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TERMODINAMICA Y TRANSFERENCIA DE CALOR

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1 Introducción a la Termodinámica  La Termodinámica es parte de la física teórica. La misma sirve para describir y relacionar las propiedades físicas de la materia y los intercambios energéticos que en ella ocurren. La aplicación de la termodinámica es muy usada en todas las ramas de la ingeniería, por la aplicación que tiene en los procesos industriales. Un sistema puede pasar de un estado de equilibrio

inicial a un estado de equilibrio final, y sus propiedades macroscópicas han pasado de un estado a otro. Este proceso se denomina proceso termodinámico, y se caracteriza fundamentalmente por tres variables medibles denominadas variables de estado que son Presión, Volumen y Temperatura. Existen otras variables termodinámicas que ayudan a describir aún más los sistemas y su entorno tales como densidad, calor específico, energía interna, coeficiente de dilatación lineal, etc. En este capítulo se estudiarán algunas de esas magnitudes.  Estados de la Materia. Se pueden dividir en tres categorías principales: sólidos, líquidos y gases.  Estado Gaseoso: No tiene una superficie límite y por eso tiende a llenar cualquier espacio disponible. El volumen de los gases cambia sensiblemente con variaciones de presión y temperatura.  Estado Líquido: No tiene forma definida como los gases y toma la forma del recipiente que se encuentre, pero debido a la superficie que posee un límite de espacio que puede ocupar.

 Estado Sólido: Tiene una forma definida, a diferencia de líquidos y gases. Al igual que en los líquidos, su volumen no varía apreciablemente con cambios de presión y temperatura.

 Sistema. Puede definirse como un grupo de componentes conectados que funcionan en conjunto para llevar a cabo una tarea determinada. Una instalación de proceso industrial contiene un gran número de tuberías que conecta los diferentes equipos tales como bombas, tanques e intercambiadores de calor entre otros. Los equipos relacionados y las tuberías asociadas a éstos están arreglados en grupos individuales de equipos llamados sistemas. Se considera un sistema cerrado cuando no intercambia masa con el medio exterior, es decir, no entra ni sale sustancia. De lo contrario se considera un sistema abierto. Un ejemplo de sistema abierto es un líquido en ebullición donde el vapor se escape a la atmósfera. Una manera de clasificar los sistemas termodinámicos es considerando el modo de relación que tenga con su entorno:  Sistemas Abiertos: Aquellos que intercambian materia y energía con su entorno.  Sistemas Cerrados: Aquellos que intercambian energía, pero no materia con su entorno.  Sistemas Aislados: Aquellos que no intercambian ni materia ni energía con su entorno.

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Un sistema termodinámico se caracteriza por un cierto número de variables llamadas variables termodinámicas o propiedades termodinámicas del sistema. Los valores de estas variables constituyen el estado termodinámico del sistema, y por esto a dichas variables se les conoce también con el nombre de variables de estado. Un cambio en el estado de un sistema debido a una interacción con su entorno se traduce en el cambio de por lo menos una de sus propiedades. Una manera de clasificar las variables de estado es como variables externas y variables internas. Una propiedad externa es aquella cuyo valor no depende de la sustancia que está dentro de los límites del sistema sino de la posición en el espacio de cuerpos exteriores al sistema, por ejemplo, el volumen de un gas en un cilindro con un pistón o un campo eléctrico. Una propiedad interna es aquella cuyo valor depende de la naturaleza del medio que constituye el sistema, por ejemplo, la presión, la temperatura o la densidad. Son propiedades independientes una de otra cuando el sistema puede realizar un cambio de estado de tal manera que una de ellas varíe mientras la otra permanece constante. El acoplamiento de un sistema con su entorno se hace a través de las variables externas, que condicionan el valor de las otras variables, siendo por ello las variables externas las independientes por excelencia. Durante el cambio de fase de una sustancia pura, la presión y la temperatura permanecen constantes, siendo dependientes, mientras que el volumen sí cambia y puede formar con la presión o con la temperatura una pareja de propiedades con la que se puede definir el sistema. Otra clasificación de las variables de estado depende de su dependencia con la masa: variables extensivas y variables intensivas. Las extensivas dependen de la masa y son proporcionales a ella, por ejemplo, el volumen o la masa. Las intensivas no dependen de la masa, por ejemplo, la presión o la densidad. Dentro de las magnitudes intensivas se consideran también las magnitudes específicas y molares, es decir, magnitudes extensivas referidas a la unidad de masa o mol, respectivamente.

