PORTAFOLIO DE TERMODINAMICA by Rouss Fidel

Termodinamica ´

FACULTAD DE INGENIERÍA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

Portafolio Digital ´ “Termodinamica” DATOS PERSONALES DATOS PERSONALES (INTEGRANTES) CASTRO YAURI, Cristian Miguel CADILLO ROSALES, Ana Cristina FALCÓN ARANDA, Mayra Maribel FIDEL BRAVO Rosmery Mayli RIVERA BECERRA, Mila Yulisa PEÑA HUARAZ, Kevin Jonatan

191.0206.033 191.0206.032 191.0206.011 191.0206.034 191.0206.038 191.0206.037

ccastroy@unasam.edu.pe acadillor@unasam.edu.pe mfalcona@unasam.edu.pe rfidelb@unasam.edu.pe mriverab@unasam.edu.pe kpeñah@unasam.edu.pe

HUARAZ-PERÚ SEMESTRE:

2021-II DOCENTE

Ing. Nelly Castro Vicente 2

HUARAZ-PERÚ

Índice DATOS PERSONALES ................................................................................................. 2 SILABO ........................................................................................................................... 4 INTRODUCCION ........................................................................................................ 12 OBJETIVOS ................................................................................................................. 12 DESARROLLO DE LOS TEMAS DE CLASE......................................................... 13 Unidad didactica Nº1 ..................................................................................................... 13 Clase 1: “La Termodinamica y sus leyes” .............................................................. 14 Clase 2: “Presion y densidad” .................................................................................. 20 Clase 3: “Energia-calor” .......................................................................................... 31 Clase 4: “Trabajo y Ley Cero de la Termodinamica”........................................... 38 DESARROLLO DE LOS TEMAS DE CLASE......................................................... 45 Unidad didactica Nº2 ..................................................................................................... 45 Clase 5: “Sistemas y procesos termodinamicos” .................................................... 46 Clase 6: “Seminario” ................................................................................................ 57 Clase 7: “Primera Ley de la Termodinamica” ....................................................... 64 Clase 8: “Ley de los Gases ideales” ......................................................................... 72 Clase 9: “Procesos con Gases ideales” .................................................................... 81 Clase 10: “Proceso Politropico” ............................................................................... 87 DESARROLLO DE LOS TEMAS DE CLASE......................................................... 94 Unidad didactica Nº3 ..................................................................................................... 94 Clase 11: “Sustancias Puras” ................................................................................... 95 Clase 12: “Manejo e interpretacion de tablas termodinamicas” ........................ 102 Clase 13: “Seminario 1, primera ley de la Termodinamica” .............................. 107 Clase 14: “Seminario 2, primera ley de la Termodinamica” .............................. 110 Clase 15: “Seminario 3, primera ley de la Termodinamica” .............................. 113 Clase 16: “Segunda ley de la Termodinamica” .................................................... 117 Clase 17: “Ciclo de Refrigeracion” ....................................................................... 130

ilabo

2021-II 4

´ Introduccion El siguiente Portafolio Digital, es realizado con el objetivo de mejorar el proceso de aprendizaje como estudiante universitario, a partir de la organización y el registro de todas las actividades desarrolladas en el curso de Termodinamica; durante todo el ciclo académico. Además, permite recopilar datos; las cuales sirven como evidencia para incrementar el aprendizaje; siendo esta, una estrategia que puede ser utilizada para conocer cuál ha sido nuestro avance en cuanto a los conocimientos adquiridos y qué tanto sirven las actividades realizadas. Se considera, como una herramienta que permite como futuros Ingenieros de Industrias Alimentarias; almacenar evidencias de las aportaciones y logros a lo largo del ciclo académico, donde se podrá ver reflejado el aprendizaje de todo el grupo. Finalmente, nos sirve para dar a conocer nuestros aportes como estudiantes y las competencias desarrolladas (valores, actitudes y habilidades), ya que es único, y se desarrolla en base a la experiencia y autorreflexión.

Objetivos Objetivo general:  Realizar el portafolio digital valorando su importancia como instrumento de evaluación en el proceso enseñanza – aprendizaje a lo largo del periodo académico 2021-II

´ Objetivos especificos:  Organizar y reunir trabajos que muestren el esfuerzo, avances y logros del estudiante, para permitir al docente realizar una evaluación integral de forma individual en procedimientos, habilidades y actitudes  Demostrar mediante la organización de apuntes de clase, tareas, documentos, prácticas, revisiones bibliográficas, etc. el producto de aprendizaje a lo largo del periodo académico. 12

´ Unidad didactica Nº1 13

Clase 1 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=9SFCHfH4gn8 “Termodinámica y sus Leyes (Generalidades)”

Clase 1

CONCEPTOS PREVIOS

02/02/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) LA TERMODINÁMICA (GENERALIDADES)

Según, (Jimenez & Lemos, 2001) la termodinámica es la ciencia que estudia las transformaciones de la energía. A partir de la observación y la experimentación. DEFINICIONES: 

Sistema. Un sistema termodinámico debe poseer un gran número de partículas.



Estado se sistema. Está determinado por los valores de ciertas magnitudes medibles experimentalmente que se denominan variables de estado. Ejem, la presión y la temperatura.



Medio exterior. Es todo aquello que no constituye el sistema.



Paredes. Una pared es una superficie real o ficticia.



Tipos de sistema. Abierto (intercambia energía y materia con el medio exterior), cerrado (intercambia energía, pero no materia) y aislado (no hay intercambio).



Proceso. Es la transformación donde el sistema pasa de un estado a otro.



Convenio de signos para el trabajo y el calor:  El trabajo es positivo cuando, el sistema lo realiza sobre el medio exterior.  El calor que entra en el sistema es positivo, calor que sale negativo. 16

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

TERMODINAMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico LA TERMODINÁMICA

RESUMEN La termodinámica es una ciencia básica que formula las reglas para la conversión de la materia y la energía de una forma a otra. Ella impone los límites físicos para el desarrollo y la evolución en el mundo. Los principios básicos, y sus leyes son importantes en el procesamiento. El equilibrio de fases juega un papel muy importante en la tecnología de alimentos y otras propiedades más de la termodinámica. La unidad de cada dimensión es importante porque existen sistemas que las diferencian, como el metro, newton, kelvin, etc. La termodinámica a medida del tiempo ha cambiado, lo cual se hace referencias para más estudios dentro de cualquier campo de estudio. Palabras clave: Termodinámica, principios, leyes

termodinámica es la circulación de la

INTRODUCCIÓN

energía y como ésta es capaz de infundir

La termodinámica es la disciplina que,

movimiento.

dentro de la Física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre

PRINCIPIOS BÁSICOS

el calor y el resto de las formas de

Según (Souza & Garcia, 2015), La

energía (química, térmica, mecánica,

energía es la fuerza vital de la naturaleza,

cinética,

luminosa,

está presente en todos los procesos

electromagnética, etc.). También analiza

químicos, físicos, estructurales, etc., que

los efectos que producen los cambios de

se dan en nuestro entorno y que permiten

magnitudes tales como: la temperatura,

el desarrollo de nuestras actividades en

la densidad, la presión, la masa, el

las diferentes áreas de trabajo. clara

volumen, en los sistemas y a un nivel

distinción entre tres conceptos básicos:

macroscópico. La base sobre la cual se

temperatura, calor y energía interna:

potencial,

ciernen todos los estudios de

la 17



energía 



La temperatura es una medida de la cinética

media

las

Esta ley indica que en un sistema

moléculas individuales.

aislado no intercambia materia ni

El calor es una transferencia de

energía con su entorno, la entropía

energía, como energía térmica, de un

siempre habrá aumentado. 

objeto a otro debida a una diferencia 

Segunda Ley de la Termodinámica:

La tercera ley de la termodinámica:

de temperatura.

afirma que no se puede alcanzar el

La energía interna es la energía total

cero absoluto en un número finito de

de todas las moléculas del objeto, o

etapas.

sea incluye energía cinética y energía

CONCLUSIONES

potencial  LEYES DE LA TERMODINÁMICA 

de las propiedades de sistemas de

La ley cero de la termodinámica:

gran escala en equilibrio en las

establece que "si dos sistemas que

que

están en equilibrio térmico con un

variable importante, de igual

tercer sistema, también están en

manera también debemos tener

equilibrio entre sí". También se la

en cuenta los sistemas donde se

conoce como principio cero de la

trabaja, ya que se utiliza distintas

termodinámica.

unidades para trabajarlas. 



