APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA EN LA INGENIERIA
Presentado a: Ing. PETER VELAZQUEZ
UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO ACULTAD DE ELECTROMECANICA TERMODINAMICA !"#$
APLICACIONES DE LA TERMODINAMICA EN LA INGENIERIA
Presentado a: Ing. PETER VELAZQUEZ
Presentado %or: RO&ER IVAN SUAREZ DELGADILLO
UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑO ACULTAD DE ELECTROMECANICA TERMODINAMICA !"#$
INTRODUCCION
Con e' desarro''o de 'os %ro(esos te(no')g*(os + de 'as *nn,-era'es a%'*(a(*ones de 'a *ngen*er/a -oderna se en(,entra (on ,no de 'os (a-%os *-%ortantes e *n0',+entes de estos ade'antos1 'a ter-od*n2-*(a 'a (,a' (o-o 'a (*en(*a de 'a energ/a1 trata de s,s 0or-as1 trans0or-a(*ones e *ntera((*ones (on 'a -ater*a1 a' *g,a' 3,e 'as re'a(*ones entre e' (a'or + 'as restantes 0or-as de energ/a 'as (,a'es se est,d*ar2n a 'o 'argo de' (,rso. E' est,d*o de esta (o-%eten(*a 4,ega ,n %a%e' -,+ *-%ortante en e' desarro''o de' *ngen*ero e'e(tro-e(2n*(o %,es %er-*te (ono(er 'os d*0erentes (a-%os de a%'*(a(*)n1 'as d*st*ntas 0or-as de a%ro5e(6ar de 0or-a 7t*' 'a energ/a + de a%render %or -ed*o de d*0erentes %ro(esos (o-o otener'a1 trans0or-ar'a + e-%'ear'a %ara sat*s0a(er 'as ne(es*dades de 'a so(*edad. La trans0or-a(*)n de 'a 6,-an*dad1 de n,e5as 0or-as + %rotot*%os te(no')g*(os se deen en gran %arte a 'a *-%'e-enta(*)n de a%'*(a(*ones ter-od*n2-*(as (o-o 'a trans0eren(*a de (a'or + de -asa1 e' est,d*o de t*%os de (o-,st*'e reno5a'e + no reno5a'e en a%'*(a(*ones a,to-otr*(es1 'a ,t*'*8a(*)n + e' est,d*o de' 5a%or + de' gas en %ro(esos *nd,str*a'es + ade-2s en e' d*se9o de ,n s*n n,-ero de -e(an*s-os1 e3,*%os + %ro(esos de -an,0a(t,ra.
O&ETIVOS
O&ETIVO GENERAL
Est,d*ar 'os d*0erentes (a-%os de a%'*(a(*)n de 'a ter-od*n2-*(a1 'os 0,nda-entos te)r*(os1 'e+es + (2'(,'os -ate-2t*(os ,t*'*8ados en 'a *ngen*er/a %ara 'a trans0or-a(*)n de 'a energ/a + s, ,t*'*8a(*)n en 'os d*0erentes %ro(esos *nd,str*a'es.
O&ETIVOS ESPECIICOS: Ident*0*(ar 'os d*0erentes (a-%os de a((*)n de 'a ter-od*n2-*(a en 'a *nd,str*a Re(ono(er 'os t*%os de energ/a1 s, 0,ente + 'os e3,*%os %ara %rod,(*r'a E5a',ar e' *-%a(to de 'a ter-od*n2-*(a en e' desarro''o de 'as d*0erentes a%'*(a(*ones en 'a *nd,str*a Esta'e(er 'os d*0erentes -e(an*s-os 3,e se *-%'e-entan en e' %ro(eso de trans0or-a(*)n de 'a energ/a
E' 0,nda-ento de 'a ter-od*n2-*(a est2 asado en (,atro 'e+es1 ,n %ost,'ado + ,n %r*n(*%*o1 'as (,a'es se est,d*ar2n a 'o 'argo de este (,rso. S*n e-argo se res,-en a (ont*n,a(*)n
(ono(e (o-o %r*n(*%*o de (onser5a(*)n de 'a energ/a1 en e' (,a' se esta'e(e 3,e e' a'an(e de energ/a de ,n %ro(eso dee (onser5arse /ntegra-ente + 'o 7n*(o 3,e %,ede o(,rr*r son (a-*os de ,na 0or-a de energ/a a otra1 s*n 3,e e;*sta destrucción o creación de energ/a. Segunda Ley de la Termodinámica: Esta'e(e (r*ter*os de d*s%on**'*dad de energ/a + de calidad de 'a -*s-a1 -*entras 'a %r*-era 'e+ so'o esta'e(e (r*ter*os de (ant*dad de energ/a. La seg,nda 'e+ ade-2s esta'e(e e' orden o d*re((*)n en 'a (,a' %,ede o(,rr*r ,n %ro(eso de 0or-a es%ont2nea. %or e4e-%'o: Una (o-*da (a'*ente re(*1 a' *nd*(ar 3,e ? la entropía de todos los sólidos cristalinos Primera
Ley
de la Termodinámica: se
perfectos es cero a la temperatura de -273.15ºC (Cero absoluto). Ley Cero de la Termodinámica: Esta'e(e 'a ase %ara 'a -ed*(*)n de
te-%erat,ras a' de0*n*r e' e3,*'*r*o t
suficientes dos propiedades intensi#as termodin$micamente independientes. Principio de Conservación de la masa: Este %r*n(*%*o esta'e(e ,n
a'an(e de -asa.
