PPT-S3-RCORDOVA-2018-01

CURSOTERMODINÁMICA APLICADA Docente: Ing. Rocío Córdova Ubillús Copyright © febrero de 2018 por TECSUP OBJETIVOS DEL CURSO • Comprender y aplicar conceptos básicos de la termodinámica (1ra y 2da ley). • Evaluar y optimizar sistemas térmicos en base al ahorro de energía y su implicancia en el medio ambiente. • Analizar los procesos termodinámicos aplicados a motores de combustión interna. COMPETENCIA DEL CURSO “Aplicar el cálculo superior, ciencias básicas y tecnología para evaluar, analizar y dar solución a problemas de equipo pesado, demostrando la conservación de energía” Copyright © febrero de 2018 por TECSUP Sesión N° : 3 ENERGÍA Transferencia de Energía y Análisis General de Energía Ing. Rocío Córdova Ubillús Copyright © febrero de 2018 por TECSUP Repaso sesión anterior - ¿Qué es energía? - ¿Cuáles son las formas de energía? - ¿Qué es sistema? - ¿Cuáles son los tipos de sistema de acuerdo a la transferencia de energía? - ¿Cuáles son las características de una expansión isotérmica? 5 Problematización • Preguntas que generen discusión o debate sobre el nuevo tema a tratar (conflicto cognitivo) 6 Logro de la sesión Al finalizar la sesión, el estudiante será capaz de evaluar sistemas en procesos industriales aplicando los principios de la primera ley termodinámica; asimismo, debe ser capaz de criticar la implicancia de la conversión de energía en el medio ambiente. 7 Problemática • Fuente: Banco Mundial, 2011 8 ENERGÍA Térmica Nuclear Eléctrica ENERGÍA Potencial Total Mecánica E Química Magnética Cinética 9 Energía Interna (U) • Es la suma de todas las formas microscópicas de energía de un sistema 10 Energía Total de un sistema 𝑬 = 𝑼 + 𝑬𝒄 + 𝑬𝒑 𝒗𝟐 𝑬 = 𝑼 + 𝒎 + 𝒎𝒈𝒛 𝟐 11 Energía Total de un sistema Calor y Trabajo CALOR Transferencia de energía debido a una diferencia TRABAJO de temperatura Transferencia de energía debido a una fuerza macroscópica que actúa a lo largo de una distancia 13 Transferencia de energía por trabajo 𝒅𝒘 = 𝑭𝒙 𝒅𝒙 𝒙𝟐 𝒘= 𝑭 𝒙 𝒅𝒙 𝒙𝟏 𝒘 = 𝑭(𝒙𝟐 − 𝒙𝟏 ) 14 Transferencia de energía por trabajo 𝒙𝟐 𝒘= 𝑭 𝒙 𝒅𝒙 𝒙𝟏 𝟏 𝒘 = 𝒎(𝒗𝟐𝒙𝟐 − 𝒗𝟐𝒙𝟏 ) 𝟐 15 Actividad práctica grupal 1. Calcula la energía cinética total en BTU sobre un objeto con masa 15 lbm cuando su velocidad es de 100 pies/s 2. Determine la energía potencial específica en Btu/lbm, de un objeto ubicado a 100 pies sobre un nivel dado en una ubicación donde g= 32,1 pie/s2 16 Actividad práctica grupal 3. Se va a generar electricidad instalando un turbogenerador en un lugar a 160 m bajo la superficie de un gran depósito de agua, que puede suministrarla continuamente a 3500 kg/s. Calcular la potencia que pueda generar. 4. Un chorro de agua sale por una turbina a 60 m/s, con una tasa de flujo de 120 Kg/s; se va a usar para generar electricidad, al chocar las paletas en la periferia de una rueda. Calcular la potencia que puede generar el chorro. 17 EJERCICIOS PROPUESTOS 5. Calcular la energía requerida para acelerar un automóvil de 800 kg, desde el reposo hasta 100 Km/h, en un camino horizontal. 