La termodinámica es el estudio

temperatura

es una

La termodinámica se utiliza día a

Primera Ley de la Termodinámica:

día en nuestras vidas, ésta actúa

según, (Rochin, 2014), la Primera

en todos los movimientos de la

Ley, al expresar el cambio de la

atmosfera con el calor el frio, se

energía, que es una variable de estado,

puede

en términos del trabajo y el calor que

diversas estaciones del año. 

dependen de la trayectoria, nos indica

ver reflejado en las

Las leyes de la termodinámica

que podemos obtener el mismo

describen el comportamiento de

cambio de la energía de un sistema

tres

por medio de una infinidad de

fundamentales, la temperatura, la

procesos con diferentes valores del

energía

calor y del trabajo.

caracterizan

cantidades

y la a

termodinámicos.

físicas

entropía, los

que

sistemas

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Jimenez, F., & Lemos, M. D. (2001). Termodinamica: Una guia de clase. España-Sevilla: Cada de Libro. Obtenido de https://books.google.es/books?hl=es&lr=&id=wyzffChepw0C&oi=fnd&pg=PR5 &dq=termodin%C3%A1mica+concepto&ots=0qWUdbN3vZ&sig=ZHVEpPhRkkni WJIkWqUBPsBJnXg#v=onepage&q=termodin%C3%A1mica%20concepto&f=fals e Rochin, V. R. (2014). Termodinamica. Obtenido de https://www.fisica.unam.mx/personales/romero/TERMO2014/TERMO-NOTAS2014.pdf Smith, M., & Van, N. (1947). Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Mexico: S.A DE C.V. Obtenido de https://www.academia.edu/10363393/Smith_van_ness_introduccion_a_la_ter modinamica Souza, V., & Garcia, L. (2015). Analisis del concepto de termodinamico y su aplicacion en el efecto mpemba. Mexico: ISSN. Obtenido de http://eprints.uanl.mx/9817/

Clase 2 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=RpkvIjEt0Js “Presión y densidad”

Clase 2

14/02/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO)

DENSIDAD En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud vectorial referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa: 𝝆 =

𝒎 𝑽

, si un cuerpo no tiene

una distribución uniforme de la masa en todos sus puntos, la densidad alrededor de un punto puede diferir de la densidad media. Si se considera una sucesión pequeños volúmenes decrecientes ∆𝑽𝒌 (convergiendo hacia un volumen muy pequeño) y estén centrados alrededor de un punto, siendo ∆𝒎𝒌 la masa contenida en cada uno de los volúmenes anteriores, la densidad en el punto común a todos esos volúmenes. (Athanieto , 2019). La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos. Los instrumentos más comunes para medir la densidad son:



El densímetro, que permite la medida directa de la densidad de un líquido, y, además permite la medida precisa de la densidad de sólidos, líquidos y gases (picnómetro de gas).



La balanza hidrostática, que permite calcular densidades de sólidos.



La balanza de Mohr (variante de balanza hidrostática), que permite la medida precisa de la densidad de líquidos. 21

TIPOS DE DENSIDAD  DENSIDAD ABSOLUTA:

La densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de una sustancia. Su unidad en el Sistema Internacional es kilogramo por metro cúbico (kg/m³), aunque frecuentemente también es expresada en g/cm³. La densidad es una magnitud intensiva. (Britt, 2020)

𝝆=

𝒎 𝑽

Siendo , la densidad; m, la masa; y V, el volumen de la sustancia.

 DENSIDAD RELATIVA:

La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades).

𝝆𝒓 = Donde

es la densidad relativa,

𝝆 𝝆𝟎

es la densidad de la sustancia, y

es la densidad

de referencia o absoluta.

Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m³, es decir, 1 kg/dm³. Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C. 22

FUERZA Denominamos fuerza a toda acción capaz de producir cambios en el movimiento o en la estructura de un cuerpo. Si empujamos una bola con el dedo le estaremos aplicando una fuerza. Tras aplicarla caben varias posibilidades. Una de ellas es que empiece a moverse. Otra es que se deforme. Dependiendo de donde la apliquemos, en qué dirección, sentido o cantidad, la bola se moverá o deformará hacia un lado o a otro. Por tanto, es lógico pensar que las fuerzas tienen un carácter vectorial, de hecho, son magnitudes vectoriales. Como vector que es, las fuerzas se representan como una flecha, que se caracterizan por su longitud (módulo), donde se aplica (punto de aplicación), su dirección y sentido. (Fernández, 2020)

En consecuencia, la fuerza es una magnitud vectorial que representa toda causa capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo o de producir una deformación en él. Su unidad en el Sistema Internacional es el Newton (N). Un Newton es la fuerza que al aplicarse sobre una masa de 1 Kg le provoca una aceleración de 1 m/s2. Adicionalmente al Newton (N) suelen utilizarse otras unidades para medir las fuerzas. Entre ellas podemos encontrar: dina (d). 1 d = 10-5 N, kilopondio (kp). 1 kp = 9.8 N, libra (lb, lbf). 1 lb = 4.448222 N 23

PRESIÓN (P) El cociente entre la intensidad F de la fuerza aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área S de dicha superficie se denomina presión. La presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión, y cuanto menor sea la superficie para una fuerza dada, mayor será entonces la presión resultante. (Pressword, 2019)

En el SI la unidad de presión es el pascal, se representa por Pa y se define como la presión correspondiente a una fuerza de un Newton de intensidad actuando perpendicularmente sobre una superficie plana de un metro cuadrado. 1 Pa equivale, por tanto, a 1 N/m2. Existen, no obstante, otras unidades de presión que sin corresponder a ningún sistema de unidades en particular han sido consagradas por el uso y se siguen usando en la actualidad junto con el pascal. Entre ellas se encuentran la atmósfera y el bar. La atmósfera (atm) se define como la presión que a 0 ºC ejercería el peso de una columna de mercurio de 76 cm de altura y 1 cm2 de sección sobre su base. Es posible calcular su equivalencia en N/m 2 sabiendo que la densidad del mercurio es igual a 13,6 · 103 kg/m 3 y recurriendo a las siguientes relaciones entre magnitudes: Peso (N) = masa (kg) · 9,8 m/s2 y Masa = volumen · densidad, como el volumen del cilindro que forma la columna es igual a la superficie de la base por la altura, se tendrá: es decir: 1 atm = 1,013 · 105 Pa.

El bar es realmente un múltiple del pascal y equivale a 105 N/m2. En meteorología se emplea con frecuencia el milibar (mb) o milésima parte del bar · 1 mb = 102 Pa.

