Equipo 6 Gutierrez Segura Bilsán
Ciclo Diesel

Un ciclo Diésel ideal es un modelo simplificado de lo que ocurre en un motor diésel. En un motor de esta clase, a diferencia de lo que ocurre en un motor de gasolina la combustión no se produce por la ignición de una chispa en el interior de la cámara. En su lugar, aprovechando las propiedades químicas del gasóleo, el aire es comprimido hasta una temperatura superior a la de auto ignición del gasóleo y el combustible es inyectado a presión en este aire caliente, produciéndose la combustión de la mezcla.


Puesto que sólo se comprime aire, la relación de compresión (cociente entre el volumen en el punto más bajo y el más alto del pistón) puede ser mucho más alta que la de un motor de gasolina (que tiene un límite, por ser indeseable la autoignición de la mezcla). La relación de compresión de un motor diésel puede oscilar entre 12 y 24, mientras que el de gasolina puede rondar un valor de 8.




Para modelar el comportamiento del motor diésel se considera un ciclo Diesel de seis pasos, dos de los cuales se anulan mutuamente:


external image 559px-Ciclo-diesel.png



Admisión E→A


El pistón baja con la válvula de admisión abierta, aumentando la cantidad de aire en la cámara. Esto se modela como una expansión a presión constante (ya que al estar la válvula abierta la presión es igual a la exterior). En el diagrama PV aparece como una recta horizontal.


Compresión A→B


El pistón sube comprimiendo el aire. Dada la velocidad del proceso se supone que el aire no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente, por lo que el proceso es adiabático. Se modela como la curva adiabática reversible A→B, aunque en realidad no lo es por la presencia de factores irreversibles como la fricción.




Combustión B→C


Un poco antes de que el pistón llegue a su punto más alto y continuando hasta un poco después de que empiece a bajar, el inyector introduce el combustible en la cámara. Al ser de mayor duración que la combustión en el ciclo Otto, este paso se modela como una adición de calor a presión constante. Éste es el único paso en el que el ciclo Diesel se diferencia del Otto.


Expansión C→D


La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo, realizando trabajo sobre él. De nuevo, por ser un proceso muy rápido se aproxima por una curva adiabática reversible.


Escape D→A y A→E


Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión. El sistema es realmente abierto, pues intercambia masa con el exterior. No obstante, dado que la cantidad de aire que sale y la que entra es la misma podemos, para el balance energético, suponer que es el mismo aire, que se ha enfriado. Este enfriamiento ocurre en dos fases. Cuando el pistón está en su punto más bajo, el volumen permanece aproximadamente constante y tenemos la isócora D→A. Cuando el pistón empuja el aire hacia el exterior, con la válvula abierta, empleamos la isobara A→E, cerrando el ciclo.




En total, el ciclo se compone de dos subidas y dos bajadas del pistón, razón por la que es un ciclo de cuatro tiempos, aunque este nombre se suele reservar para los motores de gasolina.








EQUIPO 4:Gomez Ramirez Luis EnriqueAyala Sepulveda Maria MarleneIslas Pelcastre Cristopher AdanLopez Sanchez Jose AntonioMontiel Gayosso Raul

Ciclo de Rankine:

El ciclo de Rankine es conceptualmente muy parecido al anterior. La gran diferencia es que se introduce el condensador. Este tiene por efecto bajar la temperatura de fuente fría y mejorar la eficiencia del ciclo. El efecto es doble:
  • Desde el punto de vista netamente termodinámico, bajamos la temperatura de la fuente fría, mejorando por lo tanto la eficiencia del ciclo.
  • Desde el punto de vista mecánico, la presión en el condensador es muy inferior a la atmosférica, lo que hace que la máquina opere con un salto de presiones mayor, lo que aumenta la cantidad de trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.
La principal diferencia entre un cico de vapor abierto y uno de Rankine es el condensador. Esta mejora la introdujo James Watt hacia fines del Siglo XVIII. En el próximo párrafo explicaremos brevemente el funcionamiento de este elemento tan esencial en los ciclos de vapor.

El condensador:
En la próxima figura vemos esquematizado un condensador. Vamos a esquematizar uno de los más sencillos, el de tubos y carcaza.
condensador-01.gif
Condensador de tubos y CarcazaLa carcaza es el cilindro exterior. El agua de refrigeración entra por la derecha, se reparte por el haz de tubos al interior y sale por la izquierda. El vapor condensa al exterior de los tubos y gotea al fondo de la carcaza, donde es recolectado
Este está compuesto por una carcaza tubular de gran diámetro. El interior de la carcaza tiene un gran haz de tubos por el interior de los cuales circula agua de refrigeración. El vapor entra por el exterior de la carcaza y rodea el haz de tubos. Como los tubos están más fríos que el vapor, este condensa. Las gotas de condensado que se forman en los tubos van cayendo al fondo de la carcaza. Allí se recolectan y se extraen del condensador.
Como la temperatura de condensación es muy inferior a 100ºC y suele estar muy cercana a la temperatura ambiente, la presión dentro del condensador está por debajo de la presión atmosférica y típicamente está por debajo de 0,1 bar absolutos. Esto hace que la máquina que opera entre la caldera y el condensador disponga de un mayor salto de presión utilizable.
En la práctica el condensador baja la presión contra la cual descarga el expansor. Esto permite mejorar el rendimiento del ciclo, pues aumenta la diferencia de presiones entre las cuales opera la máquina. También se puede interpretar el efecto como que la máquina "ve" una fuente fría más fría.

