reducción de los costos de operación.

Usando un sistema de baja temperatura multiplexado de 100 hp como ejemplo, un subenfriamiento de 30°F (-1°C) reducirá los requerimientos de flujo de refrigerante en el sistema en un 15 % ó lo suficiente para poner a descansar o parar un compresor de 15 hp. El costo de operar un compresor de 15 hp es de aproximadamente US $ 0.78 por hora en

base a US $ 0.07 por kWh. Asumiendo que el compresor fue diseñado para operar 22 horas por día, se pueden lograr ahorros aproximados de US $ 515 mensuales.

¿COMO SE LOGRA EL SUBENFRIAMIIENTO DE LÍQUIDO?

Frecuentemente se usan intercambiadores succión /líquido para transferir calor de la línea líquida a la línea de succión.

Aunque esta manera es efectiva en proveer líquido subenfriado, tiene un costo para la capacidad del sistema, dado que se añade calor al gas de succión lo cuál reduce la eficiencia volumétrica del compresor.

Ocasionalmente se utilizan subenfriadores mecánicos en la forma de sistemas de refrigeración auxiliares o usando una parte de la capacidad del sistema principal. Aunque existen situaciones donde el uso de estos métodos es ventajoso, de la misma forma que con intercambiadores de calor línea de succión / líquida, el subenfriamiento logrado con uno de estos métodos tiene una penalización que requiere un costo adicional.

El subenfriamiento en el condensador no tiene un costo adicional al sistema, pero desafortunadamente es disponible solamente cuando las condiciones del ambiente exterior son favorables y el sistema está diseñado para usarlas para su ventaja.

Muy poco subenfriamiento en el condensador es posible durante la operación de verano debido a la diferencia de temperatura (DT) entre el aire que circula a través del condensador y la temperatura del refrigerante que sale. Durante la operación de invierno, con control de presión de cabeza del lado del refrigerante, la diferencia de temperatura (DT) entre la alta temperatura (presión) de condensación y la baja temperatura de ambiente exterior puede ser significativa.

PRESERVANDO EL SUBENFRIAMIENTO DE LÍQUIDO

Cuando se usa un recipiente de líquido convencional “flujo a traves”, cualquier subenfriamiento producido en el condensador es esencialmente perdido cuando llega al recipiente. Al inicio, en la discusión de control de presión de cabeza del lado del refrigerante, se anotó que el gas caliente proveniente de la descarga del compresor que fluye al recipiente sirve el propósito de calentar el líquido subenfriado que viene del

condensador a una condición de saturación más alta.

El subenfriamiento puede preservarse cambiando el patrón de flujo del recipiente de líquido de “flujo a través” a “oleada” (surge). El sistema ilustrado en la figura 1 usa un arreglo de tubería que permite que el recipiente pueda ser convertido de “flujo a traves” a “oleada” (surge) durante la operación de invierno cuando está disponible un subenfriamiento substancial. Abriendo la válvula solenoide colocada en la desviación

alrrededor del recipiente, el líquido subenfriado fluye del condensador alrrededor del recipiente y directamente a los evaporadores. El líquido desviado alrrededor del recipiente previene que el refrigerante subenfriado regrese a su condición de saturación en el recipiente. Puede ser necesario añadir interruptores de presión de abanicos, un termóstato en la pierna caída (drop leg) y aislamiento en la línea líquida si no están presentes en el sistema.

SELECCIONADO Y AJUSTANDO LOS CONTROLES PARA

MANTENER LA PRESIÓN DE CABEZA

Los valores de ajuste y la secuencia de ajuste son críticos.

Los ajustes están diseñados para maximizar la eficiencia del sistema cuando las condiciones ambientales permiten el subenfriamiento de líquido. Las variables de aplicaciones individuales en sistemas pueden necesitar que los rangos de algunos ejemplos recomendados sean acortados o alargados.

Válvula Sorit

En el ejemplo de la ilustración, el equipo es un sistema de baja temperatura de rack multiplexado de 100 hp. El condensador enfriado por aire tiene ocho abanicos, con dos bancos de cuatro abanicos en una hoja de aleta común que tiene circuítos para una división 50/50. Los compresores son de una sola etapa, y el refrigerante es 404A. Una válvula Sporlan ME34S290 fué seleccionada para la línea de desviación y tiene un valor de capacidad 30 tons (106 kW) para un flujo de líquido a 50°F(10°C) a una caída de presión de 1.1 psi (0.08 bar).

Ejemplos

1) Verifique la razón de compresión. Para calcular la razón de compresión las presiones de succión y descarga deben ser convertidas a valores absolutos (psia = psig+14.7); (bar abs = bar + 1.0133). Luego la razón de compresión se expresa como la razón de la presión absoluta de descarga a la presión absoluta de succión.

Presión de descarga 161 psig = 175.7 psia (12.11 bar)

Presión de succión 16 psig = 30.7 psia ( 2.12 bar)

Razón de compresión = 175.7 (12.11) / 30.7 (2.12) = 5.7

La razón de compresión mínima recomendada es 2.