La ter-od*n2-*(a es ,no de 'os (a-%os de' (ono(*-*ento 3,e -2s a%'*(a(*ones %r2(t*(as t*ene1 en es%e(*a' en e' (a-%o de 'a *ngen*er/a + 'as (*en(*as e;a(tas. Cada 5e8 3,e (ond,(*-os ,n a,to-)5*'1 3,e en(ende-os ,n a(ond*(*onador de a*re o (o(*na-os a'g7n a'*-ento1 re(**-os 'os ene0*(*os %r2(t*(os de 'a ter-od*n2-*(a1 o sea e' est,d*o de 'as re'a(*ones en 'as 3,e *nter5*enen: e' (a'or1 e' traa4o -e(2n*(o + otros as%e(tos de 'a energ/a + de s, trans0eren(*a. Por e4e-%'o1 en e' -otor de ,n a,to-)5*'1 se genera (a'or %or 'a rea((*)n 3,/-*(a entre e' o;*geno + 'a gaso'*na 5a%or*8ada en 'os (*'*ndros. E' gas (a'*ente e-%,4a 'os %*stones de 'os (*'*ndros1 e0e(t,ando traa4o -e(2n*(o 3,e se ,t*'*8a %ara *-%,'sar e' 5e6/(,'o. Este es ,n e4e-%'o de %ro(eso ter-od*n2-*(o. Para (o-%render 'as d*0erentes a%'*(a(*ones de 'a ter-od*n2-*(a 6a+ 3,e d*0eren(*ar de 3,e est2 (o-%,esto ,n s*ste-a1 (,2'es son s,s %artes + s, (o-%orta-*ento. Pode-os de0*n*r ,n s*ste-a (o-o 'a %arte de' ,n*5erso o 'a (ant*dad de -ater*a 3,e (ont*ene -asa + 5o',-en + 3,e en ,n est,d*o se se%ara %ara e;a-*nar'a o ana'*8ar'a1 este a s, 5e8 *ntera(t7a (on e' resto de (o-%onentes -ed*ante e' *nter(a-*o de energ/a o de -asa 'a (,a' se %,ede %rod,(*r o (ons,-*r %ara e' 0,n(*ona-*ento. Un s*ste-a ter-od*n2-*(o =ta-* se de0*ne (o-o 'a %arte de' ,n*5erso o4eto de est,d*o. Un s*ste-a ter-od*n2-*(o %,ede ser ,na (<','a1 ,na %ersona1 e' 5a%or de ,na -23,*na de 5a%or1 'a -e8('a de gaso'*na + a*re en ,n -otor t %or %aredes rea'es o *-ag*nar*as De%end*endo e' (aso o4eto de est,d*o o 'a a%'*(a(*)n 'os s*ste-as %,eden ser a*ertos o (errados 'os (,a'es %oseen (*ertas %ro%*edades 3,e ser2n o4eto de est,d*o a 'o 'argo de' (,rso.
Var*a'es ,t*'*8adas en 'as d*0erentes a%'*(a(*ones en ter-od*n2-*(a
Presión es ,na %ro%*edad -,+ 7t*' %ara des(r**r e' estado de ,n s*ste-a1
+a 3,e -,(6os de 'os s*ste-as est,d*ados en ter-od*n2-*(a (o-%renden gases o 5a%ores. La %res*)n se de0*ne (o-o 'a 0,er8a nor-a' a ,na s,%er0*(*e rea' o *-ag*nar*a 1 e4er(*da %or ,n*dad de 2rea en e' s*ste-a
Temperatura es 'a -ed*da de' (a'or de ,n (,er%o1 ta-*
(o-o 'a %ro%*edad 3,e re%resenta e' grado de a(t*5*dad -o'e(,'ar de' s*ste-a
Calor E' (a'or es ,na (ant*dad de energ/a + es ,na e;%res*)n de'
-o5*-*ento de 'as -o'<(,'as 3,e (o-%onen ,n (,er%o. C,ando e' (a'or entra en ,n (,er%o se %rod,(e (a'enta-*ento + (,ando sa'e1 en0r*a-*ento. In(',so 'os o4etos -2s 0r/os %oseen a'go de (a'or %or3,e s,s 2to-os se est2n -o5*endo.
Masa es ,na -ed*da de 'a (ant*dad de -ater*a 3,e %osee ,n (,er%o.
Densidad es ,na -agn*t,d re0er*da a 'a (ant*dad de -asa en ,n deter-*nado 5o',-en de ,na s,stan(*a.