Volvamos al ciclo de Rankine. Este se ilustra en las próximas figuras en diagrama de bloques, y en diagrama p-V y T-S.
El sistema queda como sigue:
Es un ciclo muy empleado en máquinas simples y cuando la temperatura de fuente caliente está limitada. Es mucho más práctico que el ciclo de Carnot con gas pues la capacidad de transporte de energía del vapor con cambio de fase es mucho más grande que en un gas.
Rankine-bloques.gifEsquema bloques de ciclo de vapor de Rankine
La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado (3) y comprime el agua hasta la presión de la caldera (4). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor al expansor. En este ejemplo el expansor es una turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación (2). El vapor que descarga la máquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (3) prácticamente como líquido saturado.
Allí la bomba comprime el condensado y se repite el ciclo.
pv-rankine.gifDiagrama p-V de ciclo de vapor de Rankine
En diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) la caldera entrega vapor saturado (por lo tanto con título x=1), el que se transporta a la turbina. Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, produciendo el trabajo W. La turbina descarga el vapor en el estado (2). Este es vapor con título x<1 y el vapor es admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (2)-(3), y del condensador se extrae líquido condensado con título x=0, en el estado (3). Luego la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcald , evolución (3)-(4) y reinyecta el condensado en la caldera.
Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y pcond, las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en el condensador. Esta última presión es inferior a la presión atmosférica.
ts-rankine.gifDiagrama T-S de ciclo de vapor Rankine
En diagrama T-S el ciclo Rankine se describe como sigue: El vapor está inicialmente con título 1, como vapor saturado (1), luego el vapor se expande en la turbina, generando trabajo, evolución (1)-(2). Esta evolución se puede suponer adiabática. Si además se supone sin roce, se asimilará a una isentrópica. Si hubiera roce, la entropía aumentaría (como veremos más adelante). A la salida de la turbina el vapor tendrá título inferior a 1.
El vapor que descarga la turbina es admitido al condensador, donde condensa totalmente a temperatura y presión constantes, evolución (2)-(3). Sale del condensador en el estado (3) como líquido saturado (título x=0). Ahora el condensado es comprimido por la bomba, evolución (3)-(4), aumentando su presión hasta la presión de la caldera. Si bien la presión aumenta en forma significativa, la temperatura casi no sube. Idealmente esta compresión también es adiabática e isentrópica, aunque realmente la entropía también aumenta. En el estado (4) el líquido está como líquido subsaturado. Este se inyecta a la caldera, con un importante aumento de temperatura y entropía, hasta alcanzar la saturación. Allí comienza la ebullición. Todo el proceso (4)-(1) ocurre dentro de la caldera. Incluímos el punto 4' que es cuando se alcanza la saturación, pero solo para efectos ilustrativos.
ts-rnkn-corresp.gifDiagrama T-S de ciclo de vapor de Rankine, incluyendociclo de Carnot correspondiente
Comparemos este ciclo de Rankine con su Ciclo de Carnot Correspondiente (las dos isotérmicas y dos isentrópicas que lo inscriben). Este ciclo tendrá como temperatura inferior (de fuente fría) la temperatura del condensador (normalmente ligeramente superior a la ambiente) y como superior (de fuente caliente) la de la caldera (Tmax). Las áreas en verde indican la pérdida que hay con respecto al potencial. En este caso vemos que la principal irreversibilidad termodinámica ocurre por la inyección de agua por debajo de la saturación a la caldera.
El ciclo de Carnot correspondiente a este ciclo de Rankine se ilustra en la figura adjunta. Podemos ver que el ciclo de Rankine se aproxima mucho al ciclo de Carnot. Solamente se pierde el área en verde. Esto corresponde a la irreversibilidad de inyectar y mezclar agua fría con la caliente en la caldera.
Esto hace que el ciclo de Rankine se acerca mucho al ciclo de Carnot teórico. Por lo tanto es un ciclo muy conveniente desde el punto de vista termodinámico.
De la comparación de estos dos ciclos (ciclo de vapor abierto y ciclo de Rankine), es evidente que es más conveniente utilizar siempre que sea posible el ciclo de Rankine. Sin embargo, existe otra irreversibilidad termodinámica más importante aún. Además el ciclo de Rankine tiene el inconveniente de que el vapor sale bastante húmedo de la máquina. Ambos problemas se tienden a solucionar con el ciclo de Hirn, o (como también se le conoce), ciclo de Rankine con sobrecalentamiento.
EQUIPO 5
Balderas Cabrera Oscar
Borja Marin Luis Enrique
Oropeza Mendoza Juan
Rodriguez Martinez Milton Carlos
Francisco Caballero Rojas

REFRIGERACIÓN

La refrigeración es un proceso termodinámico, donde se extrae el calor de un cuerpo o espacio (bajando así su temperatura) y llevarlo a otro lugar donde no es importante su efecto. Los fluidos utilizados para extraer la energía cinética promedio del espacio o cuerpo a ser enfriado, son llamados refrigerantes, los cuales tienen la propiedad de evaporarse a bajas temperaturas y presiones positivas.



ciclo de refrigeracion.png



Aplicaciones
Las aplicaciones de la refrigeración son entre muchas:
  • La Climatización, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio.
  • La Conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor. Como por ejemplo la producción de hielo o nieve, la mejor conservación de órganos en medicina o el transporte de alimentos perecederos.
  • Los Procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo. Algunos ejemplos son el mecanizado, la fabricación de plásticos, la producción de energía nuclear.
  • La Criogénesis o enfriamiento a muy bajas temperaturas' empleada para licuar algunos gases o para algunas investigaciones científicas.
  • Motores de combustión interna: en la zona de las paredes de los cilindros y en las culatas de los motores se producen temperaturas muy altas que es necesario refrigerar mediante un circuito cerrado donde una bomba envía el líquido refrigerante a las galerías que hay en el bloque motor y la culata y de allí pasa un radiador de enfriamiento y un depósito de compensación. el líquido refrigerante que se utiliza es agua destilada con unos aditivos que rebajan sensiblemente el punto de congelación para preservar al motor de sufrir averías cuando se producen temperaturas bajo cero.
  • Máquinas-herramientas: las máquinas herramientas también llevan incorporado un circuito de refrigeración y lubricación para bombear el líquido refrigerante que utilizan que se llamataladrina o aceite de corte sobre el filo de la herramienta para evitar un calentamiento excesivo que la pudiese deteriorar rápidamente.



Tipos de ciclos.

Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.

En este ciclo de refrigeración el refrigerante de evapora y se condensa alternadamente para luego comprimirse en la fase de vapor. Está compuesto por 4 procesos:
  • §Compresión isentrópica en un compresor.
  • §Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
  • §Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
  • §Absorción de calor a presión constante en un evaporador.
De acuerdo a los procesos anteriores, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor muy superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores. El refrigerante liquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como vapor húmedo de baja calidad y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor completando el ciclo. .2

Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.

Se defiere de uno ideal debido a las irreversibilidades que ocurren en varios componentes. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El proceso de compresión real incluye efectos de fricción, los cuales incrementan la entropía y la transferencia de calor lo cual puede aumentar o disminuir la entropía dependiendo de la reacción.

Sistemas de refrigeración en cascada.

Un ciclo de refrigeración en cascada consiste el efectuar el proceso de refrigeración por etapas en decir dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. En un ciclo de refrigeración de dos etapas, los ciclos de conectan por medio de un intercambiador de calor en medio el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo inferior. Suponiendo que el intercambiador de calor esta bien aislado y que las energías cinéticas y potenciales son despreciables, la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior. En el sistema de cascada los refrigerantes en ambos ciclos de suponen iguales.3

Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas.

Cuando el fluido utilizado por todo el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor se puede sustituir por una cámara de mezclado puesto que tiene las mejores características de transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas. El proceso de compresión en este sistema es similar a una compresión de dos etapas. Y el trabajo del compresor disminuye.

Sistemas de refrigeración de propósito múltiples con un solo compresor.

Algunas aplicaciones requieres refrigeración a más de una temperatura. Esto puede lograse con una válvula de estrangulamiento independiente y un compresor por separado para cada evaporador que opere a temperaturas diferentes, sin embargo un modelo mas práctico es enviar todos lo flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar que este maneje el proceso de compresión para el sistema completo.

Sistemas de refrigeración por absorción.

Otra forma de refrigeración cuando se tiene una fuente de energía térmica barata a una temperatura de 100 a 200º C es la refrigeración por absorción. Como su nombre lo indica los sistemas se refrigeración por absorción implican la absorción de un refrigerante por un medio de transporte. El sistema de refrigeración por absorción mas utilizado es el sistema amoniaco-agua, donde el amoniaco (NH3) sirve como refrigerante y el agua (H2O) es el medio de transporte.




Refrigeración por compresión

La refrigeración por compresión consiste en forzar mecánicamente la circulación de un fluido en un circuito cerrado creando zonas de alta y baja presión con el propósito de que el fluido absorba calor en un lugar y lo disipe en el otro.


