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INTRODUCCION
Como muchas disciplinas, la termodinámica surge de los procedimientos empíricos que
llevaron a la construcción de elementos que terminaron siendo muy útiles para el
desarrollo de la vida del hombre.
Creemos que la termodinámica es un caso muy especial debido a que sus inicios se
pierden en la noche de los tiempos mientras que en la actualidad los estudios sobre el
perfeccionamiento de las máquinas térmicas siguen siendo de especial importancia, mas
aun si tomamos en cuenta la importancia que revisten temas de tanta actualidad como la
contaminación.
El origen fue sin lugar a dudas la curiosidad que despertara el movimiento producido por
la energía del vapor de agua.
Su desarrollo fue tomando como objetivo principal el perfeccionamiento de las
tecnologías aplicadas con el fin de hacer mas fácil la vida del hombre, reemplazando el
trabajo manual por la máquina que facilitaba su realización y lograba mayor rapidez,
estos avances que gravitaban directamente en la economía, por ello el inicio se encuentra
en el bombeo de aguas del interior de las minas y el transporte.
Mas tarde se intensificaron los esfuerzos por lograr el máximo de rendimiento lo que
llevó a la necesidad de lograr un conocimiento profundo y acabado de las leyes y
principios que regían las operaciones realizadas con el vapor.
El campo de la termodinámica y su fuente primitiva de recursos se amplía en la medida
en que se incorporan nuevas áreas como las referentes a los motores de combustión
interna y últimamente los cohetes. La construcción de grandes calderas para producir
enormes cantidades de trabajo marca también la actualidad de la importancia del binomio
máquinas térmicas-termodinámica.
En termodinámica hay dos importantes áreas de aplicación, la generación de potencia y la
refrigeración. Ambas se realizan mediante sistemas que operan en un ciclo
termodinámico. Los ciclos termodinámicos se dividen en dos categorías generales: Ciclos
de potencia y Ciclos de refrigeración.
Los dispositivos o sistemas empleados para producir una salida de potencia neta reciben
el nombre de maquinas y los ciclos termodinámicos que operan se denominan ciclos de
potencia. Los dispositivos o sistemas utilizados para producir refrigeración se llaman
refrigeradores, acondicionadores de aire o bombas de calor, y los ciclos que operan
reciben el nombre de ciclo de refrigeración.
Los ciclos termodinámicos también se categorizan como ciclo de gas o ciclo de vapor
depende de la fase del fluido del trabajo, es decir la sustancia que circula por el
dispositivo cíclico.
Una de las principales áreas de aplicación de la termodinámica es la refrigeración, que es
la transferencia de calor de una region de temperatura inferior hacia una temperatura
superior
En el ciclo estudiado pudimos conocer la función de cada uno de los componentes que
conforman a este equipo, igualmente determinar las características físicas del ciclo y
aplicar cada una de las formulas correspondientes con los datos por el simulador.
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OBJETIVOS
1) Conocer cada uno de los dispositivos que conforman un ciclo termodinámico
2) Determinar la relación existente entre la Termodinámica y la carrera de Ingeniería
de Mantenimiento Industrial.
3) Incentivar a los estudiantes con el empleo de equipos (simulador del ciclo
termodinámico del Aire Comprimido), termodinámicos que ayuden a facilitar el
proceso de aprendizaje.
4) Estudiar y analizar cada uno de los datos arrojados por el simulador después de
finalizada la practica de laboratorio.
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MARCO TEORICO
TERMODINÁMICA: es la parte de la física que estudia la energía, la transformación
entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y de su capacidad para producir un
trabajo. Está íntimamente relacionada con la mecánica estadística de la cual se pueden
derivar numerosas relaciones termodinámicas. La termodinámica estudia los sistemas
físicos a nivel macroscópico, mientras que la mecánica estadística suele hacer una
descripción microscópica de los mismos.