1 atm = 1 013 mb

EQUIPOS DE LA PRESIÓN TERMODINÁMICA  EL BARÓMETRO: Un barómetro es una herramienta cuya función es medir la presión de la atmósfera, la cual se expresa en hectopascales (hPa). El barómetro sirve para medir cuánta presión ejerce dicho aire sobre el territorio

estudiado. Es

instrumento

indispensable en el estudio de los fenómenos meteorológicos. Su primera versión, la inventada por Torricelli, era de mercurio y estaba formada por un tubo. En la actualidad, el funcionamiento de un barómetro es mucho más exacto, debido a que debe estar calibrados respecto del nivel del mar, el cual se establecer como parámetro para que todos los instrumentos arrojen, posteriormente, los mismos resultados. (Rojas, 2017)  EL MANÓMETRO: Es

un instrumento

medida

presión en fluidos (líquidos y gases) en circuitos cerrados. Miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor, presión manométrica. A este tipo de manómetros se les conoce también como "Manómetros de Presión". Lo que realmente hacen es comparar la presión atmosférica (la de fuera, la atmósfera) con la de dentro del circuito por donde circula al fluido. Por eso se dice que los manómetros miden la presión relativa. (Areatecnología, 2018) 25

APLICACIÓN DE LA TERMODINÁMICA La termodinámica se puede aplicar a una amplia variedad de temas de ciencia e ingeniería, tales como motores, transiciones de fase, reacciones químicas, industria alimentaria, fenómenos de transporte, e incluso agujeros negros. (Veto, 2020)  Alimentación: la cocina el caliente es un constante ejemplo de transformaciones químicas a través de procesos termodinámicos.  Ciencia de los materiales: se utilizan procesos térmicos para obtener nuevos tipos de materiales que posean propiedades químicas y físicas bien definidas.  Aplicaciones industriales: en el mundo industrial existen muchos procesos que transforman materias primas en productos acabados utilizando maquinaria y energía. Un ejemplo es la industria cerámica donde unos largos hornos túnel cuecen ladrillos a temperaturas superiores a los 800 grados Celsius.  Generación de electricidad: en todas las centrales térmicas (combustibles fósiles, energía nuclear o centrales solares) se utilizan estos conceptos para conseguir accionar turbinas de vapor y generadores eléctricos.

“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ibra fuerza x pie (tambi se usa con frecuencia la unidad “Btu”TERMODINA

TERMODINÁMICA

Artículo Científico “LA TERMODINÁMICA: UNA HERRAMIENTA PARA EL ANÁLISIS EN QUÍMICA DE ALIMENTOS”

RESUMEN La termodinámica es una ciencia básica que formula las reglas para la conversión de la materia y la energía de una forma a otra. Ella impone los límites físicos para el desarrollo y la evolución en el mundo. Los parámetros termodinámicos son importantes en el procesamiento y estabilidad del alimento. La similaridad termodinámica de los alimentos se fundamenta en diversos factores. El primero, es la función de almacenamiento fisiológico común de los más importantes componentes de las materias primas alimentarias. Segundo, es el carácter general de las interacciones intermoleculares noespecíficas de las macromoléculas alimentarias. Tercero, es el mimetismo de los biopolímeros que se fundamenta en las propiedades físico-químicas muy similares de las especies de biopolímeros. La incompatibilidad termodinámica es típica en macromoléculas alimentarias. Luego, el enfoque termodinámico es altamente promisorio para el modelamiento y análisis de alimentos. Además, el equilibrio de fases juega un papel muy importante en la tecnología de alimentos. En la presente contribución, se analiza el punto de vista termodinámico en la química de alimentos. Así, el enfoque termodinámico, es central en este análisis. El interés por investigar en termodinámica aplicada a los alimentos, es creciente. Palabras clave: Termodinámica, análisis, química, alimentos, equilibrio de fase.

una energía que transporte fluidos

INTRODUCCIÓN

o demás productos alimenticios de un

Encontramos grandes aportes de la termodinámica

para

explicar

lugar a otro para así continuar procesos

los

de elaboración, en el caso de los motores

procesos de elaboración de productos

son esenciales para el funcionamiento de

alimenticios, es decir necesitamos un motor

una bomba

para

algunos equipos que nos facilitan

generar 27

algunos

procesos,

tales

como

procesos catabólicos en los que ocurre

calor,

toberas,

degradación oxidativa de sustancias,

turbinas y demás equipos utilizados en la

como la respiración aerobia. Se libera

industria alimentaria, en fin, el entender

energía metabólica, parte de la cual se

cómo funcionan estos equipos es de gran

transforma

utilidad para

sustancias de desecho y aumenta la

intercambiadores

realizar procesos de

transformación

materias

primas

entropía (mide

calor,

eliminan

grado

en productos que en fin son lo

organización del sistema) durante el

que se realiza en

proceso químico del alimento.

industria

alimentaria. [1]

Segunda Ley de la Termodinámica y

La termodinámica es

básica

para

la química de alimentos:

predecir propiedades de sustancias y

Como

mezclas de sustancias, lo que permite al ingeniero

químico

e indica la dirección llevan

manera productos que serán utilizados y

cabo

energéticas.

consumidos por la población. en

toda

teoría

exclusivamente a estados de equilibrio

de las materias primas, creando de esta

Termodinámica

con

termodinámica, se refiere única y

realizar

procesos industriales y sacar beneficio

ocurre

en que se

las transformaciones

Todos

los

procesos

químicos y naturales tienden a ocurrir en

análisis

una dirección tal que la entropía

químico de los alimentos, es el estudio de

(magnitud termodinámica que indica el

la interrelación entre el calor y el trabajo

grado de desorden molecular de un

con reacciones químicas o con cambios

sistema) del Universo se incrementa.

físicos del estado dentro de los confines

Para mantener la organización

de las leyes termodinámicas. [2]

cual depende la vida, los sistemas vivos

Primera Ley de la Termodinámica y la

deben

tener un suministro

constante de energía que les permita

química de alimentos:

superar la tendencia hacia el desorden Desde el punto de vista nutricional,

creciente

podemos

químico en un lote de alimentos. [3]

decir

que

los

nutrientes

incorporados al organismo mediante la nutrición pasan a la célula y participan como materia prima en los procesos del metabolismo

celular.

aquellos 28

para

facilitar el

proceso

CONCLUSIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

En consecuencia, la nutrición incorpora

Gómez, J. (2016). La termodinámica:

al organismo sustancias del medio

una herramienta para el análisis

externo por medio de la alimentación y

tras diversos procesos metabólicos las

revistas.ugca.edu.co.

convierte como propias, para asegurar su

Recuperado

desarrollo y dinámica. Es algo extenso el

https://revistas.ugca.edu.co/inde

tema ya que como menciona en

los

x.php/ugciencia/article/view/511

anteriores, la termodinámica

Noyola, I. (2021). Termodinámica de los Alimentos. www.studocu.com. Recuperado de: https://www.studocu.com/esmx/document/universidadvizcaya-de-lasamericas/quimica/termodinamic a-de-los-alimentos/9593765

párrafos

nos facilita el trabajo como ingenieros de alimentos dándonos a entender tantos

procesos químicos y térmicos

que ocurren en ellos y algo que me llama más la atención es comprender

química

alimentos.

de:

como funcionan las diferentes máquinas Domínguez, L. (2021). Tecnología para la industria alimentaria. www.alimentosargentinos.gob.a r. Recuperado de: http://www.alimentosargentinos. gob.ar/contenido/sectores/tecnol ogia/Ficha_01_Fluidos.pdf

y equipos utilizados en la industria para el análisis químico de los alimentos. Además, los parámetros termodinámicos son importantes en el procesamiento, producción y estabilidad del alimento sometidos a análisis de carácter químico, establecidos por parámetros con la búsqueda constante de la mejora de la calidad

dentro

Industria

Alimentaria.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Areatecnología. (2018). Manómetro. www.areatecnologia.com. Recuperado de: https://www.areatecnologia.com/herramientas/manometro.html Athanieto . (2019). Física, fluídos y Termodinámica. athanieto.wordpress.com. Recuperado de: https://athanieto.wordpress.com/tematicas/densidad/#:~:text=La%20densidad%2 0o%20densidad%20absoluta,es%20expresada%20en%20g%2Fcm%C2%B3. Britt,