 Sistemas Abiertos De Flujo Estacionario: Es un caso en particular de los sistemas con circulación de fluidos donde: La masa de la sustancia de trabajo que entra al sistema en un tiempo dado, es igual a la masa de la sustancia que sale en un tiempo dado, por tanto, no existe acumulación de masa dentro del sistema. La presión, la temperatura y las demás variables características de trabajo, en cada punto del sistema, no varían con el tiempo. No existe acumulación de energía positiva ni negativa en el sistema.  Estado de la sustancia. Es la situación en que se encuentra en un momento dado. Si el estado es tal que la presión, la temperatura y el resto de las variables que lo caracterizan tienen el mismo valor en todos y cada uno de los puntos de la sustancia de trabajo, se dice que el estado es de equilibrio.  Procesos: Si una o más de las variables que determinan el estado de una sustancia cambian, la sustancia ha tomado parte en un proceso. En general, los procesos reales producen cambios en casi todas las propiedades. Pero hay ciertos procesos en los que unas variables permanecen constantes: Si un proceso ocurre sin cambio de presión, se dice que es isobárico; si el volumen permanece constante, isocórico; si es la temperatura la que no cambia, isotérmico, y si no cambia el contenido de energía, isoentálpico. Cuando un fluido pasa a través de una serie de procesos y retorna a su estado inicial, se dice que se ha efectuado un ciclo. A los procesos no cíclicos se los llama procesos abiertos. Cuando en el proceso no hay intercambio de calor se denomina proceso adiabático. Variables de estado. Son las magnitudes que caracterizan el estado de equilibrio de un sistema. (P- Presión, V-volumen, T-temperatura)  Presión P. Es la fuerza ejercida por unidad de área. P = F/A

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 Volumen Total. V [ m3 ] Es el espacio que ocupa la sustancia de trabajo. En el caso de sistemas fluentes puede expresarse por unidad de tiempo como sigue. [ m3/s, m3/min, m3/h, etc.]  Volumen Específico, v. Volumen que ocupa cada unidad de masa de la sustancia de trabajo. v = V/m [ m3/Kg. ] La densidad ( ) de una sustancia es el inverso del volumen específico._ = 1/v [ Kg / m3 ] Ej. 6Kg de aire que ocupa 12 m 3 de volumen, por tanto, el volumen específico será 2m3, que es el volumen de cada Kg de aire.  Temperatura. Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Mientras mayor sea la temperatura de un sistema, mayor será su capacidad para ceder calor a otro sistema que este a menor temperatura. Existen varias escalas de temperatura. Ej. la centígrada, la Kelvin y la Fahrenheit  En La Centígrada, se toma como cero la fusión del hielo, y como 100 la ebullición del agua. El espacio entre cero y 100 se divide en 100 partes iguales, trazos que también continúan por debajo del cero y por encima del 100. Las temperaturas inferiores al cero son negativas.  La Kelvin, es una escala absoluta, pues no posee temperaturas negativas. Se toma como cero absolutos una temperatura calculada teóricamente, por debajo de la cual no puede existir ninguna sustancia. Si representamos como T la temperatura Kelvin y como t los centígrados: T = t + 273.  La Fahrenheit, se relaciona con la centígrada mediante la ecuación: oF = 1.8 (oC) + 32. Es muy útil ya que a veces en estas unidades es que aparecen los valores de mediciones de temperatura y conociendo su equivalencia con la escala centígrada se puede comparar, o verificar según se necesite.

 Gas ideal. Es un estado gaseoso donde se tiene las siguientes características: el volumen de las moléculas es despreciable. no intervienen fuerzas entre las moléculas de cohesión y repulsión. Choques elásticos entre las moléculas donde la energía cinética perdida en una molécula, sea ganada por otra que choque con ella.

