Resumen Se decidió escribir un texto guía de la materia, para hacer una contribución a la biblioteca a favor de la Carrera de Ingeniería Agroindustrial y que esta se utilice como material de apoyo a los estudiantes que llevan el curso de Termodinámica




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TRABAJO DE FIN DE CURSO DE LA ASIGNATURA DE TERMODINÁMICA

Folleto Guía

Ing Gustavo A. Moreno
Elaborado Por:

Elba Milagros Rodríguez Rivera

Fátima Gabriela Rivera Avilés

Katherine Alicia Huete Gutiérrez

Edwin Antonio Rugama
Grupo:

2M1 Agroindustrial
Estelí, 4 De Julio 2012


Agradecimiento

Queremos primero agradecer a Dios por haberme dado la vida, y que siempre va guiándonos e iluminando nuestro camino en la vida.
A nuestra carrera de Ingeniería Agroindustrial por darnos la oportunidad de coadyuvar a la formación de profesionales del mañana.
A mi maestro ING Gustavo A. Moreno, ya que gracias a su constante motivación llegamos alcanzar dichos conocimientos


Resumen
Se decidió escribir un texto guía de la materia, para hacer una contribución a la biblioteca a favor de la Carrera de Ingeniería Agroindustrial y que esta se utilice como material de apoyo a los estudiantes que llevan el curso de Termodinámica.
Se ilustran los problemas termodinámicos con situaciones reales, de tal manera que las condiciones en que nos encontramos son diferentes a la del nivel del mar. Es importante que los estudiantes entiendan los fenómenos estudiados desde el punto de vista de la experiencia, así serán capaces de aplicar las leyes básicas de la Termodinámica para resolver los problemas que involucran proyectos de ingeniería.
Este texto incluye problemas que se puede ver en el curso de un semestre, tiene material selecto que puede ser útil en aplicaciones prácticas sobre temas de vapor y gas, combustión y ciclos de refrigeración.
Todos los problemas se realizan en el sistema Internacional de Unidades, de manera que el estudiante esté familiarizado para los repasos o exámenes de Termodinámica.
La Termodinámica Técnica desempeña un papel vital en el diseño de múltiples procesos, dispositivos y sistemas, para su uso tanto en el hogar como en la Industria, no está demás decir que la Termodinámica constituye parte de nuestra vida diaria.
En ingeniería la Termodinámica Técnica resulta ser, además muy importante en la continua búsqueda de soluciones a los problemas relacionados con la crisis energética, la escasez de agua potable, la contaminación atmosférica, la eliminación de la basura y por naturaleza la protección del ecosistema que es vital para la supervivencia del ser humano. Por eso estudiamos con la mayor importancia en nuestra búsqueda de una mejor forma de vivir.


UNIDAD: 1

CONCEPTOS, DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BÁSICOS
OBJETIVOS

Introducir conceptos fundamentales y definiciones usadas en el estudio de la Termodinámica.

Revisar los sistemas de unidades que se utilizarán en el curso.

Explicar los conceptos básicos de la termodinámica, como sistema, estado, equilibrio, proceso y ciclo.
INTRODUCCIÓN

La Termodinámica Técnica es una ciencia que estudia macroscópicamente las relaciones de transformación y transferencia de energía ocasionados por los cambios físicos de la naturaleza. Para el ingeniero el estudiar Termodinámica Técnica es conocer una herramienta analítica, teórica y práctica que le ayuda a interpretar fenómenos naturales desde el punto de vista de las relaciones de materia y energía.
TERMINOLOGÍA TERMODINÁMICA

Los enunciados de las Leyes de La Termodinámica se expresan con términos referidos al tema como ser: sistema, propiedad, transformación, ciclo, etc. Muchas de las explicaciones se manejan estos términos por lo que es necesario conocer para el avance del curso.
LA TERMODINÁMICA

La palabra termodinámica proviene del vocablo griego termos (calor) dynamics

(Potencia).Es la ciencia que estudia los cambios de energía y las transformaciones incluida la producción de potencia y la refrigeración.
ASPECTOS IMPORTANTES

Ley de conservación de energía, establece que la energía en un proceso puede cambiar de forma, pero la cantidad de energía total permanece constante, la energía ni se crea ni se destruye, si no que se transforma.
Aspectos históricos:

Desde la creación del universo han existido los procesos termodinámicos, esta aparece como ciencia hasta la construcción de la maquina de vapor en Inglaterra, por Thomas Savery en 1697.
La primera y segunda ley de la termodinámica fueron postulados simultáneos en la década de 1850, por los trabajos de William Ranking, Rudolph Clausius, Lord Kelvin.