J. (2020). Densidad Relativa. ceramica.fandom.com. https://ceramica.fandom.com/wiki/Densidad_relativa

Recuperado

de:

Domínguez, L. (2021). Tecnología para la industria alimentaria. www.alimentosargentinos.gob.ar. Recuperado de: http://www.alimentosargentinos.gob.ar/contenido/sectores/tecnologia/Ficha_01_ Fluidos.pdf Fernández, J. (2020). Definición de fuerza. www.fisicalab.com. Recuperado de: https://www.fisicalab.com/apartado/lasfuerzas#:~:text=La%20fuerza%20es%20una%20magnitud,es%20el%20Newton %20(N). Gómez, J. (2016). La termodinámica: una herramienta para el análisis en química de alimentos. revistas.ugca.edu.co. Recuperado de: https://revistas.ugca.edu.co/index.php/ugciencia/article/view/511 Noyola, I. (2021). Termodinámica de los Alimentos. www.studocu.com. Recuperado de: https://www.studocu.com/es-mx/document/universidad-vizcaya-de-lasamericas/quimica/termodinamica-de-los-alimentos/9593765 Pressword. (2019). Física Termodinámica. oskrsf.wordpress.com. Recuperado de: https://oskrsf.wordpress.com/fluidos/presion/ Rojas, J. (2017). Cómo funciona un barómetro. como-funciona.co. Recuperado de: https://como-funciona.co/un-barometro/ Veto. (05 de Noviembre de 2020). Termodinámica: qué es y dónde se aplica. blog.veto.cl. Recuperado de: https://blog.veto.cl/2020/11/05/termodinamica-que-es-y-dondeseaplica/#:~:text=%C2%BFEn%20qu%C3%A9%20%C3%A1reas%20se%20aplic a,transporte%2C%20e%20incluso%20agujeros%20negros.

Clase 3 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=Yr7g5w_pzT8 “Energía - Calor”

Clase 3

16/02/22

REVISION BIBLIOGRAFICA (MARCO TEÓRICO) LA ENERGÍA

Definición (Gamez, 2019) menciona que la energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. 

La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.



La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.

La energía es una magnitud cuya unidad de medida en el S. Internacional es el joule (J).

El principio de conservación de la Energía

Indica que la energía no se crea ni

destruye;

sólo

transforma de unas formas en otras, en estas transformaciones, la

energía

total

permanece

constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

La ley de la CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA afirma que: 

No existe ni puede existir nada capaz de generar energía.



No existe ni puede existir nada capaz de hacer desaparecer la energía.



Si se observa que la cantidad de energía varia siempre será posible atribuir dicha variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo o con el medio circulante. 33

Formas De Energía La energía puede presentarse en la naturaleza de muy diversas formas (Ruiz, 2017): 

Energía Interna: los cuerpos la tienen por su constitución, esto es, por el simple hecho de ser materia.



Energía cinética: se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura



Energía Potencial: Se debe a la posición de los cuerpos.



Energía Mecánica: Representa la suma de las energías cinética y potencial.



Energía Electica: Es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, 3 efectos:  Luminoso, térmico y magnético. Ejemplo: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla



Energía luminosa: Es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioletas (UV), los rayos infrarrojos (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Ejemplo: La energía que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor.



Energía nuclear: Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión. Ej.: La energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares

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TERMODINÁMICA

TERMO

Artículo Científico CALOR Y TRABAJO

RESUMEN Calor y Trabajo se encuentran en la base de la Termodinámica. Ambos conceptos son parte integrante de la Primera Ley, y el primero de ellos también está asociado a la Segunda Ley. Sería de esperar, por tanto, que ambos términos estuvieran muy bien definidos en la literatura docente, sin dar lugar a dudas o ambigüedades. En la práctica sucede todo lo contrario. De aquí que se examinen en detalle las definiciones de calor y trabajo proporcionadas por varios textos conocidos de Física General y Termodinámica. El procedimiento conduce a la introducción de dos definiciones razonablemente simples, modernas e independientes, y que no desmerecen en rigurosidad. Adicionalmente se destaca el hecho de que expresiones bastante extendidas, tales como “el sistema hace trabajo” y “se hace trabajo sobre el sistema” equivalen a utilizar indistintamente, de manera confusa y poco satisfactoria, dos referencias diferentes para describir diferentes etapas de un mismo proceso. Palabras clave: Calor, Termodinámica, Trabajo

INTRODUCCIÓN La

Termodinámica

imparte

conceptos calor y trabajo se encuentran

usualmente, de una u otra forma y con

en la base de la Termodinámica. Ambos

mayor o menor profundidad, en todas las

son parte integrante de la primera ley, y

especialidades asociadas a las Ciencias

el primero de ellos también está asociado

de la Vida y de la Tierra, en todas o en

a la segunda mediante la eficiencia de las

casi todas las Ingenierías, en gran parte

máquinas térmicas. Tener una noción

de la Enseñanza Técnica y Pedagógica y

clara de lo mismos es esencial para que

desde luego, en Física, en Química y en

cualquier estudiante aprenda a razonar

toda la Enseñanza Media Superior (pre-

correctamente

universitaria).

termodinámicos

Por

otra

parte,

los 35

en y

sea

términos capaz

profundizar por sí mismo en el estudio de

CONCLUSIONES

la disciplina.

• A partir del análisis de diversas

Sería de esperar, por tanto, que ambos

definiciones poco satisfactorias de calor

términos estuvieran muy bien definidos

y trabajo que aparecen en textos de

en la literatura docente, sin dar lugar a

Mecánica y Termodinámica se proponen

dudas o ambigüedades. En la práctica

las siguientes expresiones generales para

sucede todo lo contrario, como se verá

el calor y el trabajo.

más adelante. Ha sido precisamente la

Calor: transferencia de energía en

falta

forma microscópica y desordenada.

coincidencia

entre

las

definiciones propuestas por diferentes

Trabajo: transferencia de energía en

autores lo que nos condujo a analizar en

forma ordenada y/o macroscópica.

detalle las definiciones de calor y trabajo que aparecen en varios textos conocidos

• Se hace un llamado de atención sobre

de Física General y Termodinámica.

las definiciones de calor y trabajo que

Como resultado del análisis, fue posible

aparecen en algunos libros de texto, para

encontrar

las

dos

definiciones

cuales

posible

encontrar

razonablemente simples y compatibles

fácilmente casos particulares que dan

con los conceptos modernos de calor y

lugar a contradicciones, dificultando la

trabajo.

correcta comprensión de estos términos por parte del estudiante.

Todas las definiciones analizadas a continuación pertenecen a textos que

• Expresiones como “el sistema hace

siguen la formulación usual de Poincaré

trabajo” y “se hace trabajo sobre el

(1908), basada en definiciones de

sistema”

variables mensurables. La práctica ha

indistintamente dos referencias; una

demostrado ampliamente que, desde el

asociada al sistema de interés y la otra al

punto de vista didáctico, ésta última

medio ambiente. Se debería utilizar

formulación

totalmente

siempre una misma referencia, ligada al

primera

sistema, y no alternarla con otra asociada

al medio ambiente, cuyos parámetros de

inadecuada

resulta para

una

estudio

aproximación

equivalen

utilizar

estado usualmente se desconocen y no

Termodinámica.

son objeto de interés.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gamez, R. (2019). ¿ Que es la energia? Lima: UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA. Obtenido de http://paginaspersonales.unam.mx/app/webroot/files/582/Publica_20131017 192613.pdf Ruiz, G. (2017). UNIDAD 4: " Energia, Trabajo y Calor". UTRERA. Obtenido de http://fisicayquimica.iesruizgijon.es/fisyqui4eso/u4energia4eso.PDF

Clase 4 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=cQVheWILkfA “Ley Cero de la Termodinámica y Trabajo”

Clase 4

21/02/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) TRABAJO TERMODINÁMICO

Definición general de trabajo: Es la transferencia de energía asociada con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. Si se tiene un cuerpo con cierta cantidad de masa (m) y se quiere desplazar desde una posición 1 hasta una posición 2, se aplica una fuerza F a lo largo de un desplazamiento, se dice entonces que se ha realizado una cierta cantidad de trabajo. 𝐖=𝐅×𝐝 Donde:  F= es la fuerza aplicada en la misma dirección del desplazamiento.  d= distancia del desplazamiento  W= Cantidad de trabajo aplicado

Definición de trabajo Termodinámico: El trabajo termodinámico se define como la energía que se transfiere entre un sistema y su entorno cuando entre ambos se ejerce una fuerza.