1 Principios de la Termodinámica
o 1.1 Principio 0 de la termodinámica
o 1.2 Primer principio de la termodinámica
o 1.3 Segundo principio de la termodinámica
o 1.4 Tercer principio de la termodinámica
2 Rendimiento termodinámico
3 Diagramas termodinámicos.
PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
PRINCIPIO 0 DE LA TERMODINÁMICA
Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la misma temperatura que
un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura. Este concepto
fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta después de
haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que reciba la posición 0.
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PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
También conocido como la ley de la conservación de la energía, dice que en un sistema
con una determinada energía interna, si se realiza un determinado trabajo, la energía
interna del sistema variará. A la diferencia entre la energía interna del sistema y la
cantidad de energía se la denomina calor. Fue propuesto por Antoine Lavoisier.
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
El segundo principio de la termodinámica es el que nos indica las limitaciones existentes
en las transformaciones energéticas. Existen numerosos enunciados para este principio
entre ellos se destacan el de Carnot y el de Clausius, los cuales se enuncian a
continuación:
Enunciado de Carnot
“Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento de al menos dos fuentes de calor
a diferentes temperaturas " Siendo una máquina térmica toda aquella que funcione
operando a ciclos.
Enunciado de Clausius
“El calor no puede pasar por si solo de un cuerpo a una determinada temperatura a otro a
temperatura superior "
Estos dos enunciados son equivalentes y expresan una misma ley de la naturaleza la que
se denomina segundo principio de la termodinámica.
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TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito
de procesos físicos. Propuesto por Walther Nernst. Esto es algo solamente para
complementar los principios de la termodinámica por lo cual no se le debe un gran
amplitud sobre la ciencia termodinámica
Rendimiento termodinámico
Un concepto importante en la ingeniería térmica es el de rendimiento. El rendimiento de
una máquina térmica que funciona entre un foco frío a.C. y uno caliente Qh se define
como:
Donde W es el trabajo proporcionado por la máquina.
Carnot demostró que el rendimiento máximo de una máquina es proporcional a la
diferencia de temperatura de sus focos:
Donde TcyTh son las temperaturas del foco frío y foco caliente medidas en kelvin.
Este rendimiento máximo es el correspondiente al de una máquina térmica reversible la
cual es sólo una idealización, por lo que cualquier máquina térmica construida tendrá un
rendimiento menor que el de la máquina reversible operando entre los mismos focos. Lo
cual constituye el teorema de Carnot. ηm.t.reversible > ηm.t.irreversible
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CICLO TERMODINÁMICO
Se denomina ciclo termodinámico al proceso que tiene lugar en dispositivos destinados a
la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura o, de manera
inversa, a producir el paso de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de
mayor temperatura mediante la aportación de trabajo.
La obtención de trabajo a partir de dos fuentes térmicas a distinta temperatura se emplea
para producir movimiento, por ejemplo en los motores o en los alternadores empleados
en la generación de energía eléctrica. El rendimiento es el principal parámetro que
caracteriza a un ciclo termodinámico, y se define como el trabajo obtenido dividido por el
calor gastado en el proceso, en un mismo tiempo de ciclo completo si el proceso es
continuo. Este parámetro es diferente según los múltiples tipos de ciclos termodinámicos
que existen, pero está limitado por el factor o rendimiento del ciclo de Carnot.
Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico de obtención
de trabajo. Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor
se produzca de la fuente más fría a la más caliente, al revés de como tendería a suceder
naturalmente. Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en
refrigeración.
Se denomina ciclo de Carnot a un ciclo termodinámico estudiado por Sadi Carnot. Se
trata de un ciclo ideal reversible que sirve como patrón comparativo para todos los demás
ciclos, en el cual el rendimiento es el máximo posible.
Consta de cuatro procesos o transformaciones reversibles:
Compresión isoterma.
Compresión adiabática.
Expansión isoterma.
Expansión adiabática.