La refrigeración por compresión se logra evaporando un gas refrigerante en estado líquido a través de un dispositivo de expansión dentro de un intercambiador de calor, denominado evaporador. Para evaporarse este requiere absorber calor latente de vaporización. Al evaporarse el líquido refrigerante cambia su estado a vapor. Durante el cambio de estado el refrigerante en estado de vapor absorbe energía térmica del medio en contacto con el evaporador, bien sea este medio gaseoso o líquido. A esta cantidad de calor contenido en el ambiente se le denomina carga térmica. Luego de este intercambio energético, un compresor mecánico se encarga de aumentar la presión del vapor para poder condensarlo dentro de otro intercambiador de calor conocido como condensador y hacerlo líquido de nuevo. En este intercambiador se liberan del sistema frigorífico tanto el calor latente como el sensible, ambos componentes de la carga térmica. Ya que este aumento de presión además produce un aumento en su temperatura, para lograr el cambio de estado del fluido refrigerante -y producir el sub enfriamiento del mismo- es necesario enfriarlo al interior del condensador; esto suele hacerse por medio de aire y/o agua conforme el tipo de condensador, definido muchas veces en función del refrigerante. De esta manera, el refrigerante en estado líquido, puede evaporarse nuevamente a través de la válvula de expansión y repetir el ciclo de refrigeración por compresión.


Refrigeración por absorción



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El sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración por compresión, aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. Así como en el sistema de compresión el ciclo se hace mediante un compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad es emplear el agua como sustancia absorbente (disolvente) y como absorbida (soluto) amoníaco.
Más en detalle, en el ciclo agua-bromuro de litio, el agua (refrigerante), en un circuito a baja presión, se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, que refrigerará ambientes o cámaras. Acto seguido el vapor es absorbido por el bromuro de litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada. Esta solución pasa al calentador, donde se separan disolvente y soluto por medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve al evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo. Al igual que los sistemas de compresión que utilizan agua en sus procesos, el sistema requiere una torre de enfriamiento para disipar el calor sobrante.







Sustancia pura
son aquellas que están formadas por partículas iguales.

Tienen propiedades especificas bien definidas. Estas propiedades no varían, aun cuando dicha sustancia pura se encuentre formando parte de una mezcla.
Algunas de estas propiedades son:
  • El color
  • El sabor
  • La densidad
  • La temperatura de fusión
  • El olor
  • La temperatura de ebullición
TEMPERATURA DE FUSION:
La temperatura de fusión es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado sólido a estado líquido.


TEMPERATURA DE EBULLICION:

La temperatura de ebullición es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a estado gaseoso.


Fases de una sustancia

Sustancia puraEs una sustancia que tiene una composición química fija; es decir que también puede ser una mezcla de varias sustancias o elementos químicos media vez la composición no varíe o sea que sea una mezcla totalmente homogénea. O sea que puede ser aire, combustible búnker, etc., pero no puede ser una mezcla de aceite y agua ya que estos se separan y no forma una mezcla homogénea.Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura sigue siendo una sustancia pura, siempre que la composición de las fases sea la misma, como agua en su fase de vapor y líquida o mezcla de hielo y agua líquida, pero aire en su fase de vapor y líquido no es una sustancia pura ya que tienen diferentes composiciones ya que se condensa solamente el vapor de agua, esto es debido a que los componentes del aire tienen diferentes puntos de condensación.

Fases de una sustancia
Las sustancias existen en diferentes fases, a temperatura y presión ambiente el cobre, hierro, plástico, oro es sólido, el aire, el nitrógeno es gaseoso, el agua, el mercurio es líquido.
Una sustancia puede tener varias fases con estructuras moleculares diferentes, por ejemplo el carbono puede existir como grafito o diamante en fase sólida. El hielo puede existir con siete fases sólidas diferentes.
Una fase se identifica como un arreglo molecular distinto, homogéneo en su totalidad y separado de las demás fases por medio de superficies identificables. Por ejemplo el agua y el hielo, estas son fácilmente identificables.
A nivel molecular, los enlaces moleculares del estado sólido son más fuertes que el estado líquido y este que el estado gaseoso.
En las moléculas del sólido existen pequeñas distancias intermoleculares, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen fijas dentro del sólido.
En las moléculas del líquido es similar al estado sólido únicamente que las moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre si y pueden rotar y trasladarse libremente. En un líquido las fuerzas intermoleculares son más débiles con relación a un sólido, pero son fuertes en comparación con los gases.

En la fase gaseosa las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no hay un orden molecular. Las moléculas del gas se mueven al azar, en continuo choque entre si y con las paredes del recipiente que las contienen. Las fuerzas moleculares son muy pequeñas, en particular en bajas densidades, y las colisiones son la única interacción entre las moléculas. Las moléculas en estado gaseoso tienen un nivel de energía bastante mayor que en la fase líquida o sólida, o sea que el gas debe liberar una gran cantidad de energía antes de que pueda congelarse o condensarse.
Una sustancia pura puede existir en diferentes fases dependiendo del proceso, por ejemplo en la caldera existe agua líquida y vapor; un refrigerante en un condensador evaporativo existe inicialmente como vapor, luego como líquido.

Líquido sub-enfriado y líquido saturado
El agua adentro de un cilindro-pistón a 20ºC y 1 atm. Existe como líquido sub-enfriado o líquido comprimido, lo que significa que no está a punto de avaporarse. Al transferir calor a este VC (volumen de control) el agua aumenta por ejemplo a 20ºC por lo cual el agua líquida tendrá cierta expansión aumentando su volumen específico y el embolo se moverá ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presión del cilindro permanece constante en 1 atm. En este caso el agua sigue siendo líquido comprimido, pues no ha empezado a evaporarse.
Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumentará hasta 100ºC. En este punto el agua sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor (no temperatura) causará algo de evaporación en el líquido. Este líquido que está a punto de evaporarse se le llama líquido saturado.

Vapor saturado y vapor sobrecalentado
En el VC anterior, al iniciarse la ebullición, la temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapora completamente; media vez la presión se mantenga constante. Si en este punto se pierde calor al exterior, se inicia una leve condensación del vapor. Un vapor a punto de condensarse se le llama vapor saturado. Media vez el proceso de evaporación se alcanza completamente existe una sola fase de vapor y al llegar a este punto, una adición de calor ocasionará un aumento de temperatura y del volumen específico. Si la temperatura la llevamos hasta 332 ºC y si transferimos calor a los alrededores o se pierde calor, la temperatura descenderá pero no necesariamente ocurrirá condensación; únicamente hasta que la temperatura baje a 100ºC a 1 atm. De presión. Un vapor que no está a punto de condensarse se denomina vapor sobrecalentado.

Temperatura de saturación y presión de saturaciónEl término “el agua empieza a hervir a 100ºC”; es incorrecto; pues el agua hierve a 100ºC a 1 atmósfera de presión. El agua en el VC anterior si inició el proceso de evaporación a 100ºC; pero debido a que el émbolo mantuvo una presión constante de 1 atmósfera. Si la presión en el émbolo se elevara a 500 KPa, el agua empezaría a hervir a 151.9ºC. La temperatura a la cuál el agua empieza a hervir depende de la presión. A cierta presión, la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama temperatura de saturación, Tsat. A cierta temperatura, la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama presión de saturación, Psat. Las tablas de presión de saturación que muestran la presión de saturación a varias temperaturas o temperatura de saturación contra la presión se encuentran disponibles para cualquier sustancia pura y se denomina curva de saturación de líquido-vapor. La cantidad de energía absorbida o generada durante un proceso de cambio de fase se denomina calor latente. Específicamente, la cantidad de energía absorbida durante el proceso de fusión se llama calor latente de fusión y equivale a la energía liberada durante la congelación.La cantidad de energía absorbida durante el proceso de vaporización se denomina calor latente de vaporización, y es equivalente a la cantidad de energía liberada durante la condensación. El comportamiento de una sustancia pura respecto a sus diferentes fases – sólido-líquido-gaseoso – se representa en los diagramas de equilibrio P-T. Los principios básicos presentados en los procesos de cambio de fase líquido-vapor se aplican del mismo modo a los procesos de cambio de fase sólido-líquido-vapor.