2) Establezca las válvulas de control de presión de cabeza.

Válvulas de control de presión de cabeza son ORIT-15-65/225 y CROT-65/225,con suficiente capacidad para 30 tons(106 kW). Dado que R-404A tiene una presión de saturación de

160 psig (11.02 bar) a 74°F(23 °C), la temperatura ambiente

exterior del día que se hagan los ajustes debe ser menor.

VAPOR SATURADO

El "vapor saturado" es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el liquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor.

El vapor saturado se utiliza en multitud de procesos industriales difícil de señalar de un vistazo, pues interviene en procesos físicos, químicos, etc en la obtención de múltiples elementos. También es el método más efectivo y de menor costo para esterilizar la mayoría de los objetos de uso hospitalario, mediante autoclaves. Se utiliza el vapor saturado a presión atmosférica en la hidrodestilación, que son procesos donde por ejemplo se obtiene el aceite esencial de una planta aromática. En labores de limpieza con vapor. En la pasteurizacion de alimentos y bebidas, etc. En sistemas de calefacción central urbana (district heating). Etc.

El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.

EJEMPLO el aire al nivel del mar saturado con vapor de agua a 20ºC, tiene una presión parcial de 23 mbar de agua y alrededor de 780 mbar de nitrógeno, 210 mbar de oxígeno y 9 mbar de argon.

VAPOR SOBRECALENTADO

El "vapor sobrecalentado" es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calders de vapor pero que tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión.

Se utiliza para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque también se ha usado el vapor saturado, el sobrecalentado tiene ventaja. Así que se usa en locomotoras de vapor (con muy pequeño grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generación eléctrica en centrales termoeléctricas tanto convencionales como nucleares, centrales geotermicas, en las centrales llamadas ciclos combinados.

También se utiliza en variados procesos industriales como por ejemplo el de secado de la madera, destilación, obtención del coke, etc,

EJEMPLO

asumimos que la sustancia es agua, que estaba como vapor saturado a 150 psias de presión, como en las tablas la presión esta en bar, son 10.34 bar, pero como solo tengo 10 y 15 bar, teniendo 179.9 y 198.3 °C, respectivamente, usamos un método llamado interpolación, su fórmula es:

Y = ((X-X1)(Y2-Y1) / (X2-X1)) + X1

Y = Valor de la temperatura

X = Valor de la presión que se tiene, en este caso es 10.34 bar

X1 = Valor de la presión anterior a la que se tiene, en este caso es 10 bar

X2 = Valor de la presión posterior a la que se tiene, en este caso es 15 bar

Y1 = Valor de la temperatura que se tiene a la primera presión, 179.9°C

Y2 = Valor de la temperatura que se tiene a la segunda presión, 198.3°C

Sustituimos en la fórmula, y obtenemos la temperatura que tiene el agua en vapor saturado, que es de 181.1512 °C

QUE ES ENTALPIA

La entalpía es la cantidad de energía calorífica de una sustancia.

En una reacción química, si la entalpía de los productos es menor que la de los reactantes se libera calor y decimos que es una reacción exotérmica. Si la entalpía de los productos es mayor que la de los reactantes se toma calor del medio y decimos que es una reacción endotérmica. El cambio de entalpía se denomina ΔH y se define como:

ΔH = ΔHproductos - ΔHreactantes

La entalpía de formación (ΔHf0) es la variación de energía calorífica en la reacción de formación de un mol de un compuesto a partir de sus elementos en sus fases estándar en condiciones depresión y temperatura estándar ambientales (TPEA), que son temperatura de 298 K (25 ºC) y presión de 100 kPa (∼ 1 atm.).

La entalpía de formación de un elemento es cero por definición.

Ejemplo 1: En las tablas encontramos que ΔHf0(CO2) = -394 kJ/mol, esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + O2(g) → CO2(g) en condiciones TPEA es -394 kJ/mol

Ejemplo 2: En las tablas encontramos que ΔHf0(CO) = -111 kJ/mol, esto indica que ΔH para la reacción:

C(s) + 1/2 O2(g) → CO(g) en condiciones TPEA es -111 kJ/mol

Por combinación de las ΔHf0 podemos determinar entalpías de reacción de otras reacciones distintas, puesto que la entalpía es una función de estado (sólo depende de los estados inicial y final, no del camino recorrido)

La ΔH de la reacción CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) será:

ΔH0 = ΔHproductos - ΔHreactantes = ΔHf0(CO2) - ΔHf0(CO) = -283 kJ/mol

Energía interna

La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear.

ejemplo

En cierto proceso quimico, un tecnico de laboratorio suministra 254 J de calor a un sistema. Al mismo tiempo el medio suministra 73 J de trabajo sobre el sistema. Cuanto aumento la energia interna del sistema?

La variacion de energía interna es delta U = Q - W

Q = 254 J positivo pues el sistema gana calor

W = -73 J negativo pues el ambiente realiza trabajo sobre el sistema

luego delta U = 254 - (-73) = 327 J.

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