6. Determine la potencia necesaria para que un automóvil de 1150 kg suba por un camino ascendente de 200 m de longitud, con un pendiente de 30° con respecto a la horizontal, en 12 s. - A velocidad constante. - Desde el reposo hasta velocidad final de 30 m/s y - De 35 m/s a una velocidad final de 5m/s. Ignore el rozamiento, 18 la resistencia del aire. PRIMERA LEY TERMODINÁMICA • La energía total del sistema más el entorno permanece constante (se conserva) Q (+) SISTEMA W (-) dU Q (-) W (+) 19 dQ=dU + dW Energía Interna (U) Es una propiedad de estado que sólo depende del estado inicial y final del sistema. ∆𝑼 = 𝑼𝟐 − 𝑼𝟏 ∆𝑈 = 𝑈𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑈𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∆𝑈 = 0 en un proceso cíclico 20 Trabajo (W) Trabajo de expansión y compresión Trabajo mecánico W= - P*A*dz W= - Fdz dW = - P dV W = - F(z2-z1) W = - mgh dW = - P (V2 – V1) dW = - P (-dV) (En una compresión) Expansión libre: W=0 21 Trabajo P - V Trabajo de expansión reversible e isotérmico 2 𝑤=− 𝑃𝑑𝑉 1 2 𝑛𝑅𝑇 𝑤=− 𝑑𝑉 1 𝑉 2 𝑑𝑉 𝑤 = −𝑛𝑅𝑇 1 𝑉 𝑤 = −𝑃. 𝑑𝑉 𝑽𝟐 𝒘 = −𝒏𝑹𝑻𝒍𝒏 𝑽𝟏 22 EJERCICIOS DE APLICACIÓN Calcular el trabajo para los procesos (a) y (b) si P1=3 atm, V1=500 cm3, P2=1 atm y V2 = 2000cm3. Calcule también para el proceso inverso de (a) 23 Calor y Energía interna a Volumen constante 𝑑𝑈 = 𝑑𝑞 + 𝑑𝑊 𝑑𝑈 = 𝑑𝑞 + −𝑃𝑑𝑉 𝒅𝑼 = 𝒅𝒒𝒗 𝟐 ∆𝑼 = 𝒅𝒒 𝟏 24 EJERCICIO DE APLICACIÓN Calcular rU para un cambio de estado en el que 1 mol de agua pasa de 25°C y 1atm a 100 °C y 1 atm Calcular q,w y rU cuando se calienta un mol de agua de 0°C a 100°C a presión constante de 1 atm. Las densidades del agua son 0,9998 g/cm3 a 0°C y 0,9854 g/cm3 a 100 °C 25 ENTALPÍA (H) 𝑯 = 𝑼 + 𝑷𝑽 ∆𝑈 = 𝑞 + 𝑊 𝑈2 − 𝑈1 = 𝑞 + −𝑃(𝑉2 − 𝑉1 ) 𝑈2 − 𝑈1 = 𝑞𝑝 − 𝑃𝑉2 + 𝑃𝑉1 𝑞𝑝 = (𝑈2 +𝑃𝑉2 ) − (𝑈1 +𝑃𝑉1 ) 𝑞𝑝 = 𝐻2 − 𝐻1 𝟐 𝒒𝒑 = ∆𝑯 ∆𝑯 = 𝒅𝒒 𝟏 26 ENTALPÍA (H) ∆𝑯 = ∆𝑼 + ∆𝒏𝒈 𝑹𝑻 Determinar la variación de energía interna para el proceso de combustión de 1 mol de propano a 25ºC y 1 atm, si la variación de entalpía, en estas condiciones, vale – 2219,8 kJ. 27 Actividad práctica grupal Determina el cambio de energía interna que experimenta un sistema de vapor de agua cuando recibe 6000 joule en forma de calor y a su vez realiza un trabajo de 1200 joule. 28 Actividad práctica grupal Sobre un sistema se realiza un trabajo de 1500 joule y se le suministran 2300 joule de calor, ¿Cuál es la variación de la energía interna del sistema? 29 Actividad práctica grupal Un sistema realiza un trabajo de 3540 joule, y se le suministran 2300 joule de calor, ¿Cuál es la variación de la energía interna del sistema? 30 Conclusiones de la Sesión • La energía es la capacidad para realizar un trabajo. • La energía puede almacenarse de diversas formas: potencial, cinética, interna, química. • De acuerdo a la Primera Ley Termodinámica, la energía solo se transforma en el universo, manteniéndose constante. • La energía puede transferirse en forma de calor y trabajo. 31 Problemas propuestos Se calienta lentamente un gas no ideal y se expande reversiblemente a la presión constante de 275 torr, desde un volumen de 385 cm3 hasta 875 cm3. Calcular W en joules 32 Problemas propuestos Un mol de vapor de agua inicialmente a 200 °C y 1 bar experimenta un proceso cíclico para el cual w=145J. Calcule q para este proceso Qué cantidad de trabajo expresado en joules realizan 0,225 moles de N2(g) cuando se expanden a una temperatura constante de 23°C desde una presión inicial de 2,15 atm hasta una presión final de 746 mmHg? Cuáles son los volúmenes inicial y final? 33 Problemas propuestos Qué variación de energía interna se produce al transformarse 250 g de agua líquida de 23°C en vapor a 100°C a la presión constante de 1 atm. Datos: Ceagua: 4183J/Kg°C, Cvapor/agua: 2257KJ/Kg, ρagua: 1000Kg/m3 34 Bibliografía  CENGEL, BOLES. (2012). TERMODINÁMICA. México – Mc Graw Hill  KURT C. ROLLE (2006). TERMODINÁMICA (6ª. Ed.) México. Pearson Educación.  MUÑERA R. (2013). TERMODINÁMICA. Colombia. UNAD.  https://www.youtube.com/watch?v=xM-UEJ666LM  https://youtu.be/_eIHHlFSAhs 35