Taller de termodinámica

1. ¿Qué es la termodinámica?

La termodinámica se define como la ciencia de la energía. La energía es la capacidad para producir cambios.

La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dinamycs (potencia), que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia. Hoy en día el mismo concepto abarca todos los aspectos de la energía y sus transformaciones, incluidas la producción de potencia, la refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.

2. Que dice la primera ley de la termodinámica

Si en un sistema se produce una transformación, entonces el cambio de energía

interna del sistema ( U2  U1 ), es igual a la diferencia entre el calor total entregado

al sistema durante la transformación ( Q ) y el trabajo total realizado por el sistema

durante esa transformación ( W ):

U2  U1 = Q  W

La primera ley de la termodinámica dice que la energía se conserva. Se podría objetar que esta ley es una aproximación corregida por la teoría de la relatividad; que, en lugar de la energía, lo que se conserva es la combinación de masa y energía. Aceptemos el enunciado de la primera ley de la termodinámica en su forma original.

3. Que sostiene la segunda ley de la termodinámica

Es la más universal de las leyes físicas. En su interpretación más general, establece que cada instante el Universo se hace más desordenado. Hay un deterioro general pero inexorable hacia el caos. Uno de los patrones fundamentales de comportamiento que encontramos en el mundo físico es la tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse. Las cosas tienden, para usar un término especializado, hacia un estado de equilibrio termodinámico. En todas partes podemos encontrar ejemplos de la Segunda Ley de la Termodinámica. Los edificios se derrumban, la gente envejece, las montañas y las costas se erosionan, los recursos naturales se agotan. Los científicos han inventado una magnitud matemática, la entropía, para cuantificar el desorden.

La 2ª ley de la Termodinámica, una ley fundamental relacionada con la naturaleza del calor. La cantidad perdida no permanece solo como calor, sino que se convierte en calor a una menor temperatura, del cual solo se puede transformar en otras formas de energía una pequeña cantidad. Se podrían solucionar todos los problemas de energía de la humanidad si, por ejemplo, se pudiera extraer la energía calorífica de los océanos, dejándolos ligeramente más fríos y convirtiendo el calor extraído en electricidad, pero la 2ª ley nos dice que eso no es posible.

Definición de Clausius de la segunda ley: El calor no puede, por sí mismo, pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente.

Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: Es imposible para un sistema experimentar un proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un único depósito a una única temperatura y la transformación en una cantidad equivalente de trabajo.

4. Un sistema de masa fija se llama …..

Sistema cerrado

5. Un sistema que implica transferencia de masa por sus fronteras recibe el nombre de…

Sistema abierto

6. La ley cero de la termodinámica que establece

Si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo C y un cuerpo B también está en equilibrio térmico con el cuerpo C, entonces los cuerpos A y B están en equilibrio térmico. Esta curiosa nomenclatura se debe a que los científicos se dieron cuenta tardíamente de la necesidad de postular lo que hoy se conoce como la ley cero: si un sistema está en equilibrio con otros dos, estos últimos, a su vez, también están en equilibrio. Cuando los sistemas pueden intercambiar calor, la ley cero postula que la temperatura es una variable de estado, y que la condición para que dos sistemas estén en equilibrio térmico es que se hallen a igual temperatura.

7. A qué llamamos sustancia pura

Llamamos sustancias puras a aquellas que tienen la composición química homogénea e invariable. Puede existir en mas de una fase, pero su composición orgánica es la misma en todas ellas.

8. Que es un punto crítico

Es un punto límite para el cual el volumen de un líquido es igual al de una masa igual de vapor o, dicho de otro modo, en el cual las densidades del líquido y del vapor son iguales. Si se miden las densidades del líquido y del vapor en función de la temperatura y se representan los resultados, puede determinarse la temperatura crítica a partir del punto de intersección de ambas curvas.

9. Que es una máquina térmica

Es una máquina cuyo principio es trabajar con calor

10. Que es humedad relativa

Se define como la razón de la fracción molar de vapor en una mezcla saturada a la misma temperatura y presión total.

11. Que es un turbo reactor

Esta máquina se utiliza ampliamente en la aviación moderna y constituye una modificación al ciclo abierto de Brayton de las turbinas a gas. Los humos calientes de la combustión sólo se expanden en la turbina hasta producir el trabajo necesario para accionar el compresor. La energía restante se convierte entonces en energía cinética, llegándose a altas velocidades, mediante la expansión en una tobera colocada a continuación de la turbina.

