Sistemas Termodinámicos

Sistema Cerrado

Un sistema cerrado es aquel que puede intercambiar energía con sus alrededores, pero no masa.

Sistema Abierto

Un sistema abierto es aquel que puede intercambiar energía y masa con sus alrededores.

Sistema Aislado

Un sistema aislado es aquel que no puede intercambiar energía ni masa con sus alrededores.

Propiedades Termodinámicas de un Sistema

El estado de un sistema está definido por un número determinado de magnitudes físicas que se pueden medir:

• Presión
• Temperatura
• Densidad
• Masa
• Volumen específico
• Viscosidad

Las propiedades suelen ser:

• Intensivas: Aquellas cuyo valor no depende de la cantidad de masa (presión, densidad).
• Extensivas: Aquellas cuyo valor depende de la cantidad de masa (volumen, energía).
• Propiedades específicas: Aquellas que se obtienen dividiendo una propiedad extensiva por la cantidad de masa del sistema.

Equilibrio Termodinámico

Cuando las propiedades que definen el sistema toman el mismo valor en cada punto del sistema y este valor permanece constante en el tiempo, solo en esta situación tiene sentido hablar de presión, temperatura, etc. del sistema. Se produce un cambio de estado cuando una o varias propiedades del sistema varían.

Cuando el estado inicial es diferente al final hablamos de cambio de estado abierto, si el estado inicial y final coinciden es cambio de un ciclo o cerrado.

• Cambios de estado no estáticos: Se producen a través de estados de no equilibrio.
• Cambios de estado cuasi-estáticos: Se producen a través de estados infinitamente próximos al de equilibrio.

Reversibles: Cuando el cambio puede interrumpirse en cualquier momento y volverse a efectuar en sentido contrario, recorriendo los mismos estados sin que se produzcan variaciones en los alrededores del sistema.

Irreversibles: Se llevan a cabo a través de estados de no equilibrio y se producen efectos disipativos como consecuencia de rozamiento, viscosidad, turbulencia, etc.

Capacidades Caloríficas y Calores Específicos

La capacidad calorífica de una sustancia es la relación existente entre la energía térmica intercambiada y la variación de la temperatura de dicha sustancia.

El calor específico se puede definir como la energía necesaria para elevar la temperatura de una masa unitaria de una sustancia un grado.

• C_v a volumen constante: Es la energía necesaria para aumentar 1º la temperatura de una masa unitaria de una sustancia cuando su volumen permanece constante.
• C_p a presión constante: Es la energía necesaria para aumentar 1º la temperatura de una masa unitaria de una sustancia cuando su presión permanece constante.

Primer Principio de la Termodinámica para un Sistema Cerrado

Expresa la conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Cuando se estudia un sistema cerrado, la energía que cruza su frontera lo hace en forma de calor o de trabajo, en forma de calor cuando existe desequilibrio térmico en el sistema y sus alrededores.

Cuando existe equilibrio térmico, la energía solo puede atravesar la frontera en forma de trabajo.

La energía de un sistema está formada por:

• Energía interna
• Energía cinética
• Energía potencial

Si suponemos un sistema cerrado que no presente variaciones de energía potencial ni de energía cinética, el flujo de energía que pasa a través de su frontera se transforma en una variación de la energía interna.

Primer Principio de la Termodinámica para un Sistema Abierto

Los sistemas abiertos son aquellos en los que hay intercambio de energía y de masa.

Experimenta un flujo permanente en el cual las propiedades permanecen constantes en el tiempo en un punto fijo, pudiendo variar de un punto a otro dentro del volumen de control.

En una situación de flujo permanente, ninguna propiedad intensiva o extensiva varía con el tiempo. La cantidad de masa que entra es igual a la que sale.

Válvula de estrangulamiento: Se caracteriza por definir un volumen de control en el cual no existe transferencia de calor, o es despreciable, ni de trabajo. También por producir efectos despreciables en la energía cinética y potencial del flujo que circula a su través.

Segundo Principio de la Termodinámica. Entropía

Celsius: No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de una fuente térmica y la cesión de la misma cantidad de calor a otra fuente de mayor temperatura, es decir, no es posible la transmisión espontánea de calor en el sentido de las temperaturas crecientes.

Kelvin: No es posible construir una máquina térmica que funcionando cíclicamente convierta en trabajo toda la energía que recibe en forma de calor de una fuente térmica.

Concepto de Entropía: Es una función de estado, cuyo comportamiento referido al conjunto sistema-entorno es diferente para procesos reversibles e irreversibles.

Ciclo de Carnot

Es un ciclo de máximo rendimiento. Describe una transformación cíclica reversible entre dos fuentes a temperatura constante.

Durante el intercambio de calor, el sistema y las fuentes permanecen a temperatura constante e infinitamente próximas, por lo tanto serán transformaciones isotérmicas.

Cuando el sistema pasa de una temperatura a otra no intercambia calor, transformación adiabática, de lo contrario no podría ser reversible.