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El teorema de Carnot nos dice que ningún motor térmico que trabaje cíclicamente podrá
tener un rendimiento mayor que un motor de funcione bajo un ciclo de Carnot.
PROCESOS POLITROPICOS
Consideremos un sistema aislado perfectamente que sufre una transformación lo
suficientemente rápida para que no haya transferencia de calor, es decir, se realiza una
transformación adiabática. Estas transformaciones cumplen la siguiente relación:
PV^gamma=cte (^== elevado a)
donde gamma es una constante característica definida como el cociente entre Cp y Cv:
gamma=Cp/Cv
Otra posible trasformación es la isoterma, aquella suficientemente lenta en un medio que
permite el flujo de calor para considerar que la temperatura es constante durante todo el
proceso. En este caso se cumple:
PV=PV^1=cte
Todos aquellos procesos intermedios entre estos dos casos límites se conocen como
procesos politropicos y cumplen la ecuación:
PV^kappa=cte
donde kappa es una constante característica del medio y de la trasformación que cumple:
1<kappa<gamma
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La Primera Ley de la Termodinámica o ley de la conservación de la energía establece que
dada una cantidad de energía térmica que fluye dentro de un sistema (ΔQ), esta debe
aparecer como un incremento de la energía interna del sistema (ΔU) o como un trabajo
(ΔW) efectuado por el sistema sobre sus alrededores:
ΔQ = ΔU + ΔW
En mecánica relativista, la conservación de la energía y la conservación de la masa no se
cumplen por separado, pero sí la conservación de masa y energía, dado que una se puede
transformar en la otra.
Aunque la energía no se pierde, se degrada. Hay formas de energía que se pueden
transformar o aprovechar mejor. Al final tras sucesivas conversión la energía acaba en
forma de calor. Este calor es muy difícil de convertir en otras energías, por lo menos con
un rendimiento alto, y además se necesita una diferencia de temperatura; una temperatura
homogénea no sirve. Como este calor muchas veces no se puede aprovechar y hay que
desecharlo. A veces, hace falta energía extra para desecharlo.
Desde un punto de vista cotidiano, las máquinas y los procesos desarrollados por el
hombre funcionan con un rendimiento menor que el 100%, lo que se traduce en "pérdidas
de energía" medidos en términos económicos o materiales, sin que esto deba interpretarse
como un no cumplimiento del principio enunciado.
LEY DE LOS GASES GENERALIZADA
Como consecuencia de la hipótesis de Avogadro puede considerarse una generalización
de la ley de los gases. Si el volumen molar (volumen que ocupa un mol de molécula de
gas) es el mismo para todos los gases en CNPT, entonces podemos considerar que el
mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura y presión que se someta al
sistema.
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Esto es cierto por que las leyes que gobiernan los cambios de volumen de los gases con
variaciones de temperatura y presión son las mismas para todos los gases ideales.
Estamos relacionando proporcionalmente el número de moles (n), el volumen, la presión
y la temperatura: P.V ~ n T.
Para establecer una igualdad debemos añadir una constante (R) quedando:
P.V = n . R . T
El valor de R podemos calcularlo a partir del volumen molar en CNPT:
Por definición n (número de moles) se calcula dividiendo la masa de un gas por el Mr (la
masa molecular relativa del mismo).
Que es otra forma de expresar la ley general de gases ideales
CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES IDEALES: R = 0,082 [atm-l/mol-°K] = 1,98 [cal/mol-°K] = 8,32 [J/mol-°K]
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LA MASA MOLECULAR APARENTE DEL AIRE: es de 28,9645 kg-mol y la del
vapor de agua es de 18,1535 kg-mol, ambas en la escala del carbono 12 (ASHRAE,
1977). El aire seco, normalmente tiene vapor de agua asociado, lo que da origen al que se
denomina aire húmedo, que es una mezcla binaria de aire seco y vapor de agua. La
cantidad de vapor presente en la mezcla puede variar entre cero y un valor
correspondiente al estado de saturación. Esto corresponde a la cantidad máxima de vapor
de agua que el aire puede soportar a una temperatura determinada.