SUSTANCIA PURA.

Fases de la Sustancia Pura:

Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquier parte se conoce como sustancia pura, por ejemplo el agua, el nitrógeno,el dióxido de carbono y el helio; Una sustancia pura puede tener varias fases con estructuras moleculares diferentes, por ejemplo el carbono puede existir como grafito o diamante en fase sólida. El hielo puede existir con siete fases sólidas diferentes.
Una fase se identifica como un arreglo molecular distinto, homogéneo en su totalidad y separado de las demás fases por medio de superficies identificables. Por ejemplo el agua y el hielo, estas son fácilmente identificables.
A nivel molecular, los enlaces moleculares del estado sólido son más fuertes que el estado líquido y este que el estado gaseoso.
En las moléculas del sólido existen pequeñas distancias intermoleculares, las fuerzas de atracción entre las 01moléculas son grandes y las mantienen fijas dentro del sólido.
En las moléculas del líquido es similar al estado sólido únicamente que las moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre si y pueden rotar y trasladarse libremente. En un líquido las fuerzas intermoleculares son más débiles con relación a un sólido, pero son fuertes en comparación con los gases.
En la fase gaseosa las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no hay un orden molecular. Las moléculas del gas se mueven al azar, en continuo choque entre si y con las paredes del recipiente que las contienen. Las fuerzas moleculares son muy pequeñas, en particular en bajas densidades, y las colisiones son la única interacción entre las moléculas. Las moléculas en estado gaseoso tienen un nivel de energía bastante mayor que en la fase líquida o sólida, o sea que el gas debe liberar una gran cantidad de energía antes de que pueda congelarse o condensarse.
Una sustancia pura puede existir en diferentes fases dependiendo del proceso, por ejemplo en la caldera existe agua líquida y vapor; un refrigerante en un condensador evaporativo existe inicialmente como vapor, luego como líquido.

Procesos de Cambios de Fase de una Sustancia Pura:Hay muchas situaciones practicas donde dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio:Algunos ejemplos son: el agua existe como una mezcla e liquido y vapor en la caldera y en el condensador de una termoeléctrica y el refrigerante pasa de liquido a vapor en el congelador de un refrigerador.Aunque muchos consideran al congelamiento del agua en las tuberías subterráneas como el proceso de cambio de fase mas importante,la atención en esta sección se centra en la liquida y de vapor, así como en su mezcla.Como sustancia familiar,el agua se usa para demostrar los principios basicos sin embargo , es necesario recordar que todas las sustancias puras exhiben el mismo comportamiento general.
termo.png



Líquido sub-enfriado y líquido saturado
El agua adentro de un cilindro-pistón a 20ºC y 1 atm. Existe como líquido sub-enfriado o líquido comprimido, lo que significa que no está a punto de avaporarse. Al transferir calor a este VC (volumen de control) el agua aumenta por ejemplo a 20ºC por lo cual el agua líquida tendrá cierta expansión aumentando su volumen específico y el embolo se moverá ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presión del cilindro permanece constante en 1 atm. En este caso el agua sigue siendo líquido comprimido, pues no ha empezado a evaporarse.
Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumentará hasta 100ºC. En este punto el agua sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor (no temperatura) causará algo de evaporación en el líquido. Este líquido que está a punto de evaporarse se le llama líquido saturado.
Vapor saturado y vapor sobrecalentado
En el VC anterior, al iniciarse la ebullición, la temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapora completamente; media vez la presión se mantenga constante. Si en este punto se pierde calor al exterior, se inicia una leve condensación del vapor. Un vapor a punto de condensarse se le llama vapor saturado. Media vez el proceso de evaporación se alcanza completamente existe una sola fase de vapor y al llegar a este punto, una adición de calor ocasionará un aumento de temperatura y del volumen específico. Si la temperatura la llevamos hasta 332 ºC y si transferimos calor a los alrededores o se pierde calor, la temperatura descenderá pero no necesariamente ocurrirá condensación; únicamente hasta que la temperatura baje a 100ºC a 1 atm. De presión. Un vapor que no está a punto de condensarse se denomina vapor sobrecalentado. El proceso de cambio de fase a presión constante se representa en el siguiente diagrama T-v.


external image termofluido21.jpg

Temperatura de saturación y presión de saturación
El término “el agua empieza a hervir a 100ºC”; es incorrecto; pues el agua hierve a 100ºC a 1 atmósfera de presión. El agua en el VC anterior si inició el proceso de evaporación a 100ºC; pero debido a que el émbolo mantuvo una presión constante de 1 atmósfera. Si la presión en el émbolo se elevara a 500 KPa, el agua empezaría a hervir a 151.9ºC. La temperatura a la cuál el agua empieza a hervir depende de la presión.
A cierta presión, la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama temperatura de saturación, Tsat.
A cierta temperatura, la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama presión de saturación, Psat.
Las tablas de presión de saturación que muestran la presión de saturación a varias temperaturas o temperatura de saturación contra la presión se encuentran disponibles para cualquier sustancia pura y se denomina curva de saturación de líquido-vapor.
La cantidad de energía absorbida o generada durante un proceso de cambio de fase se denomina calor latente.
Específicamente, la cantidad de energía absorbida durante el proceso de fusión se llama calor latente de fusión y equivale a la energía liberada durante la congelación.
La cantidad de energía absorbida durante el proceso de vaporización se denomina calor latente de vaporización, y es equivalente a la cantidad de energía liberada durante la condensación.
El comportamiento de una sustancia pura respecto a sus diferentes fases – sólido-líquido-gaseoso – se representa en los diagramas de equilibrio P-T. Los principios básicos presentados en los procesos de cambio de fase líquido-vapor se aplican del mismo modo a los procesos de cambio de fase sólido-líquido-vapor.
external image termofluido22.jpg






Presión de Vapor y Equilibrio de Fase:
EvaporaciónSi se calienta un líquido se incrementa la energía cinética media de sus moléculas. Las moléculas cuya energía cinética es más elevada y que están cerca de la superficie del líquido escaparán y darán lugar a la fase de vapor.Si el líquido está contenido en un recipiente cerrado, algunas moléculas del vapor seguirán el camino inverso chocando con la superficie del líquido e incorporándose a la fase líquida.
Se establece un equilibrio dinámico cuando el número de moléculas que se escapan del líquido sea igual (en valor medio) al número de moléculas que se incorporan al mismo. Decimos entonces, que tenemos vapor saturado a la temperatura T, y la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor a esta temperatura se denomina presión de vapor Pv.
La presión de vapor de una sustancia depende solamente de la temperatura y no del volumen; esto es, un recipiente que contiene líquido y vapor en equilibrio a una temperatura fija, la presión es independiente de las cantidades relativas de líquido y de vapor presentes.


La temperatura de ebullición es aquella a la cual la presión de vapor es igual a la presión exterior. La presión de vapor del agua es igual a 1 atmósfera a la temperatura de 100ºC.
Si consideramos que la función de distribución de Boltzmann se aplica al mecanismo de la evaporación.
.Donde nv y nl son el número de moles en la unidad de volumen en el vapor y en el líquido, respectivamente a la temperatura absoluta T, y Li es el valor medio por mol de sustancia de la diferencia entre la energía potencial de las moléculas en su fase de vapor y en su fase líquida.
Esta ecuación nos dice que nv y por tanto la presión de vapor Pv, se incrementan rápidamente con la temperatura absoluta T.
Derivando esta ecuación respecto de T, suponiendo que nl es independiente de T.