Criterio de signos: La gran mayoría de los autores utilizan el siguiente convencionalismo:  Trabajo realizado por un sistema se considera positivo (+).  Trabajo realizado sobre el sistema se considera negativo (-).

W (-)

W (+)

SISTEMA Q (+)

Q (-)

Unidades: Las unidades más comunes son:  Sistema internacional: Joule = Newton x metro  Sistema Inglés: Libra fuerza x pie (también se usa con frecuencia la unidad “Btu”) 40

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

TERMODINAMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

RESUMEN La termodinámica es la encargada de estudiar fenómenos donde se puede experimentar algún cambio de energía. Para su mejor comprensión y análisis se establecieron algunas leyes que orientan a conocer los procesos que ocurren entre sistemas; entre ellas se encuentra la Ley cero de la termodinámica. Denominada así porque los científicos, se percataron de la gran importancia que tenía conocer la relación que tiene la temperatura con los sistemas, además de ser la base para lograr comprender conceptos de termodinámica, así que debido a que anteriormente se establecieron la primera, segunda y tercera ley se formuló que debía de ser anterior a todas estas y se le estableció el nombre de Ley Cero. En consecuencia, es de suma importancia conocer y comprender como es que se puede lograr un equilibrio térmico. Palabras clave: Termodinámica, Ley cero, Temperatura

INTRODUCCIÓN La Ley Cero de la Termodinámica es un

partida para entender las otras tres leyes

principio

termodinámicas,

generalización

del

hizo

que

equilibrio térmico entre cuerpos, o

denominase Ley Cero y no Cuarta Ley.

sistemas termodinámicos, en contacto,

[2]

en el que interviene como parámetro

Temperatura:

físico empírico la temperatura. [1]

La temperatura es la propiedad que

La Ley Cero tardó mucho tiempo en que

determina si un sistema dado está en

estuviese

equilibrio térmico con otros sistemas,

convencida de su importancia básica. Su

decretando que tan “frio” o “caliente” se

aceptación, aunque tardía, de su carácter

encuentran los sistemas, obteniendo esta

básico y fundamental como punto de

medida a través de un termómetro que se

comunidad

científica

 Equilibrio térmico: Tº es igual en

tiene puede obtener en tres diferentes escalas: Celsius, y Kelvin. Además de

todos los puntos de un sistema.

que es una de las siete propiedades

 Equilibrio mecánico: La presión

físicas básicas en función de las cuales se

es igual en todos los puntos del

definen todas las otras cantidades físicas.

sistema

Se diferencia de las otras por ser una

Ley cero de la Termodinámica:

propiedad intensiva, mientras las otras

Fue enunciada en un principio por

seis son propiedades extensivas. Los

primeros

creados

con

termómetros fines

Maxwell y llevada a ley por Fowler. Esta fueron

clínicos

ley establece que "si dos sistemas A y B

están por separado en equilibrio térmico

meteorológicos, para medir cambios de

cada uno de ellos con un tercero C,

temperatura en el cuerpo humano y en el

entonces los sistemas A y B están en

aire, siendo el más famoso termoscopio

equilibrio térmico entre sí". Esta ley es

(termómetro sin escala) el inventado por

conocida también como principio cero

Galileo en 1592.

de la termodinámica. [5]

Anders Celsius en 1742 definió como

Figura 1: Representacion grafica

100º el punto de ebullición del agua y como 0º el punto de congelación. A mediados del siglo XIX Lord Kelvin desarrolló una escala en la que el punto cero es equivalente a -273.15ºC en el que el movimiento térmico cesa según la descripción clásica de la termodinámica. [3]

El concepto que se deriva de la ley cero Estado de Equilibrio:

es la temperatura y entonces la ley se

[4] Un sistema se encuentra en estado de

formula cuantitativamente como sigue:

equilibrio termodinámico cuando al

Si T1= T3 y T2 = T3, entonces T1 = T2,

evolucionar a través del tiempo sus

donde 1, 2 y 3 designan sistemas

variables termodinámicas (temperatura y

La ley implica que el equilibrio térmico

presión) que describen su estado, no

varían. El equilibrio termodinámico

proporciona

lleva consigo:

termometría y al establecimiento de las

una

relación base

transitiva científica

escalas empíricas de temperatura. 42

que a

CONCLUSIONES Erich,

 A partir del análisis de diversas

M. (2002). Basica".

definiciones de temperatura y Ley

Sevilla:

Equinoccio.

cero de la Termodinámica que

"Termodinamica España:

Obtenido

de:

https://www.academia.edu/9837

aparecen en textos conocidos de

736/Termobasica_Erich_Muller

Mecánica y Termodinámica se EQUILIBRIO

Gómez, J. (2016). "La termodinámica:

TÉRMICO como: la temperatura

una herramienta para el análisis

es igual en todos los puntos de un

en alimentos". Universidad del

sistema.

Valle, (173-192). Obtenido de:

define

file:///C:/Users/usuario/Downloa  La ley cero de la termodinámica es

ds/511-

la base para comprender procesos

Texto%20del%20art%C3%ADc

por los cuales pasa un sistema, así

ulo-2413-1-10-20170328.pdf

como las leyes posteriores a esta. Ignasio, M., Vazquez, S., Briseño, A., &  Es de suma importancia conocer y

Atilano, A. (2021). "Sistemas

comprender la temperatura debido

Termodinámicos".

propiedad que

Boletín Científico de la Escuela

determina si un sistema dado está

Superior Tepeji del Río, (1- 4).

en equilibrio térmico con otros

Obtenido de:

sistemas y poder dar un punto de

https://repository.uaeh.edu.mx/re

partida y definir la ley Cero de la

vistas/index.php/tepexi/article/vi

Termodinámica

ew/7098/8081

que

es la

Tepexi:

Tamir, A., & Ruiz, I. (2018). "Ley Cero

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

de la Termodinámica". Arte y Cerón, M., González, J., & Monroy, E.

Ciencia, (1-3). Obtenido de:

(2020). "Temperatura y ley cero de

https://rua.ua.es/dspace/bitstrea

la termodinámica". Tepexi: Boletín

m/10045/17403/1/Ley%20Cero

Científico de la Escuela Superior

%20termodinamica.pdf

Tepeji del Río, (1-4).

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cerón, M., González, J., & Monroy, E. (2020). "Temperatura y ley cero de la termodinámica". Tepexi: Boletín Científico de la Escuela Superior Tepeji del Río, (1-4). Erich, M. (2002). "Termodinamica Basica". Sevilla: España: Equinoccio. Obtenido de: https://www.academia.edu/9837736/Termobasica_Erich_Muller Gómez, J. (2016). "La termodinámica: una herramienta para el análisis en alimentos". Universidad

del

Valle,

(173-192).