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EL CALOR ESPECÍFICO O CAPACIDAD CALORÍFICA ESPECÍFICA de una
sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad
por unidad de masa, sin cambio de estado: En donde c es el calor específico, Q es la
cantidad de calor, m la masa y ' la diferencia entre las temperaturas''' inicial y final.
LA ENTALPÍA, (simbolizada como H, también llamada contenido de calor) es la suma
de la energía interna de la materia y el producto de su volumen multiplicado por la
presión. La entalpía es una función de estado cuantificable; la entalpía total de un sistema
no puede ser medida directamente, en cambio la variación de entalpía de un sistema sí
puede ser medida. La entalpía se puede aplicar sólo a cuerpos a presión constante
PROCESO POLITROPICO:
Durante los procesos de expansión y comprensión de gases reales, la presión y el
volumen a menudo se relacionan por medio de PVn = C, donde n y C son constantes, a
este proceso se le conoce como proceso politropico.
PROCESO ADIABÁTICO:
Es un proceso en el cual no hay transferencia térmica.
PROCESO ISOMÉTRICO:
Es un proceso a volumen constante donde W = 0 , y en consecuencia Q = U2 - U 1.
PROCESO ISOBARICO:
Es un proceso reversible (cuasiestatico, si no hay flujo) de una sustancia pura,
durante el cual la presión permanece constante.
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PROCESO ISOTÉRMICO:
Es un proceso a temperatura constante interiormente reversible (cuasiestatico, si es
sin flujo) de una sustancia pura; la línea que es un lugar geométrico de los puntos que
representan una temperatura particular se llaman Isoterma.
PROCESO ISENTRÓPICO:
Es un proceso adiabático reversible.
PROCESO REVERSIBLE:
Es aquel proceso que no tiene flujos (apreciables) internos de calor, disipación
viscosa, difusión o dispersión molecular.
PROCESO IRREVERSIBLE:
Es aquel proceso inverso al reversible.
EL VOLUMEN DE DESPLAZAMIENTO DE UN COMPRESOR
Es el volumen barrido en la unidad de tiempo por la cara o caras del pistón de la
primera etapa, en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta el vástago del pistón.
El volumen desplazado VD por un compresor es el volumen de la cilindrada de la
máquina multiplicado por el número de revoluciones de la misma. En el caso de ser un
compresor de más de una etapa, el volumen engendrado viene indicado por la primera
etapa.
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POTENCIA MECÁNICA DE UN COMPRESOR
Potencia teórica del compresor.- En un compresor alternativo ideal, el volumen
VD, m3/h, de vapor que proveniente de la línea de aspiración es succionado hacia el
cilindro, comprimido a continuación y expulsado al final, precisa de una potencia teórica:
Siendo VD, el desplazamiento del pistón, o volumen barrido por el pistón en su carrera
completa
Potencia real del compresor.- La potencia real del compresor es:
Siendo (Va = V - V’) el volumen de gas o vapor realmente succionado (comprimido y
expulsado) proveniente de la línea de aspiración, medido en las condiciones reinantes en
ella
La potencia real del compresor es siempre menor que la teórica debido a que:
a) En cada carrera de aspiración del pistón, el valor del volumen de gas succionado
proveniente de la línea de aspiración Va (medido en las condiciones allí reinantes), es
menor que el desplazado VD por dicho pistón; la razón principal de este menor volumen
aspirado estriba en el espacio muerto y en que la densidad r del vapor que llena el cilindro
al final de la carrera de aspiración, es menor que la del vapor situado en la línea de
succión
b) En la carrera de compresión se presentan fugas de vapor (válvulas, segmentos), con lo
que la cantidad de fluido efectivamente impulsada por el compresor será todavía menor.