Si el vapor se comporta como un gas ideal Pv=nvRT o bien, ln nv=ln Pv-ln(RT)
Derivando esta expresión respecto de T
Esta es una de las formas de la famosa ecuación de Clausius-Clapeyron que proporciona la pendiente de la curva (en color rojo), en el diagrama P-T, de coexistencia de las fases líquida y de vapor en equilibrio.
El calor latente L varía con la temperatura T, pero podemos suponerlo constante e igual a Lm (valor medio) en un intervalo dado de temperaturas. Integrando la ecuación diferencial, obtenemos.
external image termofluido23.jpg


De este modo haciendo una representación gráfica de ln Pv en función de la inversa de la temperatura T, y aplicando el procedimiento de los mínimos cuadrados, la pendiente de la curva nos proporciona el valor medio del calor latente de vaporización Lm en un intervalo dado de temperaturas.
Otra forma de determinar L es la siguiente:
Tomemos dos temperaturas próximas T1 y T2, determinamos las presiones de vapor P1 y P2 a estas dos temperaturas mediante la experiencia descrita en esta página. Supongamos que L es aproximadamente constante en este intervalo de temperaturas. Eliminamos la cte, despejando L de la ecuación.
Los sistemas físicos que encontramos en la Naturaleza consisten en un agregado de un número muy grande de átomos.
La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas: En los sólidos, las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son fijas. En los líquidos las distancias entre las moléculas son fijas, pero su orientación relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre moléculas, son en general, mucho más grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las moléculas son muy débiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razón, los gases son más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos.


Tablas de Propiedades:

TABLA DE PROPIEDADES

Las relaciones entre las propiedades termodinámicas de las sustancias puras compresibles se representan por medio de tablas. Las relaciones termodinámicas de los vapores puros se representan en tablas de vapor saturado [Sistema en región de líquido saturado, mezcla vapor-líquido o vapor saturado] y tablas de vapor sobrecalentado [Sistema en región de sobrecalentamiento].


Líquido saturado y vapor saturado
Representan estados de equilibrio como líquido y como vapor seco. El subíndice f se utiliza para líquido saturado y el subíndice g para vapor saturado. En el caso de una mezcla líquido vapor, la entalpía, volumen específico o entropía resultante [o sea el valor total del sistema en un estado específico entre el líquido saturado y vapor saturado], se designará por el estado correspondiente al sistema; vgr: entalpía en estado 2 = h2, volumen específico en estado 1 = v1, etc. En estos puntos [Mezcla vapor-líquido en equilibrio], la diferencia se designa por el subíndice fg, vgr: la diferencia en el volumen específico se designa como vfg, la diferencia entre los valores entálpicos se designa por hfg. La entalpía de evaporación se designa como hfg.


Mezcla saturada líquido-vapor
Durante el proceso de evaporación, la sustancia existe como líquido y como vapor en equilibrio, dependiendo de la cantidad de líquido y de vapor, así será la calidad del vapor, la cual se define como las libras [Kilogramos] de vapor por libras [Kilogramos] totales y puede expresarse en porcentaje o unitario.

external image termofluido36.jpg


Líquido comprimido
En la literatura no se dispone de muchos datos para lìquido comprimido [Tabla propiedades del aire], como los lìquidos pràcticamente no son compresibles, se considera al lìquido comprimido como un lìquido saturado a la temperatura dada.


Un lìquido comprimido puede ser caracterizado por:


Presiones superiores (P > Psaturaciòn a T dada)
Temperaturas menores (T < Tsaturaciòn a P dada)
Volumenes especìficos menores (v < vf a P o T dada)
Energìas internas menores (u < uf a P o T dada)
Entalpìas menores (h < hf a P o T dada)



Tabla de vapor saturado [Tabla de temperatura]






Temperatura

ºC
Presión de saturación


kPa
Volumen específico
m3/kg
Entalpía
KJ/kg
Liquido saturado
vf
Vapor saturado
vg
Líquido saturado
hf
Evaporación

hfg
Vapor saturado
hg
100
101.35
0.001044
1.6729
419.04
2,257.0
2,676.1
105
120.82
0.001048
1.4194
440.02
2,072.3
2,512.4
110
143.27
0.001052
1.2102
461.14
2,057.0
2,518.1
115
169.06
0.001056
1.0366
482.48
2,216.5
2,699.0










Tabla de vapor sobrecalentado


|| T
ºC
V
m3/kg
u
KJ/kg
h
KJ/kg
s
KJ/kgºK
V
m3/kg
u
KJ/kg
h
KJ/kg
s
KJ/kgºK

P = 0.20 MPa (120.23ºC)
P = 0.30 MPa (133.55ºC)
Sat.
0.8857
2,529.5
2,706.7
7.1272
0.6058
2,543.6
2,725.3
6.9919
150
0.9596
2,576.9
2,768.8
7.2795
0.6339
2,570.8
2,761.0
7.0778
200
1.0803
2,654.4
2,870.5
7.5066
0.7163
2,650.7
2,865.6
7.3115
250
1.1988
2,731.2
2,971.0
7.7086
0.7964
2,728.7
2,967.6
7.5166
300
1.3162
2,808.6
3,071.8
7.8926
0.8753
2,806.7
3,069.3
7.7022
Diagramas de Propiedades para cambios de fase
Las variaciones que esperimentan las propiedades durante los procesos de cambio de fase se comprenden mejor con ayuda de diagramas de propiedades.
1.-Diagrama T-v.
Se colocan pesas sobre el émbolo hasta que la presión dentro del cilindro alcanza 1MPa, presionn a la que el agua tendrá un volúmen específico un poco mas pequeño al que tenia cuando la presion era de 1 atm.
A medida que se transfiere calor al agua bajo esta nueva presíon, el proceso seguirá una trayectoria muy similar a la del proceso realizado con presión de 1 atm, como se muestra en la figuira 3.16, aunque hay algunos diferencias notables:primero a 1Mpa el agua hervirá a una temperatura mucho mas alta (179.9 °C), y segundo, el volúmen especifico del liquido saturado es más grande y el del vapor saturado más pequeño que los valores correspondientes bajo la presion de 1 atm. Es decir, la linea horizontal que conecta los estados de líquido y vapor saturados es más corta.
Para el caso del agua, a medida que aumenta la presión, esta línea de saturación es corta, y se convierte en un punto cuando la presión alcanza el valor de 22.06 MPa. Este punto se llama punto critico y se define como el punto en el que los estados de liquido saturado y de vapos saturado son idénticos.
t1.png

2.-Diagrama P-v
La forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar a la del diagrama T-v, pero líneas de T constante en este diagrama presentan una tendencia hacia abajo, como se lilustra en la figura 3-19.
t3.png

Ampliación de los diagramas para incluir la fase Sólida
Los dos diagramas de equilibrio desarrollados hasta ahora, representan estados de equilibrio en los que solo están presentes las fases liquida y d vapor.
Sin embargo es posible ampliar estos diagramas para incluir a la sólida, así como a las regiones de saturacion sólido-liquido y sólido-vapor. Los principios básicos analizados junto con el proceso de cambio de fase liquido-vapor se aplican del mismo modo a los de sólido-liquido y sólido-vapor. La mayor parte de las sustancias se contraen durante un proceso de solidificación (es decir congelación), peoro otras, como el agua, se expanden cuando se congelan. Los diagramas P-v para los dos grupos de sustancias se muestran en las figuras 3-21 y 3-22, y ambos diagramas difieren solo en la región de saturación sólido-liquido. Los diagramas T-v se ven muy similares a los diagramas P-v, en especial para sustancias que se contraen cuando se congelan.t4.png
t5.png