Ta-*
propiedades intensivas : son a3,e''as 3,e no de%enden de 'a (ant*dad de
s,stan(*a o de' ta-a9o de ,n s*ste-a1 %or 'o 3,e (,+o 5a'or %er-ane(e *na'tera'e a' s,d*5*d*r e' s*ste-a *n*(*a' en 5ar*os s,s*ste-as1 %or este -ot*5o no son %ro%*edades ad*t*5as.
propiedades extensivas: son 'as 3,e de%enden de 'a (ant*dad de
s,stan(*as de' s*ste-a1 + son re(/%ro(a-ente e3,*5a'entes a 'as *ntens*5as. Una %ro%*edad e;tens*5a de%ende %or tanto de' ?ta-a9o@ de' s*ste-a. Una %ro%*edad e;tens*5a t*ene 'a %ro%*edad de ser ad*t*5a en e' sent*do de 3,e s* se d*5*de e' s*ste-a en dos o -2s %artes1 e' 5a'or de 'a -agn*t,d e;tens*5a %ara e' s*ste-a (o-%'eto es 'a s,-a de 'os 5a'ores de d*(6a -agn*t,d %ara (ada ,na de 'as %artes.
Aplicaciones de la termodinámica
En la construcción En la construcción de edifcaciones, en especial de las estructuras metálicas se debe tomar en cuenta sus propiedades al dilatarse o contraerse con los cambios de temperatura del ambiente, también para el estudio de los cambios de ase de las dierentes sustancias.
Podemos estudiar diversas acciones que se rigen por las leyes de la termodinámica y que
aectan
a
las
edifcaciones,
algunas
de
estas
son:
Transferencia de calor: Es undamental en el estudio energético de la estructura. El calor uye entre las paredes y suelo de la vivienda, gracias a los mecanismos de transerencia de calor, sabemos la limitación energética de la vivienda, las cargas térmicas a la que está sometida, y también conocemos los enómenos sicos que se presentan.
Psicrometría: Es
una
rama
de
la
ciencia
por
la
cual
se
estudian
las
propiedades termodinámicas del aire !"medo y del eecto de la !umedad atmosérica en los materiales y en el conort !umano. #aber estas propiedades es de suma importancia a la !ora de dimensionar instalaciones de ventilación y climati$ación en las edifcaciones.
Dinámica de uidos: %undamental en el cálculo de tuberas y conductos para instalaciones en viviendas y edifcios.
Turbinas
bien sean accionadas con vapor o turbinas de gas estas se emplean
masivamente en la ingeniera industrial y eléctrica como parte de los ciclos termodinámicos de transormación de calor en movimiento, as como en la &ngeniera 'eronáutica, en donde se utili$an como motores de aeronaves. (as turbinas son máquinas de u)o permanente, en las cuales el vapor o los gases de combustión entran por las tuberas y se e*panden !asta una presión más ba)a. 'l !acerlo la corriente de vapor+gas, adquiere una gran velocidad.
Parte de la energa cinética de este c!orro es cedida a los alabes de la turbina, de la misma manera que un c!orro de agua cede energa a los cangilones de una rueda !idráulica. 'dicionalmente, la turbina puede ir unida, ba)o un mismo e)e con un compresor este se conoce como integración energética en la que el traba)o generado por la turbina lo emplea el compresor para comprimir el gas a la presión que se necesita. Es más, en varias plantas de proceso, especfcamente en una de (P- !e visto como se !ace todo un estudio completo de ingeniera para poder implementar la integración energética entre corrientes de proceso mediante el uso de intercambiadores de calor.
Unidades de refrigeración: estos elementos son otro e)emplo de la termodinámica aplicada a la industria, sobre todo en las plantas mencionadas se emplean sistemas de rerigeración con propano para los sistemas de enriamiento, que generalmente son c!illers /n 0!iller es una unidad enriadora de lquidos. /n c!iller es capa$ de enriar el ambiente usando la misma operación de rerigeración que los aires acondicionados o des!umidifcadores, enra el agua, aceite o cualquier otro uido1 donde el propano se bombea por la cora$a y se evapora completamente con el fn de enriar o condensar la corriente de proceso estas unidades utili$an el principio de enriamiento por evaporación, son intercambiadores tipo 2ettle debido al alto porcenta)e de vapori$ación del propano.
Maquinas térmicas: es un dispositivo que convierte energa térmica en otras ormas "tiles de energa, como la energa eléctrica y+o mecánica. 3e manera e*plcita, una máquina térmica es un dispositivo que !ace que una sustancia de traba)o recorra un proceso cclico durante el cual 41 se absorbe calor de una uente a alta temperatura, 51 la máquina reali$a un traba)o y 61 libera calor a una uente a temperatura más ba)a.
Por e)emplo, en un motor de gasolina, 41 el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 51 se reali$a traba)o mecánico sobre el pistón y 61 la energa de desec!o sale por el tubo de escape. 7 en un proceso caracterstico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o alg"n otro tipo de combustible se quema y el calor genera8 do se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige !acia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energa asociada a dic!a rotación se usa para mover un generador eléctrico.