Obtenido

de:

file:///C:/Users/usuario/Downloads/511-Texto%20del%20art%C3%ADculo2413-1-10-20170328.pdf Ignasio, M., Vazquez, S., Briseño, A., & Atilano, A. (2021). "Sistemas Termodinámicos". Tepexi: Boletín Científico de la Escuela Superior Tepeji del Río, (1- 4). Obtenido de: https://repository.uaeh.edu.mx/revistas/index.php/tepexi/article/view/7098/8 081 Tamir, A., & Ruiz, I. (2018). "Ley Cero de la Termodinámica". Arte y Ciencia, (1-3). Obtenido

de:

https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/17403/1/Ley%20Cero%20termodin amica.pdf

´ Unidad didactica Nº2 45

Clase 5 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=piuKKixl-38 “Sistemas y Procesos Termodinámicos”

23/02/22

SISTEMA TERMODINÁMICO Sistema: Objeto en estudio, el cual está rodeado de límite

un entorno y el medio ambiente. Región imaginaria sobre la cual centramos nuestra atención.

Límites del sistema: Superficie que separa al sistema de sus alrededores. Puede ser fija o móvil.

Entorno o Ambiente: Masa o región fuera del sistema. Universo Termodinámico = Sistema + Ambiente

Clase 5 TIPOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS

SISTEMAS AISLADO

SISTEMAS CERRADO

SISTEMAS ABIERTO

CONTROL DE VOLUMEN Y SUPERFICIE

FRONTERA DEL SISTEMA

PROPIEDADES DE LA TERMODINÁMICA PROPIEDADES INTENSIVAS No dependen de la cantidad de materia que se considere. (No aditivas)

PROPIEDADES EXTENSIVAS

PROPIEDADES ESPECIFICAS

Dependen de la masa de materia que se considere. (Aditivas)

Si la dividimos una propiedad extensiva entre la masa.

Propiedades macroscópicas intensivas Son idénticas el sistema se denomina HOMOGÉNEA

No idénticas el sistema se denomina HOMOGÉNEO

ESTADO TERMODINÁMICO

REVERSIBLE: Es aquel en que los estados iicial y final coincden, si producir cambios en el sistema. Ejm: compresion ó expancion del gas.

IRREVERSIBLE: Es aquel que no cumple las condiciones establecidas para un proceso.

TIPOS DE PROCESO TERMODINÁMICO CICLO TERMODINAMICO: Es la sucesión de varios procesos termodinamicos o procesos en que retorna a su estado inicial.

CUASIESTATICO (CUASIEQUILIBRIO): Es un proceso que se lo lleva lentamente y en cada instante de iempo el gas ideal se encuentra en equilibrio termodinámico. Ejemplo: -ISÓCORO: V = Const. -ISOBÁRICO: P = Const. -ISOTÉRMICO T = Const. -ADIABÁTICO: Q = 0

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) SISTEMA TERMODINÁMICO

1. Definición general sistema termodinámico: Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia o una región en el espacio sobre el cual la atención se concentra en el análisis de un problema. Todo lo que forma parte del exterior del sistema se llama entorno o entorno. El sistema está separado del entorno por el límite del sistema. El límite puede ser fijo o móvil. Un sistema y sus alrededores juntos.

2. Tipos de sistema termodinámico: (Martin & Ana, 2020) 2.1. Sistema Aislados: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores. Un ejemplo es el universo. La mayoría de los astrónomos también consideran el universo como un sistema aislado. No permite la entrada ni la salida de materia ni de energía.

2.2. Sistema cerrado: es aquél que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores (su masa permanece constante). Un ejemplo es un cilindro mantenido cerrado por una válvula, que puede calentar o enfriar, pero no pierde masa (mientras que el mismo cilindro se comporta como un sistema abierto si abrimos la válvula). 49

2.3. Sistema abierto: es aquél que intercambia energía y materia con los alrededores. El ejemplo de la estufa sería un sistema abierto, porque se puede perder calor y vapor de agua en el aire.

3. Propiedades del sistema termodinámico: (Planas, 2019) 3.1. Propiedad intensiva: Es independiente de la cantidad de masa y puede variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. Por ejemplo, las siguientes propiedades son extensas: Entalpía, entropía, energía libre de Gibbs, capacidad calorífica, energía interna, masa y volumen.

3.2. Propiedad extensiva: Depende de la cantidad de masa presente o del tamaño o extensión de un sistema. Por ejemplo, las siguientes propiedades son extensas: Compresibilidad, densidad, entalpía específica, entropía específica, capacidad calorífica específica, presión, temperatura, conductividad térmica, expansión térmica, calidad de vapor y volumen específico.

3.3. Propiedades específicas: Las propiedades específicas del material se derivan de otras propiedades intensivas y extensivas de ese material. Por ejemplo, las siguientes propiedades son específicas: Volumen especifico, energía interna específica, entalpia específica y entropía específica.

4. Tipos de procesos termodinámicos: (Jaramillo, 2017) 4.1. Proceso irreversible: En termodinámica, un proceso reversible se define como un proceso que se puede revertir induciendo cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema, y al hacerlo no deja cambios ni en el sistema ni en el entorno. Durante el proceso reversible, la entropía del sistema no aumenta y el sistema está en equilibrio termodinámico con su entorno.

4.2. Proceso irreversible: En termodinámica, un proceso irreversible se define como un proceso que no se puede revertir, proceso, que no puede devolver tanto el sistema como el entorno a sus condiciones originales. Durante el proceso irreversible aumenta la entropía del sistema.

4.3. Proceso de ciclo termodinámico: El ciclo termodinámico se define la sucesión de varios procesos termodinámicos o procesos que en el sistema retorna a su estado inicial.

4.4. Proceso de cuasi estático o cuasi equilibrio: (Enfisica, 2018)

4.4.1. Proceso isobárico: Un proceso es isobárico cuando ocurre a una presión constante; en el diagrama (P-V) gráfico podemos observar que el gas aumenta su volumen de Vo a Vf, manteniéndose constante la presión Po.

4.4.2. Proceso isocórico o isométrico: En este caso, el proceso se lleva a cabo a volumen constante. En el grafico podemos notar como el volumen de sistema no varía y la presión aumenta.

4.4.3. Proceso termodinámico: Un proceso isotérmico ocurre a temperatura constante; en el grafico podemos observar como la presión que experimenta el gas disminuye de Po a PF, mientras el volumen aumenta de Vo a Vf.

4.4.4. Proceso adiabático o isotrópico: Una transformación adiabática significa que el gas está completamente aislado en un recipiente con paredes adiabáticas, es decir no permite el intercambio de calor con el exterior y de esta manera el calor Q del sistema se mantiene constante.

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

TERMODINAMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico “SISTEMA TERMODINÁMICO”

RESUMEN El escuchar hablar acerca de la termodinámica nos genera una gran incógnita, al ser una palabra tan inmersa en la ciencia y compleja, damos por hecho que sólo se puede abordar en campos de especialización; sin embargo, está presente en nuestro entorno. Esta rama de la física tiene un aspecto práctico, puesto que se aplica para el análisis de sistemas termodinámicos. Un sistema termodinámico es una parte del universo físico a estudiar, a través de sus elementos, propiedades y cambios o procesos que ocurren en él a partir de la modificación de las variables como la presión, volumen y temperatura. Al estar en contacto con estos sistemas, la necesidad de abordarlos y profundizar en ellos crece; por lo que la presente investigación tiene como propósito difundir información acerca de los sistemas termodinámicos con el fin de familiarizarnos para futuras aplicaciones pertinentes y casos prácticos en la industria. Palabras clave: Energía, límite, materia, sistema

parte del universo físico y que pueden o

INTRODUCCIÓN

no intercambiar energía y materia con el La Termodinámica es la rama de la física encargada

estudiar

entorno. Este intercambio origina una

las

clasificación de los tipos de sistemas,

transformaciones e interacciones de la

entre los cuales se encuentran los

energía en forma de calor y trabajo, así

sistemas cerrados, abiertos y aislados.

como describir los estados de equilibrio

Dichos sistemas están de limitados por

a nivel microscópico. A través de esta definición

conciben

una frontera o pared, que pueden ser

diferentes

reales o imaginarias y, además, pueden

conceptos tales como los sistemas

impedir el intercambio (de materia y

termodinámicos, que con forman una

energía) con el entorno. Cabe mencionar, 53

que un sistema

termodinámico pue de

permanecer

equilibrio

gracias

Ley

PROCESOS TERMODINÁMICOS:

térmico, la

transformación termodinámica cuando al

Termodinámica; y a su vez, en dichos

modificar una de sus variables cambia de

sistemas pueden generarse cambios en

estado a través del tiempo. Estos

una

procesos involucran flujos de energía (en

temperatura

sus y

cero

variables

Un sistema experimenta un proceso o

(presión,

volumen).

forma de calor y/o trabajo) entre el

actualidad, los sistemas termodinámicos

sistema y su entorno.

han sido de gran utilidad en las diferentes

Estos

industrias y en la vida cotidiana, desde

diferentes elementos, tales como [2]: 

las naves espaciales hasta los termos que utilizamos

para

mantener

caliente

procesos

conforman

Estado inicial: estado en el que comienza el sistema.

nuestras bebidas.