No existe en la naturaleza ningún gas con estas características, pero esta consideración de un gas como gas ideal es muy usada en situaciones prácticas en la industria ya que muchos de los gases usados su temperatura, es suficientemente alta y su presión baja, por lo que las moléculas están más separadas y actúan menos las fuerzas de interacción entre ellas. Las ecuaciones de trabajo cuando se usa el modelo de gas ideal, son muy sencillas.  Vaporización: Es el proceso de transformación de un líquido en vapor. La vaporización de un líquido puede ocurrir por medio de la evaporación o la ebullición.  La Evaporación, es cuando la formación de vapor es solo en la superficie.  En la Ebullición, de un líquido se forman burbujas de

vapor en toda la masa del líquido, de ahí que sea más importante este proceso y es más usado en las industrias. La ebullición de un líquido, a presión constante, ocurre a una temperatura definida e invariable. Esta es la temperatura de ebullición o de saturación. La presión de un líquido en ebullición es la presión de saturación. La temperatura de saturación no cambia mientras el líquido ebulle, puesto que el calor que se le suministra no se emplea en elevar la temperatura sino en aumentar la energía de las moléculas de líquido, para que estas pasen a la fase de vapor. Por tanto, la ebullición a presión constante es también a temperatura constante. Si la presión de saturación aumenta, aumenta también la temperatura de saturación. Debido a que las fracciones de petróleo son mezclas e compuestos, no hierven isotérmicamente como sucede con los líquidos puros, sino que tienen rangos de ebullición característicos. A presión atmosférica, la temperatura menor a la que empieza la ebullición del líquido se denomina (PEI oF)

 La Condensación, es el fenómeno donde el vapor se convierte en líquido. Es el fenómeno opuesto a la vaporización.

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La condensación de un vapor a presión constante, al igual que la ebullición, ocurre a una temperatura definida e invariable. Esta presión y temperatura son también las de saturación. Para una misma presión de saturación, las temperaturas de ebullición y condensación coinciden, y son iguales a la temperatura de saturación para esa presión. La condensación a presión constante es también a temperatura constante.

El agua en ebullición es, por ejemplo, agua saturada.  Líquido Saturado. Es cualquier líquido en ebullición a la presión y a la temperatura, por tanto, de saturación.  Vapor Saturado. Es aquel que se desprende de un líquido en ebullición (líquido saturado) y que está, por lo mismo, a la presión y temperatura de saturación. El vapor Saturado esta en equilibrio con el líquido saturado. Vapor húmedo (mezcla húmeda). Mezcla en equilibrio de líquido saturado y de vapor saturado y esta, por tanto, a la presión y temperatura de saturación.  Vapor Sobrecalentado. Vapor que estando a la misma presión de saturación que un vapor saturado, tiene mayor temperatura que éste, o sea, mayor temperatura que la de saturación. El vapor sobrecalentado que se forma cuando se calienta a presión constante un vapor saturado. El grado de sobrecalentamiento del vapor es la diferencia de temperatura del vapor sobrecalentado y el vapor saturado.  Líquido Comprimido. Líquido que, a la temperatura de saturación de un líquido saturado, tiene mayor presión que la presión de saturación.

 Temperatura Crítica. Cualquier gas real (o vapor) puede ser licuado (condensado) por compresión. La temperatura crítica es una temperatura por encima de la cual ningún gas real(o vapor) puede ser licuado (condensado) con solo aumentar la presión. Es la temperatura superior a la cual una sustancia solo puede existir en forma de gas. Es la máxima temperatura que pueden soportar la fase liquida y de vapor como fases separadas. A una temperatura mayor que la temperatura critica se formará el vapor sobrecalentado. La temperatura crítica es la máxima temperatura de saturación de un sistema líquido vapor. La presión de saturación para la temperatura crítica se llama presión crítica y el volumen ocupado por el sistema se llama volumen crítico. En el diagrama PV anterior se muestran estas fases del sistema líquido-vapor. 2. Balance De Energía El balance de energía, al igual que el balance de masa, una de las operaciones más utilizadas en la industria química. Su empleo se extiende desde el control de cualquier equipo o proceso tecnológico hasta el diseño de sistemas y aparatos industriales. Es aplicado para resolver gran cantidad de problemas práctico o teóricos que aparecen en la industria. El balance de energía es tan amplio que se necesita conocer de los distintos tipos de sistemas, de varios conceptos termodinámicos, del manejo de unidades, etc. Principio de conservación de la energía. La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Por tanto, la suma de todas las energías que entran a un sistema, es igual a la suma de las energías que salen o a la suma de estas con las acumuladas. Et= Es + EE Et: Energía total que entra Es: Energía que sale EE: Energía que se acumula.

Para Sistemas de flujo estacionario. No se acumula energía, por tanto. Et=Es

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 Formas de energía.