CONVERSION DE TEMPERATURA

ºC = (ºF - 32)x 0,555

ºF = 1,8xºC + 32

CONVERSION DE PRESIÓN

1 atmósfera (1 atm) = 40,68 pulg agua

1 atmósfera (1 atm) = 0,76 pulg mercurio

1 atmósfera (1atm) = 14,70 lb/pulg²

1 atmósfera (1atm) = 101300 NT/m²

1 pulgada de agua = 0,1868 cm mercurio

1 pulgada de agua = 0,03613 lb/pug²

1 pulgada de agua = 249,1 NT/m²

1 pulgada de mercurio = 0,1934 lb/pulg²

1 pulgada de mercurio = 1333 NT/m²

1 libra/pulgada² = 6895 NT/m²



MAQUINA DE MOVIMIENTOS PERPETUOS

Se ha expresado varias veces que un proceso no se puede llevar a cabo a menos que cumpla con las leyes , primera y segunda de la termodinámica. Cualquier dispositivo que viol,a alguna de las dos leyes se llama maquina de movimientos perpetuos y, a pesar de numerosos intetos, no se sabe de alguna maquina de ese tipo que haya funcionado. Pero esto no ha impedido que los inventores intenten crear nuevas.

Un dispositivo que viola la primera ley de la termodinámica (al crear energia ) se llama maquina de movimiento de primera clase (MMP1), y otro que viola la segunda ley se llama maquina de movimiento perpetuo de segunda clase (MMP2).


SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía tal que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.


La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación no existen. Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales hace destacar un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí. Clausius la enuncio como sigue: No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación). Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que éste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objeto caliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior. Por nuestra experiencia sabemos que cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. En este caso, la segunda ley elimina la posibilidad de que la energía fluya del cuerpo frío al cuerpo caliente y así determina la dirección de la transmisión del calor. La dirección se puede invertir solamente por medio de gasto de un trabajo.


Las sustancias que se pueden observar se clasifican en sustancias puras y mezclas.

Se llama sustancia pura a aquella que no se puede descomponer en otras mediante procedimientos físicos (como calentamiento o un campo magnético), ésta puede contener 1 o más sustancias que no se combinen (como el agua y el aceite). Es posible que la sustancia pura se descomponga mediante procesos químicos. Si ello es posible, se dice que la sustancia es compuesta; en caso contrario, se dice que es una sustancia simple.

Se llama mezcla al resultado de la combinación de varias sustancias puras, y es posible la separación de éstas mediante procedimientos físicos (destilación, evaporación, suspensión y filtración) y mecánicos (decantación e imantación).

Se dice mezcla homogénea a aquella en la que las propiedades intensivas son las mismas en toda la mezcla (por ejemplo, sal disuelta en agua). Estas propiedas intensivas son las que no dependen de la cantidad de material considerado (por ejemplo, densidad, sabor, viscosidad, calor específico).

Existe un método, que se apoya en el efecto Tyndall, que permite determinar con facilidad si se trata de una mezcla homogénea. Para que una mezcla se pueda considerar homogénea no se deben poder observar partículas en suspensión al iluminar la mezcla mientras se observa en dirección perpendicular a la del haz de luz.

Se dice mezcla heterogénea a aquella en la que las partes mantienen propiedades intensivas diferentes (por ejemplo, arena mezclada con serrín).


CICLO DE CARNOT Y MAQUINAS DE CALOR IDEALES

El planteamiento de la segunda ley de la termodinámica hecho por Lord Kelvin dice que cual, sea cual sea su diseño, siempre despide algo de energía calorífica.
Al diseñar una maquina de calor los ingenieros se esfuerzan por hacerla lo más eficiente que pueden pero debe haber algún limite teórico que, por la segunda ley debe ser menor que el 100 por ciento.
Said carnot (1796-1832), ingeniero francés, estudio dicho límite. Lo primero que busco fue el ciclo termodinámico que usaría una maquina de calor ideal, es decir, el ciclo más eficiente.
Carnot descubrió que la máquina de calor ideal absorbe calor de un depósito de alta temperatura constante (Tc) y despide calor hacia un depósito de baja temperatura constante (Ti). Idealmente seso dos procesos son isotérmicos y reversibles y podrían representarse como dos isotermas en un diagrama p-V. Sin embargo Carnot demostró que esos procesos son adiabáticos y reversibles por lo tanto las curvas correspondientes en un diagrama p-V se llamas adiabatas y son mas empinadas que las isotermas.
Así pues el ciclo de carnot ideal consiste en dos isotermas y dos adiabatas y se le puede representar de forma más conveniente en un diagrama T-S donde se forma un rectángulo.
El área bajo la isoterma superior (1-2) es el calor añadido al sistema desde el depósito de alta temperatura: Qc =TcΔS así mismo el área bajo la isoterma inferior (3-4) es el calor despedido Qf=TfΔS aquí Qf y Qc son las transferencias de calor a temperaturas constantes no hay transferencia de calor Q=0 durante las ramas adiabáticas del ciclo
La diferencia entre estas transferencias de calor es el trabajo producido, que es igual al área encerrada por los caminos de proceso.
Wneto= Qc-Qf= (Tc-Tf) ΔS
trm.jpg
trm1.png


El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por
trm3.png
y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente, bomba de calor.
El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las aplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritos acorde con el Criterio de signos termodinámico.
Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo:
trm4.png

Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible: . Como el proceso es efectivamente reversible, la entropía aumentará trm6.png
Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:
trm7.png

Esta vez, al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante: tm.png
Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:
trm8.png

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye: trm9.png
Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:
tm1.png

