capitulo_1_introduccion

7/21/2019 capitulo_1_introduccion

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Departamento deIngeniería Mecánica

Departamento de Ingeniería Mecánica

Facultad de Ingeniería

Profesor: Cristian Cuevas

Asignatura : Termodinámica Aplicada

arreras : ngen er a v ec n ca

Ingeniería Civil Aeroespacial

Profesor : Cristian Cuevas

Oficina 337

crcuevas udec.cl

Metodología•Ex osición de los contenidos del curso 3 hrs/sem

•Laboratorios (1 hr/sem) [Lab. de Termofluidos]

•Ejercicios (2 hrs/sem)

Plataforma de comunicación:•Vía correo electrónico

•Sitio infoalumno (http://www.udec.cl/infoda/ingreso.html)

•Consultas en oficina1







EVALUACION DURANTE EL SEMESTRE

3 Certámenes (25, 30, 30)5 tests de Laboratorios 85%3% c/u

EVALUACION DE RECUPERACION

Nota de presentaciónEvaluación de recuperación

60% nota semestre40%

2







CONTENIDOS

1.- Introducción. 1

er

y 2

do

principio2.- Procesos de compresión y expansión

.

4.- Ciclos a vapor

5.- Ciclos a gas

6.- Ciclos combinados

7.- Ciclos receptores

3







CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

La termodinámica está basada en cuatro principios fundamentales:

• Principio Cero equilibrio térmico,

• Primer Principio de Equivalencia y de Conservación

•Segundo Principio o Principio de Carnot irreversibilidad y entropía,

• ercer r nc p o o r nc p o e erns prop e a es e a ma er a en

las vecindades del cero absoluto.

4







CONSERVACIÓN DE LA MASA (ley de Lomonosov-Lavoisier)

“la masa es indestructible; es decir, no se crea ni se destruye”

Sistema cerrado o aislado: M = constante

s ema es a er o: en – sal = sistema

5







En forma diferencial con respecto al tiempo:

τ d

dM M M sistema

sal en

=− &&

Forma más general podemos decir que:

n m

&&

τ d

sistema

i i sal ieni

=−∑ ∑= =1 1,,

Convenc ón os u os que entran a s stema son pos t vos

los flujos que salen negativos

6







Primer Principio de la termodinámica

Transformación cíclica principio de equivalencia válido formas deenergía intercambiadas: mecánica y/o térmica. Pueden haber otras

formas de energías intercambiadas: energía eléctrica, energía luminosa,

, .

Transformación abierta la ener ía interna del sistema cambia. Otras

formas de energía propias a dicho sistema, tales como:

•la energía potencial externa,•la energía eléctrica,

•la energía cinética externa,

,

•la energía magnética, etc.7







Expresión general del primer principio

..........., +++=+++ pc j

j

jT

i

i

k

k

Enunciado (en energía): La variación de la energía total de un sistema

es i ual a la suma de todas las ener ías intercambiadas or el sistema

con el medio exterior.

..........., pc

j

jT j

i

i

k

k

de un sistema es igual a la suma de todos los flujos de energía

intercambiados por el sistema con el medio exterior.

..........., +++=+++ ∑∑∑ τ τ τ d dE

d dE

d dU h M QW pc

j

jT j

i

i

k

k &&& [W] 8







,

condición donde no hay variación con el tiempo. En este caso el 1er

Principio queda:

0...... =+++ hW &&&,

jik

Flujo estacionario es la condición en la cual un fluido fluye

constantemente a través del volumen de control (o sistema

punto a otro, pero en un punto dado éstas permanecen constantes

durante todo el roceso. Esta es también una condición de ré imen

estacionario.9







Segundo Principio de la termodinámica

Enunciado: la variación de entropía de un sistema termodinámico

, , .

La expresión matemática es:

0≥iS δ

δS i > 0 rocesos irreversiblesδS i = 0 procesos reversibles.

10







MOTOR TERMICO DE CARNOT

El motor térmico que funciona utilizando el ciclo de Carnot es

motor, reversible o irreversible, está dado por:

c

f

c

f c

QQ−=−= 1η W =η Primer

Principio

Si el motor es reversible, como el caso del motor de Carnot, yaplicamos el Segundo Principio de la termodinámica, nos queda:

Q T =−

f c T T cc T Q=

11







f T −= 1η

c

Relación conocida como rendimiento de Carnot

Es el rendimiento más alto que un motor térmico puede alcanzar.