La energía puede tener diferentes formas. Algunas de ellas pueden ser despreciables por su magnitud en un cálculo tecnológico. Se definirán aquellas que más utilidad tienen para nuestro trabajo: calor, trabajo, energía cinética, energía potencial, energía interna, energía de flujo y entalpía.  Calor. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. El calor total se representa otro. Otras formas de energía como la mecánica, la eléctrica, la radiante, etc, pueden transformarse en calor.  Trabajo Es la energía que se transfiere cuando un sistema es capaz de desplazar a otro mediante un vector de fuerza. Es también una energía de tránsito y por tanto, no es acumulable. Se representa por W y puede expresarse como: W= F. L F: fuerza L: distancia desplazada  Energía La energía es una propiedad de los cuerpos que permite que estos se transformen o que produzcan transformaciones en otros cuerpos. La energía es la capacidad de producir trabajo. Así, damos distintos nombres a la energía dependiendo de la transformación a la que está asociada. Por ejemplo:  Energía Química: Relacionada con la transformación en la naturaleza de la materia.  Energía Térmica: Relacionada con los fenómenos caloríficos.  Energía Nuclear: Relacionada con los cambios en los núcleos de los átomos.

 Energía cinética Es la que tiene un cuerpo o sistema debido a la velocidad que posee. Puede expresarse por: Ec= ½ mV2 Ec: energía cinética m: masa V: velocidad promedio

 Energía Potencial Esta energía es la que posee un sistema debido a la influencia que ejerce sobre el mismo la gravedad. Puede calcularse por: Ep= m g h Ep: energía potencial m: masa g: aceleración de la gravedad h: altura del sistema con respecto a un nivel de referencia

 Energía Interna En la energía interna de un sistema intervienen tanto el constante movimiento de sus átomos y sus moléculas como las fuerzas de atracción mutua entre dichas partículas. De aquí que la temperatura y las distancias medias entre sus moléculas determinen los valores de estos parámetros internos de un sistema dado. La energía interna es una variable de estado y no puede calcularse de forma absoluta sino como una variación de energía (∆U) de la forma siguiente: ∆U = U2 - U1 Donde U2, U1 son las energías internas en los estados de equilibrio final e inicial respectivamente.  Energía de Flujo Esta energía es característica de los sistemas de flujo estacionario. Por ejemplo, si se analiza el paso de un fluido a través de una tubería cilíndrica que posee áreas transversales diferentes en dos de sus secciones.

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Si se realiza un balance de energía en el sistema resulta que: ∆(PV) = P2V2 – P1V1 Donde: ∆PV): variación de energía de flujo. P2V2, P1V1 : energías de flujo en los estados 2 y 1 respectivamente. P2, P1: presiones de los estados 2 y 1 respectivamente. V2, V1: volúmenes en los estados 2 y 1 respectivamente. La energía de flujo, también es una variable de estado.  Entalpía En la aplicación de los balances de energía se encuentra con frecuencia una variable llamada entalpía (H) , y viene dada por: H = U + PV Es decir, por la suma de la energía interna de un sistema (U), más el producto de su presión (P) por su volumen total (V). La entalpía es una variable de estado y en los balances energéticos aparece, por lo general, como una variación desde un estado inicial (Hi) a otro final (Hf) que puede hallarse por: ∆H = ∆U + ∆PV), Donde ∆H = Hf – Hi La entalpía puede ser expresada por unidad de masa (m) y entonces se denomina entalpía específica (h), o sea: h = H/m = U/m + PV/m ; h= u + pv Donde u + pv queda expresada en unidades de masa también. 3. Balance De Calor Puede considerarse como un caso particular del balance de energía, que es el término realmente general, cuando los cambios en las otras formas energéticas (cinéticas, potencial, trabajo, etc.) resultan despreciables. Tal situación se presenta muy a menudo en la tecnología química durante el diseño, la evaluación o el control de sistemas o equipos industriales, o ambos.