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía: tm2.png
tm3.png


Ciclo real
Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos disipativos. Los efectos disipativos se reducen minimizando el rozamiento entre las distintas partes del sistema y los gradientes de temperatura; el proceso es cuasiestático si la desviación del equilibrio termodinámico es a lo sumo infinitesimal, esto es, si el tiempo característico del proceso es mucho mayor que el tiempo de relajación (el tiempo que transcurre entre que se altera el equilibrio hasta que se recupera). Por ejemplo, si la velocidad con la que se desplaza un émbolo es pequeña comparada con la del sonido del gas, se puede considerar que las propiedades son uniformes espacialmente, ya que el tiempo de relajación mecánico es del orden de V1/3/a (donde V es el volumen del cilindro y a la velocidad del sonido), tiempo de propagación de las ondas de presión, mucho más pequeño que el tiempo característico del proceso, V1/3/w (donde w es la velocidad del émbolo), y se pueden despreciar las irreversibilidades.
Si se hace que los procesos adiabáticos del ciclo sean lentos para minimizar las irreversibilidades se hace imposible frenar la transferencia de calor. Como las paredes reales del sistema no pueden ser completamente adiabáticas, el aislamiento térmico es imposible, sobre todo si el tiempo característico del proceso es largo. Además, en los procesos isotermos del ciclo existen irreversibilidades inherentes a la transferencia de calor. Por lo tanto, es imposible conseguir un ciclo real libre de irreversibilidades, y por el primer teorema de Carnot la eficiencia será menor que un ciclo ideal.
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Ejemplo:
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1.-Un gas diatónico, cv=5R/2, describe el ciclo de Carnot de la figura. Las transformaciones A-B y C-D son isotermas y las transformaciones B-C y D-A son adiabáticas.
  • Hallar los valores de la presión, el volumen, y la temperatura de cada uno de los vértices A, B, C y D a partir de los datos suministrados en la figura.
  • Calcular de forma explícita el trabajo en cada una de las transformaciones, la variación de energía interna, y el calor.
  • Hallar el rendimiento del ciclo, y comprobar que coincide con el valor dado por la fórmula del rendimiento de un ciclo de Carnot.
Dato: R=8.314 J/(K mol)=0.082 atm.l/(K mol)
  • Presión y volumen de los cuatro vértices
c p = c v +R= 5 2 R+R= 7 2 R  γ= c p c v = 7 5 pV=nRT  10·2=nR·850  nR= 2 85A→B (isoterma) 10·2=8· V B    V B =2.5 litros  T A = T B =850 K B→C (adiabática)  T B V B γ−1 = T CV C γ−1  850· 2.5 2/5 =310· V C 2/5   V C =31.12 litros           P C V C =nR T C    P C·31.12= 2 85 310  P C =0.23 atm C→D (isoterma)  T C = T D =310 K A→D (adiabática)  T A V A γ−1 = T DV D γ−1  850· 2 2/5 =310· V D 2/5   V D =24.90 litros           P D V D =nR T D    P D·24.90= 2 85 310  P D =0.29 atm
Vértice
p(atm)
V(l)
T(K)
A
10
2
850
B
8
2.5
850
C
0.23
31.12
310
D
0.29
24.90
310
  • Trabajo, calor y variación de energía interna en los cuatro procesos
A→B (isoterma) Δ U AB =0 Q AB = W AB =nRTln⁡ V B V A = 2 85 850ln⁡ 2.5 2 =4.46 atm·l C→D (isoterma) ΔU CD =0 Q CD = W CD =nRTln⁡ V D V C = 2 85 310ln⁡ 24.90 31.12 =−1.62 atm·l B→C (adiabática) Δ U BC =nc v ( T C − T B )=n 5 2 R(310−850)= 2 85 5 2 (310−850)=−31.76 atm·l Q BC =0 W BC =31.76 atm·lD→A (adiabática) Δ U DA =n c v ( T C − T B )=n 5 2 R(850−310)= 2 85 5 2 (850−310)=31.76 atm·l Q DA =0
Proceso
W(atm·l)
Q(atm·l)
ΔU(atm·l)
A→B
4.46
4.46
0
B→C
31.76
0
-31.76
C→D
-1.62
-1.62
0
D→A
-31.76
0
31.76
Ciclo
2.84

0
  • Ciclo completo
Trabajo total: W=2.84 atm·l

Calor absorbido: Qabs=4.46 atm·l

Calor cedido: Qced=1.62 atm·l
Rendimiento
η= W Q abs = 2.84 4.46 =0.637 η=1− T AB T CD =1− 310 850 =0.635




2.- En un ciclo de potencia de Carnot descrito por un gas perfecto diatómico (γ = 1.40) la presión máxima es 3.50 bar y el volumen específico al final del proceso de expansión isoterma es 19.0 litro/mol. La etapa isoterma de alta temperatura ocurre a 400 K, y se sabe que durante la etapa isoterma de baja temperatura el calor rechazado en cada ciclo es 1570 J/mol. Se supone que todas las etapas son reversibles. La constante universal de los gases es R = 8,314 J·mol-1·K-1. Usando los valores numéricos dados junto a este enunciado, se pide:
a) Calcular las coordenadas P, v, T de todos los puntos notables del ciclo. Haga una gráfica a escala.
b) Calcular el calor entrante en cada ciclo, así como el trabajo neto que realiza el ciclo y el rendimiento.
c) Calcular la variación de energía interna y de entropía del gas entre los estados de presión máxima y volumen máximo.
a) Calcular las coordenadas P, v, T de todos los puntos notables del ciclo. Haga una gráfica a escala.
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Integrantes del equipo 1:

Cortes Escalona Jose Luis
Mendoza Gomez David
Cruz Ruiz Cesar
Montoya Carlos
Sanchez Aguilar Eduardo
Marqez Bonilla Juan Manuel



_
___

Ciclo Stirling

Un ciclo de Stirling es un proceso que permite la conversión entre energía mecánica y calorífica. En esta práctica se estudia la máquina de Stirling, que permite la obtención de trabajo a partir del intercambio de calor entre un foco caliente y otro frío, según el motor diseñado por Robert Stirling y patentado en 1816. El motor funciona mediante combustión externa, y el fluido térmico que utiliza es aire contenido en un cilindro. El ciclo teórico de Stirling consta de cuatro procesos: una expansión isoterma (1-2) a temperatura T1, una enfriamiento isócoro (2-3) a volumen V2, una compresión isoterma (3-4) a temperatura T2 y un calentamiento isócoro (4-1) a volumen V1, según se muestra en la gráfica P-V de la figura:
i1.png
i2.png
Un sistema que realiza el ciclo Stirling está formado por un cilindro, un pistón de trabajo y un pistón de desplazamiento con un regenerador que divide al sistema en dos zonas, una zona caliente a Tc y una zona fría a Tf.
i3.gif
En la posición 1 todo el gas se encuentra contenido en la parte fría del cilindro a una temperatura Tf y ocupando el volumen máximo.
i4.gif
En está posición se ha producido la compresión del gas hasta el volumen mínimo. Esta compresión se ha realizado a temperatura constante cediendo una cantidad Qf de calor a la zona fría.
i5.gif
El fluido ha atravesado el regenerador absorbiendo una cierta cantidad de calor Qrg que lo eleva hasta una temperatura Tc.
i6.gif
Se produce la expansión del gas hasta alcanzar el volumen máximo. Para ello se absorbe una cantidad de calor, Qc ,de la zona a alta temperatura. En el paso de la posición 3 a la 4 es donde se obtiene trabajo.
Después pasaremos de nuevo a la posición 1, atravesando otra vez el regenerador, pero esta vez el gas cederá una cantidad de calor, Qrg, al regenerador y rebajando su temperatura hasta Tf .
http://www2.ubu.es/ingelec/maqmot/StirlingWeb/ciclo/ciclo.htm

equipo 2 3AV3: SANDOVAL ROA, TORRES ESTRADA, MILLAN GOMEZ, HERNANDEZ ROLDAN, RODRIGUEZ.




Ciclo Ericsson (Equipo 3)
TRABAJO DE FLUJO Y ENERGIA DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO (EQUIPO 3 LEMUS BADILLO, FLORES FLORES, APARICIO CARDENAS, RAMIREZ CASTILLO OSVALDO, MOCTEZUMA ZAMORA SAUL)

En este ciclo se realizan dos transformaciones isotérmicas y dos isobáricas.
  • Se supone que el ciclo consta de 4 etapas:

  1. Compresión isotérmica
  2. Calentamiento isobárico
  3. Expansión isotérmica
  4. Enfriamiento isobárico


eb9.png400px-Ciclo-ericsson.png

imb.png300px-Joule-Prozess.PNG
  • Proceso 1-2: compresión isotérmica.
  • Proceso 2-3: calentamiento isobárico.
  • Proceso 3-4: expansión isotérmica.
  • Proceso 4-1: enfriamiento isobárico.


El ciclo Ericsson antes y después de las etapas de compresión y expansión isotermas tienen lugar procesos de aportación y cesión de calor isóbaros en lugar de isócoros. Las cuatro transformaciones que componen el ciclo existe intercambio de calor, e igualmente, tanto el nivel térmico como la cantidad de calor intercambiado, esta vez a presión constante, son idénticos en estas etapas de aportación de calor y de cesión de calor, por tanto, también eneste caso la recuperación del calor cedido a presión constante para alimentar la aportación de calor a presión constante no inclumple ni el primer ni el segundo principios de la Termodinámica, siendo tal recuperación la que se persigue precisamente por medio de la regeneración en el ciclo Brayton, ciclo que al someterse a infinitos procesos de recalentamiento y de enfriamiento intermedio tendería al ciclo Ericsson.