El término de termodinámica es utilizado por primera vez en 1849 por Lord Kelvin, en su obra maestra. El primer libro de termodinámica lo escribió William Ranking.
La termodinámica es aplicada en cualquier actividad de ingeniería y en nuestra vida se aplica en la cocina, en el carro, en el refrigerador, en el aire acondicionado.

IMPORTANCIA DE LA TERMODINÁMICA EN LA AGROINDUSTRIA.
Todos los procesos para producir industrialmente los productos agrícolas involucran un complejo de equipos que funcionan a base de intercambios de energía en forma de calor, tales como: marmitas, autoclaves, calderas, hornos, calentadores, enfriadores, etc. También equipos de trabajo que transfieren energía en forma de trabajo como turbinas, bombas y compresores.
Cada uno de estos equipos pueden ser analizados, e cuanto al intercambio energético, con los métodos y principios de la termodinámica.
SISTEMA

En Termodinámica un sistema se define como cualquier conjunto de materia o cualquier región en el espacio delimitado por una superficie o pared llamada frontera del sistema.
La pared puede ser real, ejemplo un tanque que contiene un determinado fluido, puede ser imaginaria, como la frontera de determinada cantidad de fluido que circula a lo largo de un tubo.
Toda materia que se encuentra fuera de la pared y que interactúan con el sistema en cuestión se conoce como entorno o medio ambiente.
CLASES DE SISTEMA


    • Cerrado: no existe cambio de masa pero si puede existir de trabajo y energía



  • Abierto: si hay intercambio de masa y energía.





  • Aislado: no existe transferencia de energía ni de masa.



Hielo

Aislante




Nota: las relaciones y fundamentos termodinámicos aplicables a sistemas cerrados son diferentes a sistemas abiertos, por lo que es importante identificar el tipo de sistema antes de iniciar su estudio y análisis.
PROPIEDAD

Una propiedad es cualquier parámetro o cantidad que sirve para describir a un sistema. Las propiedades comunes son presión, temperatura, volumen, velocidad y posición; el color es importante cuando se investigan la transferencia de calor por radiación.
Las propiedades termodinámicas se dividen en dos tipos generales, extensivas e intensivas. Una propiedad extensiva es aquella que depende de la masa del sistema, ejemplos; masa, volumen, cantidad de movimiento y energía cinética.
Una propiedad intensiva es la que no depende de la masa del sistema, ejemplos; temperatura, presión, densidad y velocidad. Si dividimos una propiedad extensiva entre la masa, resulta una propiedad específica. El volumen específico se define como el cociente del volumen sobre su masa.
Las propiedades de una sustancia pueden dividirse en cuatro clases generales:
Intensivas: son la propiedades que no dependen de la masa, tales como: la presión, la temperatura, la densidad.
Extensivas: varían directamente con la masa, el volumen la energía cinética la cantidad de movimiento, etc.
Especificas: si una propiedad extensiva se dividen por la masa, se obtiene una propiedad que no depende de la cantidad de masa, y se denomina específica.
Molares: si una propiedad extensivas se dividen por el numero de moles de sustancia, se obtiene una propiedad especifica malar; por ejemplo: el volumen especifico molar.
Dimensiones Y Unidades

Las unidades son los medios para expresar las dimensiones, como por ejemplo: pie, centímetro, etc.
La longitud, la masa y el tiempo tienen unidades. Los sistemas de unidades están compuestos por:


  • Unidades Fundamentales: Se tienen para la masa, longitud, tiempo, temperatura, corriente eléctrica e intensidad luminosa.

  • Unidades Múltiplos: Son múltiplos o fracciones de las unidades fundamentales.