Está

descrito por una presión, una temperatura y un volumen inicial

Es por ello, que la presente investigación

(Pi, Ti, Vi).

está enfocada en el estudio de los



sistemas termodinámicos.

Estado

final: Termina

sistema.

Descrito

presión,

temperatura

por y

el una un

volumen final (Pf, Tf, Vf).

SISTEMAS TERMODINÁMICOS: 

Un sistema termodinámico es una

Trayectoria: serie de estados por los que pasa el sistema.

porción del universo, siendo así un objeto de estudio; donde se puede

Los procesos termodinámicos pueden

estudiar la transferencia de materia

darse

y energía. Un sistema termodinámico

termodinámicas, es decir, si permanecen

debe

constantes o no. Los principales procesos

poseer un gran número de

partículas o

grados

partir

las

variables

son:

libertad, es

decir, debe de ser suficientemente grande

 Isóbara: la

y estar limitado del entorno por una

presión

del

sistema

permanece constante (P=cte). La

frontera. La definición del sistema y sus

transferencia de calor dentro o fuera

alrededores son un punto fundamental

del sistema funciona, pero también

para el análisis y solución de problemas

cambia la energía interna del sistema.

termodinámico [1].

A medida que cambia la temperatura, el volumen cambiará de forma que 54

pueda mantener la presión. Un

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ejemplo de este proceso se da al meter

[1]Atanacio, J., Villeda, L., Pérez, D., &

un globo en una nevera y se observa

Martínez, J. (18 de Octubre de

que se encoje.  Isotérmico:

2021). la

temperatura

Sistemas

Termodinámicos.

permanece constante (T=cte). La

repository.uaeh.edu.mx.

energía depende de la temperatura;

Recuperado

cuando el volumen aumenta la

de:

https://repository.uaeh.edu.mx/r

presión disminuye. Al generarse este

evistas/index.php/tepexi/article/

tipo de proceso, el calor entregado al

view/6415/7747

sistema es igual al trabajo realizado [2]Martín, A. (5 de octubre de 2015).

por el mismo. Un claro ejemplo es cuando un globo en una máquina de

Apuntes

hacer vacío, aumenta

termodinámica.

volumen

los

temas

Obtenido

a medida que se va haciendo el

oa.upm.es:

vacío.

https://oa.upm.es/38735/1/amdapuntes-termodinamica-

 Isocórico: el volumen permanece

v3_0.pdf

constante (V=cte). Cualquier cambio de temperatura viene acompañado de un cambio de presión. Al darse este proceso, el sistema no ejerce ni recibe trabajo.

Un ejemplo es cuando el

vapor de una olla de presión va aumentando su presión a medida que se calienta.  Adiabático:

todas

las

del sistema cambian. Este

variables es un

proceso en sistemas aislados, en el que no se intercambia calor con los alrededores. Este proceso puede ser rápido. Un ejemplo es la compresión de un pistón en una bomba de inflado de ruedas de bicicleta.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Enfisica. (26 de junio de 2018). Termodinámica, procesos y leyes termodinámicos. enfisica.com. Recuperado de: https://enfisica.com/temperatura/termodinamica/ Jaramillo, O. (3 de mayo de 2017). Procesos reversibles e irreversibles. www.ier.unam.mx.

Recuperado

de:

https://www.ier.unam.mx/~ojs/pub/Termodinamica/node82.html Martin, T., & Ana, S. (2 de 10 de 2020). Sistema Termodinamico. www2.montes.upm.es. Recuperado

de:

https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/sistema.html Planas, O. (17 de Abril de 2019). Propiedades termodinámicas intensivas y extensivas. solar-energia.net.Recuperado

de:

energia.net/termodinamica/propiedades-termodinamicas

https://solar-

Clase 6 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=e8LX07I8Vlw “Seminario de Termodinámica (Ejercicios resueltos)”

28/02/22

Clas e 6

1. Determinar el equivalente mecánico del calor en las siguientes unidades: a) Watt-hr/Btu b) Lbf-in/Btu Sabiendo que su valor es 427 kgf-m/kcal

SOLUCIÓN: a) 427

𝐾𝑔𝑓−𝑚 𝐾𝑐𝑎𝑙

= 427

𝐾𝑔𝑓−𝑚 𝐾𝑐𝑎𝑙

427

𝐾𝑔𝑓−𝑚

b) 427

𝐾𝑐𝑎𝑙

1𝐽

∗

𝑠

𝑊𝑎𝑡𝑡

𝑠

1𝐽

∗ቀ ቁ∗

0.10197 𝐾𝑔𝑓−𝑚

∗

1ℎ 3600 𝑠

∗

0.252 𝐾𝑐𝑎𝑙 1 𝐵𝑡𝑢

𝐾𝑔𝑓 − 𝑚 𝑊𝑎𝑡𝑡 − ℎ𝑟 = 0.293 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐵𝑡𝑢

= 427

427

𝐾𝑔𝑓−𝑚 𝐾𝑐𝑎𝑙

∗

1𝐽 0.4536 𝐾𝑔𝑓

∗

1 𝑖𝑛 0.0254 𝑚

∗

0.252 𝐾𝑐𝑎𝑙 1 𝐵𝑡𝑢

𝐾𝑔𝑓 − 𝑚 𝑙𝑏𝑓 − 𝑖𝑛 = 9340 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐵𝑡𝑢

2. Sea la cantidad física expresada en unidades de Joule por Kilogramos °Kelvin. Su expresión dimensional es: 𝐽

𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 ሺ𝑥 ሻ = 𝐾𝑔

Trabajo

°𝐾

Masa

Temperatura

SOLUCIÓN: 𝑱= 𝑵×𝒎 𝐽 = ቀ𝑘𝑔 ×

𝑚 ቁ×𝑚 𝑠2  No se debe dejar denominador en una formula dimensional

Expresión dimensional 𝑀×𝐿×𝐿 𝑀𝐿2 𝐿2 𝑇2 = = 1. 𝑀𝜃 𝑀𝑇 2 𝜃 𝑇 2 𝜃

ሾ𝑥 ሿ = 57

𝑀𝐿2 𝑇 −2 → ሾ 𝑋 ሿ = 𝐿2 𝑇 −2 𝜃 −1 𝑀𝜃

3. La energía cinética molecular esta dado, por la siguiente ley: 𝐸 = 2 𝐾𝑇 Donde: K = constante de Boltzaman. T = temperatura absoluta. Determinar K SOLUCIÓN: 𝐸=

𝐸=

𝑚𝑉 2 2

3 2 𝐸 𝐾𝑇 → 𝐾 = ൬ ൰ 2 3 𝑇

Reemplazando:

𝐾 = 𝑀𝐿2 𝑇 −2 𝜃 −1

 NOTA: Las funciones trigonométricas, los ángulos, las funciones logarítmicas y en general cualquier número se considera adimensional, siendo su dimensión igual a la unidad Número = 1