Todo motor irreversible, es decir los reales, que opere entre estas dosfuentes de calor tendrá un rendimiento más bajo.

El rendimiento aumenta cuando la temperatura de la fuente caliente T c.

El rendimiento de un motor real puede ser maximizado suministrando

calor a la temperatura más alta posible y rechazando calor a latemperatura más baja posible 12







ECUACIONES DIFERENCIALES DE LAS FUNCIONES DE ESTADO

dv P P

T dT cdu v ⎥

⎤

⎢

⎡

−⎟ ⎞

⎜⎛ ∂

⋅+=v

Variación de la entalpía

dP T vT vdT cdh

P

P ⎥⎦

⎢⎣

⎟ ⎠

⎜⎝ ∂

∂⋅−+=

Variación de la entropía

P cv ⎛ ∂

T T v ⎠⎝ ∂=

dP T dT T ds P

P

⎟ ⎠⎜⎝ ∂−= 13







Calores específicos cv y c p

v P

P vT cc ⎟

⎞⎜⎛ ∂

⎟ ⎞

⎜⎛ ∂

=−v P

2

T P

v P vT

vT cc ⎟ ⎠⎜⎝ ∂⎟ ⎠⎜⎝ ∂−=−

Esta relación puede ser expresada en función de dos propiedades

termodinámicas llamadas coe iciente e ilatación volumétrico α coeficiente de compresibilidad isotérmico β , definidos por:

P T v ⎠⎜⎝ ∂=α T P v ⎠⎜⎝ ∂−= β 14







15







Así obtenemos que: 0≅− v P cc

Lo que muestra que los calores específicos a volumen constante y a

resión constante de un sólido o de un lí uido difieren mu oco el uno

del otro. Es por esto que para problemas simples omitimos los

subíndices v o P y hablamos solamente de calor específico de un sólido

o de un líquido:ccc v ≅≅

Teniendo en cuenta lo anterior obtenemos las relaciones aproximadas

c

s gu en es:

⋅ ⋅⋅T

⋅17







Diagrama T - s (entrópico)700

600 9 1

2 0 5

, 0 2 1

, 0 0 3

1 m

3 / k

g

500 1 , 6

0 , 3

0 ,

0 ,

0 0

h = 2500 kJ/kg

h = 3500 kJ/kg

300 t [ ° C

]

85,84 bar

220,6 bar

h = 1500 kJ/kg

h = 1900 kJ/kg

200 15,54 bar

39,74 bar h = 1000 kJ/kgh = 3000 kJ/kg

100 1,013 bar

,

0,2 0,4 0,6 0,8

h = 500 kJ/kg

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 s [kJ/kg-K]

18







Diagrama h- s (Mollier)4000 1

3 b a r

4 , 7 5

7 b a

r

5 , 5 4

b a r

9 , 7 4

b a r

5 , 8 4

b a r

0 , 6 b a

r

3500

1 ,

º 1 , 6 7

m 3 / k g

0 , 3 9

m 3 / k g

0 , 1 2

m 3 / k g

5 m 3

/ k g

1 m 3 /

k g

0 3 1

m 3 / k g

0 , 1 2 3 5

b a r

1 2 , 0 3

m 3 / k g

3000

g ] t = 100ºC

t = 150ºCt = 200ºCt = 250ºCt = 300ºC

0 ,

0 , 0 0

,

º

2000 [ k J /

k

0,8

0,9

1500 0,6

1000 0,4

2 3 4 5 6 7 8 9 10

5

s [kJ/kg-K] 19







Diagrama P -h (frigoristas)1000

-25°C 0°C 25°C 50°C 75°C 101°C

1 0 , 8

6 0

, 2 0,00197 m3/kg

]

1 , 2 k J

/ k g - 0

, 0

,

0,007486 m3/kg

3

10 P [

a,

0,03092 m3/kg

0,06934 m3/kg

1

0,1815 m3/kg

0,2 0,4 0,6 0,8

-100 -0 100 200 300 400 50

,

h [kJ/kg] 20







300Diagrama P -v (Clapeyron)

250374 ºC

P crit = 220,6 bar

t crit = 374 ºC

v = 0 00311 m3 /k

200

] º

150

P [ b a

100500 ºC

300 ºC

50

200 ºC

x = 0,2 0,4 0,6 0,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

0

v [m3 /kg]

21







ANÁLISIS DE ALGUNOS EQUIPOS EN RÉGIMEN ESTACIONARIO

Toberas: dispositivos que aumenta la

Difusores: dispositivos que aumentan la

resión de un fluido reduciendo su velocidad.