Los procesos de expansión y compresión isotérmicos se llevan a cabo en la turbina y el compresor.
En el intercambiador de calor de cotraflujo, la transferencia de calor sucede entre las dos corrientes.
En el caso ideal la temperatura entre las dos corrientes no excede una cantidad dT. La corriente de fluido que sale del intercambiador de calor a la temperatura de entrada de la corriente caliente.


eb3.png

COMPARACION CON LOS CICLOS DE CARNOT Y STIRLING
  • Tanto el ciclo de Ericsson como el de Stirling son usados en motores de combustión externa. El motor de Ericsson se parece mucho al motor Strling de doble acción, en el que el pistón desplazador actúa como pistón motriz. En teoría ambos ciclos tienen un rendimiento ideal. El máximo rendimiento posible según la segunda ley de la termodinámica. El ciclo ideal por antonomasia es el ciclo de Carnot. No hay ningún motor que siga el ciclo de Carnot.
COMPARACION CON EL CICLO DE BRAYTON
  • El primer ciclo por Ericsson llama actualmente ciclo Brayton, usado en los motores de turbina de gas de los aviones. El segundo ciclo inventado por Ericsson es que se llama ciclo Ericsson. Puede imaginarse como un ciclo Brayton ideal, con una turbina de gas llevada al limite; con una fase de compresión de muchas etapas con enfriamiento (equivalentes a una compresión refrigerada), una expansión con muchas etapas y incluyendo recalentamiento del aire de entrada con un intercambiador-recuperador.
  • Comparado con un ciclo Brayton normal (con compresión adiabática y expansión adiabática), el ciclo Ericsson (con compresión y expansión isotérmicas) proporciona mas trabajo limpio pro revolución. El uso de un intercambiador-regenerador aumenta el rendimiento al reducir las necesidades de aportación de calor.

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MOTOR ERICSSON
  • Los motores Ericsson se basan en el ciclo Ericsson. Son de combustión externa para que el pistón motriz se calienta desde el exterior. Para mejorar el rendimiento (el rendimiento térmico y el rendimiento total) el motor Ericsson dispone de un regenerador o recuperador de calor. Puede funcionar en ciclo abierto o cerrado. La expansión y la compresión se producen simultáneamente, en las caras opuestas del pistón.
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  • En la posición actual (el pistón en la posición mas baja ) el aire de la cámara interior se calienta mediante calor aportado exteriormente. El aire de la cámara superior ha sido aspirado al bajar el pistón y es a presión atmosférica.

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  • El pistón comienza a subir por la presión del aire calentado. Se producen simultáneamente la expansión del aire caliente y la compresión del aire de la cámara superior (aspirado en la etapa previa. El aire pasa al esquema obligado por la válvula anti retorno de la admisión. Una válvula anti retorno le permite el paso al deposito acumulador de aire frio.)




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  • El la posición máxima superior pasa al deposito frio la máxima cantidad de aire aspirado posible. La válvula de paso (dibujada abajo y a la izquierda) se abre y permite el paso del aire frio a través del recuperador y hasta la cámara interior que la cámara interior que la aspira.
  • Un volante de inercia hace que el pistón doble función (compresión-expansión) empiece a bajar, comprimiendo el aire precalentado en el recuperador y aspirante aire atmosférico en la cámara superior.

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  • En el cuarto ciclo el aire precalentado acaba de calentar mientras se comprime. En la fase inicial el pistón esta en la posición continúa.




TRABAJO DE FLUJO Y ENERGIA DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO (EQUIPO 3 LEMUS BADILLO, FLORES FLORES, APARICIO CARDENAS, RAMIREZ CASTILLO OSVALDO, MOCTEZUMA ZAMORA SAUL)
A diferencia de los sistemas cerrados en los volúmenes de control hay flujo másico a través de sus fronteras, y se requiere trabajo para introducirla o sacarla del volumen de control. Este trabajo se conoce como trabajo de flujo o energía de flujo, y se requiere para mantener un flujo continuo a través de un volumen de control. Así, el trabajo realizado al empujar el elemento de fluido por la frontera (trabajo de flujo) es: WFLUJO = FL = PAL = PV, donde F es la fuerza requerida para empujar el elemento de fluido a lo largo de una distancia L, si la presión del fluido es P y el área de la sección transversal es A la fuerza aplicada al embolo imaginario es F = PA por lo que AL es V (volumen), figura 3
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Figura 3.
El trabajo de flujo por unidad de masa se obtiene al dividir ambos lados de la ecuación por la masa del elemento de fluido: wFLUJO = Pv, kJ/kg, donde v es volumen especifico.
Energía total de un fluido en movimiento
La energía total de un sistema compresible simple consiste de tres partes: energía interna, cinética y potencial, por unidad de masa esta se expresa como:
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Donde V es la velocidad y z es la elevación del sistema en relación con algún punto externo de referencia (usamos z por h para no confundirla con la entalpía). El fluido que entra o sale de un volumen de control posee una forma adicional de, el trabajo de flujo Pv,. Entonces la energía total de un fluido en movimiento (denotada por 00006.jpg) es: 00003.jpg, pero la combinación Pv + u es entalpía h, así que la ecuación anterior se reduce a:

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(kJ/kg)

Como θ es la energía total por unidad de masa, la energía total de un fluido en movimiento de masa m es simplemente mθ, siempre y cuando las propiedades de la masa sean uniformes. Cuando una corriente de fluido se mueve a un flujo másico 00007.jpg, la tasa de flujo de energía con esa corriente es 00008.jpg. Es decir
Cantidad de energía transportada:

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(kJ)

Tasa de energía transportada:

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(kW)

Cuando las energías cinéticas y potencial de una corriente de fluido son insignificantes, como comúnmente sucede, estas ecuaciones se simplifican a:
EMASA = mh y 00010.jpg.
Análisis de energía de sistema de flujo estable
Un proceso de flujo estable es aquel proceso durante el cual un fluido fluye de manera estable por un volumen de control. Es decir, las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a otro dentro del volumen de control, pero en cualquier punto permanecen constante durante todo el proceso (estable significa ningún cambio con el tiempo). En un proceso de flujo estable ninguna propiedad intensiva o extensiva cambia con el tiempo, lo que implica que el volumen, V, la masa, m, y la energía total E permanecen constante en el volumen de control. La masa total o energía que entra al volumen de control debe ser igual a la masa total o energía que sale del volumen de control.
Balance de masa para un sistema general de flujo estable es:
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Balance de masa para un sistema estable de corriente única es:
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En un proceso de flujo estable, el contenido de energía total de un volumen de control permanece constante, EVC = cte, esto implica que ΔEVC = 0. En consecuencia, la cantidad de energía que entra a un volumen de control en todas las formas (calor, trabajo y masa) debe ser igual a la cantidad de energía que sale o sea:

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(kW)

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Para un sistema general de flujo estable la ecuación anterior queda:
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o bien:
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La primera ley o relación de balance de energía en el caso de un sistema general de flujo estable se convierte en:
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Para dispositivos de una sola corriente, la ecuación de balance de energía de flujo estables es:
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Si dividimos esta ecuación por 00007.jpg se obtiene el balance de energía por unidad de masa:
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Cuando el fluido experimenta cambios insignificantes en sus energías cinética y potencial la ecuación del balance de energía se reduce:
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