El rendimiento solo depende de la temperatura de los focos de calor.

Concepto de Energía Disponible

Es la máxima cantidad de energía de un sistema que puede transformarse en trabajo útil al evolucionar hasta alcanzar el equilibrio con el ambiente.

Del segundo principio se deduce que el calor y la energía interna de un sistema no es una energía totalmente disponible.

Depósitos Termodinámicos

:Un sist puede presentar 3tipos de interacciones con los alrrededores, de calor, de trabajo y de masa.Existen 3clases de depósitos relacionados con cada una de las interacciones:-Depósito de trabajo:permite conocer la cantidad de trabajo q entra y sale de un sist termodinámico.-Depósito de calor:gran capacidad para almacenar energía, q al recibir o emitir calor su Tª permanece cte.-depósito de materia:e lo suficientemente grande como para permanecer en eqilibrio independientemente de la interacción con el sist objeto de estudio.Propiedades de una sustancia pura,simple y comprensible:Líqido saturado:es cuando el sist alcanza la linea de líqido saturado y aparece el 1er barbajo de vapor.Líqido subenfriado o comprimido:un sist está en este estado cuando su estado de eqilibrio está definido a la izqierda de la curva de líqido saturado.Vapor saturado:Su estado de qilibrio está definido sobre la curva de igual nombre, todo el sist se encuentra en estado vapor.Vapor seco o recalentado:su estado de eqilibrio está definido a la derecha de la curva de vapor saturado.Vapor húmedo:un sist está en estado de vapor húmedo cuando su estado de eqilibrio está definido entre la curva de líqido saturado y la de vapor saturado.Centrales térmicas de vapor ciclo Rankine:Para mejorar el rendimiento del ciclo de Rankine debemos de trabajar con Tªs medias de absorción los mas altas posibles y con Tª medias de cesión lo mas bajas.El ciclo debe entrar en la zona de vapor recalentado,para q el título de vapor al final de la expansión sea del 90%.La disminución de la Tª media de cesión de calor implica una reducción de la presión de trabajo en el condensador.Los efectos negativos de la reducción de presión son:-se puede producir la entrada de aire en el condensador,-implica la disminución del título a la salida de la turbina.Tipos de ciclos de Rankine:-Ciclo de Rankine con recalentamiento:recalentar por encima de la curva de saturación permitiendo la expansión parcial y llevando el fluido nuevamente al calentador aumentando de esta forma la Tª media de absorción y con ello el rendimiento.Normalmente se emplena 2 etapas de recalentamiento.-Ciclo de Rankine con regeneración:Parte del calor absorvido por la caldera se hace a Tª muy baja,esto contribuye a q la Tª media de absorción sea mas baja,si logramos modificar esta situación podemos mejorar el rendimiento.Desde el pto de vista práctico esto se puede lograr mediante la extracción de vapor de la turbina en diferentes puntos y llevando ese fluido a unos intercambiadores en los q calentamos el agua de alimentación a la caldera,esto es lo q se conoce como regeneración.Centrales térmicas con turbinas de gas:son máqinas térmicas de funcionamiento rotativo en las cuales el proceso de combustión puede ser interno,trabajando en circuito abierto,o externo,trabajando en circuito cerrado.Las TG q trabajan en circuito cerrado se utilizan en instalaciones fijas.(funcionamiento).Las principales aplicaciones de las Tg son:-producción de energía eléctrica,-motores tracción ferroviaria,-motores para aviones,-motores para propulsión marina.Ventajas sobre las instalaciones con turbinas de vapor:-emplea una instalación compacta y sencilla,-regulación mas fácil,-exigencia mínima de agua de refrigeradores,-buena relación peso potencia,-casi no reqiere obra civil,menor coste de adqisición y puesta en funcionamiento.Ventajas sobre motores térmicos alternativos:-menor número de piezas en movimiento,-mayor potencia por unidad de peso,-inexistencia de fuerzas deseqilibradas,-menor peligro de incendio.Inconvenientes en general:-consumo específico elevado,-menor rendimiento a cargas parciales,-medios y personal de reparaciones muy específicos.Aire Húmedo:Paire atmosférico=Pparcial aire seco mas P parcial vapor de agua.El aire seco es una mezcla de N, O y peqeñas cantidades de otros gases.El aire atmosférico puede considerarse además de los componentes anteriores tb contiene vapor de agua.La proporción de humedad en el aire, a pesar de ser peqeña,varía continuamenteEl aire atmosférico puede considerarse una mezcla de gases ideales cuya presión es la suma de la presión parcial del aire seco Pa y la presión parcial del vapor de agua Pv.Indices de Humedad:Humedad absoluta o específica:indica la masa de vapor de agua presente en una masa unitaria de aire seco.Humedad relativa:relación entre la cantidad de humedad q contiene el aire y la cantidad máxima de vapor de agua q ese aire puede contener en esa Tª.Pto de Rocio: es la Tª a la q se inicia la condensación.

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