12. Que es un cohete

El cohete es un elemento propulsor que se caracteriza por el hecho de que puede funcionar en ausencia de atmósfera. El térmico cohete incluye tanto la masa propulsante como la energía propulsora.; en función de esta, puede clasificarse en cuatro tipos: cohetes químicos ( de combustible sólido o líquido, y que son los únicos que se emplean de forma operativa) y cohetes nucleares, eléctricos y fotónicos (todos ellos de fase experimental).

13. Que es la eficiencia térmica

Esta dada por el calor extraído del foco mas frío sobre el trabajo neto w suministrado durante un ciclo

14. La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura requiere de dispositivos especiales. Cómo se llaman

Vasos comunicantes

15. Cuál es el ciclo reversible más conocido y de cuántos ciclos se compone

El más conocido es de Kelvin – Planck, al extraer calor de una fuente.

16. Que es el punto de rocío

Es la temperatura a la que el vapor se condensa o solidifica cuando se enfría a una presión constante.

17. A qué denominamos ecuación de estado

Se denomina ecuación de estado a la relación que existe entre las variables p, V, y T. La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal pV=nRT, donde n representa el número de moles, y R la constante de los gases R=0.082 atm·l/(K mol).

18. Que es energía nuclear

Es generada por la redistribución de partículas dentro del núcleo del átomo. La relación entre el decrecimiento de masa de una reacción nuclear y la energía generada está dada por la ecuación de Einstein: E = m C2.

19. Que es humedad específica

Representa el peso de vapor de agua, por unidad de peso de aire seco, expresado en gramos por Kg de aire seco. Una HR del 100% indica que el aire ya contiene toda el agua que puede disolver, con lo que no se podrán evaporar mas gramos de agua.

20. Que es la carta psicométrica

21. Realice el diagrama del ciclo de Brayton

 22. Realice el diagrama del ciclo de Rankine con vapor saturado

Proceso 1-2: Compresión isoentrópica de agua saturada que sale del condensador

Proceso 2-3: Calentamiento y evaporación del agua a presión constante

Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del vapor de agua

Proceso 4-1: Condensación del vapor de agua a presión constante

23. Realice el diagrama del ciclo de Carnot inverso

En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales:

• La presión, volumen de cada uno de los vértices.
• El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos.
• El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.

24. Realice el diagrama de un ciclo de refrigeración

25. Que es el aire acondicionado

La finalidad de la refrigeración es producir una temperatura inferior a la atmosférica. El resultado es la extracción de calor de la región de baja temperatura y su cesión a la alta temperatura del medio circundante. La cantidad de calor extraído de la baja temperatura se denomina efecto refrigerante.

26. Cuales son los tratamientos a los cuales se somete el aire acondicionado

Los sistemas de aire acondicionado, como las máquinas térmicas, son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye cuatro componentes principales: Un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador.

El refrigerante entra al compresor como un vapor y se comprime a la presión del condensador. Sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa conforme fluye por el serpentín del condensador liberando calor hacia el medio circundante. Luego entra a un tubo capilar donde su presión y su temperatura descienden drásticamente, debido al efecto de estrangulación. El refrigerante de baja temperatura entra luego al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor.

27. Realice el diagrama de un ciclo regenerativo

28. Cuales son los índices de confort

Las condiciones dadas, de temperatura y humedad relativa, bajo las que se encuentra confortable la mayor parte de los seres humanos. Estas condiciones oscilan entre 22ºC y 27ºC de temperatura y entre el 40% al 60% de HR.

29. Cuáles son las principales máquinas de combustión interna

Los motores de dos y cuatro tiempos, el motor diesel ,las turbinas de gas, el motor diesel y el Wankel

30. Realice el diagrama del ciclo de Otto

• Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión, VA se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la VA. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo.
• Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (VA y válvula de escape, VE), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.
• Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.
• Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la VE está abierta y la VA se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.

Autor:

Julián Marcel Castro Arias

Cód: 65011079

Universidad libre de Colombia

Facultad de ingeniería mecánica

Bogotá D.C., 4 de marzo de 2003