1C 1C 2

La transferencia de calor entre estos

dis ositivos el medio exterior es or lo

general bastante baja y es considerada como

despreciable (dispositivo adiabático). Estos

dispositivos no realizan trabajo y la variación

1C 1C

2C

de energía cinética es considerada como

despreciable.

22

022

2

2

1

1

=⎟ ⎠⎜

⎜

⎝ +⋅−

⎟ ⎠⎜

⎜

⎝ +⋅ h M h M &&

22







b) Turbinas y compresores

En las centrales de vapor, de gas e hidráulicas, el dispositivo que mueve al generador eléctrico

es la turbina. A medida que el fluido pasa a través de la turbina, este realiza un trabajo sobre sus

álabes, los cuales están unidos al eje de dicha máquina. Como resultado, el eje rota y la turbina& &

produce trabajo (genera potencia).1C 1h

1 z

ambt ,

&t

02

2

2

1 =−− ⎞

⎜⎛

⋅++⋅− ⎞

⎜⎛

⋅++⋅ W z C

h z C

h &&&&

2C &

2h

2 z

22 ⎠⎝ ⎠⎝ ,

23







Los compresores, como las bombas y los ventiladores, son dispositivos utilizados para

. , ,

través de un eje de rotación. Un ventilador es usado principalmente para mover un gas,

incrementando muy levemente su presión. Un compresor es capaz de comprimir un gas a muy. ,

líquidos en lugar de gases.

&2C

2h 2 z ambcpQ ,

&

&

022

12

211

1 =−+⎟⎟ ⎠

⎜⎜⎝

⋅++⋅−⎟⎟ ⎠

⎜⎜⎝

⋅++⋅ amb ,cpcp QW z g h M z g h M &&&&

cp

1C 1h

1 z & 24







c) Dispositivos de estrangulamientoLos dis ositivos de estran ulamiento son cual uier dis ositivo ue restrin e el flu o ue causa

una caída de presión significativa en el fluido. Algunos ejemplos son las válvulas de ajuste, los

tubos capilares y medios porosos. A diferencia de las turbinas, estos dispositivos producen una

pérdida de presión sin realizar ningún trabajo. En algunos casos esta caída de presión esacompañada de una gran caída de temperatura y es por esta razón que estos dispositivos son

utilizados comúnmente en las aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado. La magnitud de

la caída de temperatura (o a veces aumento de temperatura) durante el proceso de

estrangulamiento está gobernado por una propiedad llamada coeficiente de Joule-Thomson.

Hipótesis:

-Dispositivos adiabáticos (muy pequeños),

-No realizan trabajo,

- o ay var ac n e a energ a po enc a ,

-A pesar de que hay una variación de velocidad considerable entre la entrada y salida, la

variación de la energía cinética es despreciable.

21 hh ≅ 222111 v P uv P u ⋅+=⋅+ O energía interna + energía de flujo = constante

25

D d I i í M á i







d) Cámaras de mezclaEn ingeniería se utilizan mucho las cámaras de mezcla. En estos dispositivos es importante

aplicar el balance de masas y de energías.

Se consideran como adiabáticas y las variaciones de energía cinética y potencial se consdierancomo despreciables.

hhh ⋅=⋅+⋅ &&&

321 =+

26

D t t d I i í M á i







e) Intercambiadores de calorUn intercambiador de calor es un dispositivo donde un mismo, dos o más fluidos en movimiento

intercambian calor sin mezclarse. El calor es transferido desde el fluido que está a mayor

temperatura hacia el fluido que está a menor temperatura.

Existen numerosas clasificaciones para los intercambiadores de calor. En este capítulo usaremos

aquella que los divide en función de la dirección en que circulan los flujos: flujo paralelo, contra-

flujo y flujo cruzado

27

De t e t de I e ie í Me á i







e) Intercambiadores de calor

0,, =−

sal cenc M M &&

c sal cenc M M M &&&

== ,,

0,, =− sal f en f M M &&

f sal f en f M M M &&& == ,,

Conservación de la energía

=−⋅−⋅ &&,,,, saen sacencc

Donde:

( ) sal cenccc hh M Q ,, −⋅= &&

&&

: es el calor que cede el fluido caliente,

en f sal f f f ,, −⋅= : es el calor que recibe el fluido frío.

28

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