Existen cálculos incluso, donde la única variación apreciable para nuestro interés sucede en la entalpía. Este balance es llamado balance de entalpía, aunque nunca debe perderse el concepto de que todo forma parte de un balance de energía en general.  Capacidad calorífica (C), Es la cantidad de calor necesario para elevar en un grado la temperatura de una sustancia. Es de mucha utilidad en el desarrollo de problemas de balance de calor. Se puede determinar a volumen o a presión constante y entonces se simboliza por Cv o Cp, respectivamente.  Calor específico (c ), Es el resultado de dividir la capacidad calorífica de una sustancia entre la capacidad calorífica de una sustancia de referencia de igual masa. El compuesto de referencia para sólidos y líquidos es generalmente el agua. Entonces, para una sustancia x el calor específico a presión constante será: c = Cp/Cp H2O Se utilizará el término calor específico como cv o cp según sea a volumen o a presión constante respectivamente. El balance de calor, como caso particular del balance de energía queda como sigue: Qe = Qs Qe: sumatoria de los calores que entran al proceso Qs: sumatoria de los calores que salen del proceso La cantidad de calor puede expresarse como: variación de calor sensible

 Calor Sensible. Cuando el calor es suministrado ocurre

un cambio de temperatura apreciable sin un cambio de estado.  Variación de Entalpía (EH), La variación de entalpía para los procesos a presión constante es igual al calor.  Calor latente (QL). Es la cantidad de calor que es necesario suministrar a un líquido saturado de temperatura T, para transformarlo completamente en vapor saturado de igual temperatura. Es el calor que se relaciona con el cambio de fase de una sustancia de líquido a vapor. En un proceso a presión constante el calor latente QL = ,H =m ,h En todos los casos, tanto los valores de calor específico como los de entalpías, deben ser hallados en tablas, gráficos o nomogramas que se posean. Estos parámetros

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dependen de la temperatura y de la presión de trabajo fundamentalmente.

I.

Realice un cuadro sinoptico acerca de la lectura anexa, sobre la concepto de termodinamica y balance de materia y energia.

II.

Completar los siguientes crucidramas. Crucidramas # 1 Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Se presenta en varias escalas. Ciencia que estudia las relaciones entre las diferentes formas de energía. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Energía que tiene un cuerpo o sistema debido a la velocidad que posee. Tipo de sistema que intercambia masa con el medio

1. 2. 3. 4. 5.

Crucidramas # 2

4. 4- Calor que cuando es suministrado ocurre un cambio de temperatura apreciable sin un cambio de estado. 5. Energía que posee un sistema debido a la influencia que ejerce sobre el mismo la gravedad.

1. 2. 3. 4. Crucidramas # 1

en que se encuentra. Crucidramas # 2 Es el estado donde la presión, la temperatura y el resto de las variables que lo caracterizan tienen el mismo valor en todos y cada uno de los puntos de la sustancia de trabajo. 2. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. 3. Ciencia que estudia las relaciones entre las diferentes formas de energía.

5.

Crucidramas # 3 Energía que posee un sistema debido a la influencia que ejerce sobre el mismo la gravedad. Sistema donde no se intercambia masa con el medio exterior (sus fronteras). No entra ni sale sustancia. Se define como la energía que se transmite de manera espontánea desde un cuerpo o sistema de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Es una medida de la energía cinética media de traslación de las moléculas. Se presenta en varias escalas. Ciencia que estudia las relaciones entre las diferentes formas de energía.

1.

Crucidramas # 3

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III.

IV.

Responda las siguientes preguntas: 1. ¿Qué es la temperatura? 2. ¿Cuál es el tipo de energía que está relacionada con la velocidad? 3. ¿Cuál es el tipo de energía que está relacionada con la posición? 4. ¿Cuál es el tipo de energía que está relacionada con la temperatura? 5. ¿Cuál es el tipo de energía que está relacionada con el movimiento? 6. ¿Cuál es el primer principio de la energía? 7. ¿Qué es el calor? 8. ¿Cuáles son las formas en que se manifiesta el calor? 9. ¿En qué se diferencia el calor sensible del calor latente? 10. ¿Qué pasa con la energía cinética cuando aumenta la temperatura? 11. ¿Qué es el equilibrio? 12. ¿Qué es calor específico? 13. ¿Cuándo hay variación de calor latente habrá cambio de estado? 14. ¿Cuándo hay variación de calor sensible habrá cambio de estado? 15. ¿En qué se diferencia la evaporación de la ebullición? ¿Cuál es el Calor Específico para el A. Acetileno a 280 oC? _____________ B. Aire a 373 K? _____________ C. Etano a 473 K? ____________ D. Etileno a 200? _______________ E. Dióxido de azufre a 450 oC? ____________ F. Dióxido de carbono a 350oC¨? ____________ G. Hidrógeno a 273 K? ____________ H. Etilbenceno a 50oC ___________ I. Naftaleno a 150º C ___________ J. Dicloroetano a 303 K ___________ K. tolueno a 298 K ___________

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