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EQUIPOS Y COMPONENTES
Los equipos utilizados para la realización de esta práctica son:
A.- Simulador del ciclo termodinámico del aire comprimido TTA - SIMUL/EV,
marca Electrónica Veneta.
* Compresor
* Manómetro
* Válvula de expansión
* Termostato
* Filtros
* Indicador de pasaje
* Flujometro
* Receptor
* Condensador
* Compresor
* Tubo Capilar
B.- PC Compaq Deskpro.
C.- Impresora.
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CONCLUSIONES
La Termodinámica es el estudio de las propiedades de sistemas de gran escala en
equilibrio en las que la temperatura es una variable importante
.
En la Termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de modo
de negar la posibilidad de ciertos procesos.
La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una
máquina produzca trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir niega la
posibilidad de lo que se suele llamar “máquina de movimiento perpetuo de primera
especie”.
La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin
una discusión previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben
dar todavía, podemos decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso
cíclico en el cual una máquina realice trabajo intercambiando calor con una única fuente
térmica. Una tal máquina (inexistente) sería una “máquina de movimiento perpetuo de
segunda especie”.
Un problema típico entre aquellos que se tratan en Termodinámica consiste en
calcular un conjunto de propiedades de un sistema a partir de otro conjunto de
propiedades, y como consecuencia de la imposibilidad de los procesos de
movimiento perpetuo que acabamos de mencionar.
Muy raramente se resuelven estos problemas mediante el método (directo pero
engorroso) de construir mentalmente hipotéticas máquinas de movimiento perpetuo. En
cambio se suelen usar procedimientos matemáticos abstractos que se obtienen de una vez
por todas y luego se utilizan para resolver los problemas. Estos procedimientos indirectos
son muy eficientes, pero no hay que olvidar que su fundamento reside en las dos leyes
básicas.
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La Termodinámica se ocupa de estudiar procesos y propiedades macroscópicas de
la materia y no contiene ninguna teoría de la materia. Por lo tanto no nos dice
nada acerca de la estructura de la materia. Como las variables con la cuales se
trabaja son siempre macroscópicas, no es posible obtener de la Termodinámica la
información de escala microscópica acerca del sistema, ya sea en lo referente a su
estructura como a sus procesos internos. Si bien ésta es una limitación, en
compensación significa que la Termodinámica tiene gran generalidad. El hecho de
evitar deliberadamente toda referencia a la estructura de la materia confiere a la
Termodinámica clásica una austeridad que a primera vista puede parecer poco
agradable. Pero este enfoque tiene la virtud de poner en evidencia precisamente
aquellas partes de una teoría física que no dependen de teorías particulares de la
materia. Por esto la Termodinámica tiene un aspecto muy práctico, puesto que se
la puede aplicar con toda confianza a sistema que son demasiado complicados
para ser analizados mediante otras teorías. Cuando estudiemos la Termodinámica
Estadística mostraremos como se pueden relacionar las propiedades a escala
microscópica del sistema con propiedades macroscópicas que estudia la
Termodinámica clásica.
Se debe tratar de emplear todos los métodos de aprendizaje “utilización de
equipos, simuladores relacionados con la materia “en cada uno de los laboratorios
que se cursan en la carrera de Ingeniería de Mantenimiento.
La Termodinámica es una ciencia que se relaciona con tantas cosas que
deberíamos aprender y conocer mas de ella; es una área muy peculiar abarca
fenómenos que son muy familiares ,objetos que utilizamos todos los días como
automóviles, aviones de reacción, agua hirviente , refrigeración,etc.
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BIBLIOGRAFIA
CENGEL, Yunus y MICHAEL, Bonos TERMODINAMICA Tomo I y
II .Editorial Mc Graw Hill.Ciudad de México
.FAIRES TERMODINAMICA .Editorial Imusa.Ciudad de México.
www.google.co.ve
www.monografias.com
www.wikipedia.com
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