  • Unidades Derivadas: Se pueden obtener de dos formas:


1. Compuestas: Multiplicando y/o dividiendo unidades fundamentales y sus múltiplos (m2, m/s, m/s2).

2. Unidades Equivalentes: Son equivalentes definidos de las unidades compuestas (Ej: 1 N ≡ 1 kg·m/s2, 1 erg ≡ 1 g·cm/s2).
Las cantidades físicas se caracterizan mediante dimensiones y las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades
Dimensiones Elementales o fundamentales

Masa (m)

Longitud (L)

Tiempo (t)

Temperatura (T)
Dimensiones secundarias o derivadas

Velocidad (v) l/t

Volumen (V) L3

Energía (E) w/t



PROPIEDADES DE UN SISTEMA
Densidad (ρ)

Representa la cantidad de masa de una sustancia por unidad de volumen, por lo tanto podemos usarla como factor de conversión para relacionar masa y volumen.
Volumen Específico (v)

El volumen específico es el inverso de la densidad, es el volumen ocupado por unidad de masa de un material.
V = v/m ó V = 1/ ρ

Para líquidos la densidad varia con la temperatura y en menor grado con la presión. Para gases y vapores la densidad es función de la temperatura y presión.
La densidad del agua a 4 ºC es 1 g/cm3 ≡ 1000 kg/m3 ≡ 62.43 lbm/pie3.

El volumen específico se expresa en m3/kg en unidades del sistema internacional y pie3/lbm en unidades del sistema ingles.
Peso especifico

Es el peso por unidad de volumen.

w= W/V
Donde:

W: es el peso

V: es el volumen


  • Sistema termodinámico: es una cantidad de materia o una región de espacio seleccionada para ser estudiada.

  • Alrededor: es la masa o la región que rodea a un elemento de volumen o sistema.

  • Frontera: es la superficie real o imaginaria que separa a nuestro sistema con los alrededores, la frontera puede ser fija o móvil.



ESTADO Y EQUILLIBRIO
Estado: son todas las condiciones y propiedades que describen o definen un sistema.
Equilibrio: un sistema esta en equilibrio cuando las condiciones que lo definen no sufren cambio con el tiempo ni el espacio.

Clases De Equilibrio
En referencia a las condiciones de equilibrio existen infinidad de relaciones de condiciones de equilibrios según las conveniencias para estudiar un proceso entre los más usuales son:
Equilibrio térmico: si la temperatura es igual en todo el sistema.

Equilibrio mecánico: si la presión es igual en todo el sistema.

Equilibrio termodinámico: cuando el sistema está en equilibrio en relación con cualquier posible cambio de estado.
Procesos

Cualquier cambio que experimenta un sistema de un estado a otro se denomina proceso por ejemplo. Proceso de calentamiento, fermentación, compresión, entre otros.
Clasificación de los procesos


  • Proceso isotérmico: se realiza a temperatura constante.

  • Proceso isobárico: se realiza a presión constante.

  • Proceso isocoro o isotérmico: se efectúa a volumen constante.

  • Proceso isoentálpico: se realiza a entalpía constante.

  • Proceso isotrópico: se realiza a entropía constante.

  • Proceso adiabático: ocurre sin transmisión de calor.

  • Procesos reversibles o cíclicos: cuando las condiciones iniciales y finales de un proceso son iguales y no se observan cambio. El caso contrario es el irreversible.


Proceso cuasiequilibrio

Es un proceso ideal en el cual los cambios de las propiedades son tan pequeños que puede considerarse que todos los estados por los que pasa el sistema son estados en equilibrio.
Proceso en desequilibrio

Es aquel en el que se produce en cambio brusco de un estado a otro y no puede identificarse cada estado a través del cual pasa el sistema.
Ciclo

Si un sistema a partir de un estado inicial dado, pasa por varios cambios finalmente vuelve a su estado inicial se dice que ha experimentado un ciclo.

UNIDAD: 2

PRESION Y TEMPERATURA
Presión

Las mediciones de presión son las más importantes que se hacen en la industria; sobre todo en industrias de procesos continuos, como el procesamiento y elaboración de compuestos químicos. La cantidad de instrumentos que miden la presión puede ser mucho mayor que la que se utiliza en cualquier otro tipo de medidor.
La presión se define como la fuerza normal que se ejerce sobre una unidad de área. El concepto de presión se emplea cuando se trata de un líquido o un gas.

P= F

A
Donde:

P: presión en unidades de fuerza por unidad de área

F: Fuerza perpendicular al área

A: área
Variación de la Presión con la altura

Esta está representada por la siguiente ecuación:

P = Patm+ρ gh

Manométrica= ρ gh
Donde:

 ρ es la densidad del fluido

g es la gravedad, 9.807 m/s
La presión de un fluido no cambia en dirección horizontal sin embargo esta se incrementa con la profundidad y lo hace de forma lineal.

La variación de presión con el peso es insignificante para los gases debido a su baja densidad.

La variación de la densidad de los líquidos es insignificante, igualmente para los gases si la elevación es moderada. Sin embargo cuando tenemos cambios de temperatura no es así.


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