4. Sabiendo que cada piso de un edificio tiene 2.3 m y la planta baja 3 m. Determine la energía potencial en KJ, de una maceta que colocada en el balcón de un quinto piso posee una masa de 8.5 Kg. DATOS: m = 8.5 kg Ep = ¿? SOLUCIÓN: 𝐸𝑝 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ ℎ (1) Calculo de h ℎ = 2.3 𝑚 ∗ 4 + 3𝑚 = 12.2 𝑚 El balcón del 5° piso es el techo del 4° piso En ecuación (1):

𝑚 ∗ 12.2 𝑚 𝑠2 𝐾𝐽 𝐸𝑝 = 1016.26 ∗ 1 1000𝐽

𝐸𝑝 = 8.5 𝐾𝑔 ∗ 9.8

𝐸𝑝 = 1.02 𝐾𝐽

5. Determine la masa de un cilindro de cobre cuya densidad es 8.96 g/ml y tiene las siguientes dimensiones: Diámetro = 1.26 cm, Altura = 5 cm DATOS: 𝑚 =¿? 𝑔

𝜌 = 8.96 𝑚𝑙

𝐷 = 1.26 𝑐𝑚 → 𝑟 = 0.63 𝑐𝑚 ℎ = 5 𝑐𝑚

SOLUCIÓN: 𝑚 . . . ሺ1ሻ 𝑉

𝜌=

𝑉 = 𝜋 ∗ 𝑟2 ∗ ℎ 𝑉 = 3.1416 ∗ ሺ0.63 𝑐𝑚 ሻ2 ∗ 5 𝑐𝑚 𝑉 = 6.23 𝑐𝑚3 ∗

1 𝑚𝑙 → 𝑉 = 6.23 𝑚𝑙 1𝑐𝑚3

En ecuación (1): 𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑉 = 8.96

𝑔 ∗ 6.23 𝑚𝑙 = 55.8 𝑔 𝑚𝑙

6. Determine la densidad, la gravedad específica y la masa del aire en un cuarto cuyas dimensiones son 4m x 5m x 6m a 100 KPa y 25°C. Si la constante del aire (R) e s 0.287 KPa m3/Kg °K SOLUCIÓN:

DATOS: 𝑚 = ¿?

𝜌=

𝜌 = ¿? 𝜌𝑅 =¿ ?

𝜌=

𝑉 = 4 𝑚 ∗ 5 𝑚 ∗ 6 𝑚 = 120 𝑚3

100 𝐾𝑃𝑎 𝐾𝑃𝑎.𝑚3 0.287 ∗298 𝐾𝑔 °𝐾

𝑃 = 100 𝐾𝑃𝑎

𝜌𝑅 =

𝑇 = 25 °𝐶 + 273 = 298 °𝐾 𝑅 = 0.287

𝐾𝑃𝑎.𝑚3

𝑃 𝑅𝑇 °𝐾

= 1.17

𝐾𝑔 𝑚3

𝜌 𝑠𝑢𝑠𝑡 𝜌 𝐻2 𝑂

𝐾𝑔 𝑚3 = 0.00117 𝜌𝑅 = 𝐾𝑔 1000 3 𝑚 1.17

𝐾𝑔 °𝐾

𝜌= 59

𝑚 = 1.17

𝑚 → 𝑚 = 𝜌∗𝑉 𝑉 𝐾𝑔 ∗ 120 𝑚3 = 140 𝐾𝑔 𝑚3

7. ¿Cuál es el gradiente de presión hidrostática a una profundidad de 1200 m bajo el agua? ¿Cuál es la fuerza ejercida sobre una superficie de 4 cm 2 situada a esa profundidad? DATOS: (Agua) ∆𝑃 = ¿ ? ℎ = 1200𝑚 𝐹 =¿ ? 4 𝑐𝑚2 ∗1𝑚2

𝐴 = ሺ100ሻ2 𝑐𝑚2 = 4 ∗ 10−4 𝑚2 SOLUCIÓN En función de la profundidad la presión es: 𝑃 = 𝑃0 + 𝜌𝑔ℎ = 𝑃 − 𝑃0 ∆𝑃 = ሺ1000ሻ  Se sabe que:

→ ∆𝑃 = 𝑝𝑔ℎ

𝐾𝑔 𝑚 ∗ 9.8 ∗ 1200 𝑚 𝑚3 𝑠2

1𝑁 = 𝐾𝑔 ∗ 1 𝑃𝑎 =

𝑚 𝑠2

𝑁 𝑚2

∆𝑃 = 11.76 ∗ 106 𝑃𝑎 ∆𝑃 =

𝐹 𝐴

→ 𝐹 = 11.76 ∗ 106 𝑃𝑎 ሺ4 ∗ 10−4 𝑚2 ሻ 𝐹 = 4704 𝑁

8. 100 Kg de un gas ideal ocupan un volumen de 10 m3 a 300°K y 900 KPa. Sobre el sistema se realiza un trabajo para reducir su volumen hasta 5 m3. Si “R” del gas es 300 J/Kg°K. Hallar el trabajo en cada uno de los siguientes casos: a) En un proceso isobárico en KJ b) En un proceso isotérmico en KJ

SOLUCIÓN: PROCESO ISOBÁRICO

DATOS: 𝑚 = 100 𝐾𝑔 𝑉1 = 10 𝑚

𝑊1−2

= ∫ 𝑃 𝑑𝑉

= 𝑃 ሺ 𝑉2 − 𝑉1 ሻ

𝑊1−2 = 900 𝐾𝑃𝑎 ሺ 5 − 10 ሻ𝑚3

𝑉2 = 5 𝑚3 𝑇1 = 300 °𝐾

𝑃1 = 900 𝐾𝑃𝑎 𝐽

𝑅 = 300 𝐾𝑔 °𝐾 a) 𝑊1−2 ሺ𝐾𝐽ሻ = ¿ ? 𝑎 𝑃 = 𝑐𝑡𝑒 b) 𝑊1−2 ሺ𝐾𝐽ሻ = ¿ ? 𝑎 𝑇 = 𝑐𝑡𝑒

𝑊1−2 = −4500 𝐾𝐽 PROCESO ISOTÉRMICO 𝑉2 𝑊1−2 = 𝑛 𝑅 𝑇 ln ሺ ሻ = 𝑉1

𝑉2 𝑃1 𝑉1 ln ሺ ሻ 𝑉1

𝑊1−2 = 900 𝐾𝑃𝑎 ∗ 10𝑚3 ∗ ln ሺ

5 ሻ 10

𝑊1−2 = −6210 𝐾𝐽

9. Cuánto calor debe agregarse a 20 g de aluminio a 20°C para fundirlo completamente. Si se cuenta con la tabla siguiente:

DATOS: 𝑚 = 20 𝑔

𝑇1 = 20 °𝐶 𝑄 = 𝑚 𝐶𝑒 ൫ 𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 ൯ + 𝑚 𝐿𝑓 𝑄 = 20 𝑔 ∗ 0.9

𝐽 𝐽 ∗ ሺ659 −61 20ሻ°𝐶 + 20 𝑔 ∗ ൬ 394 ൰ = 19.382 𝐽 𝑔 °𝐶 𝑔

Clase 7 M. audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=mm6TvgKamg4 / https://www.youtube.com/watch?v=VA3m3kdk3OE “Primera Ley de la Termodinámica”

Clase 7

07/03/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

Definición: (Hernandez, 2012) menciona que la primera ley de la termodinámica se basa en el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas. A cada estado del sistema le corresponde una energía interna U. Cuando el sistema pasa del estado A al estado B, su energía interna cambia en ∆𝑈 = 𝑈𝐵 − 𝑈𝐴 Supongamos que el sistema está en el estado A y realiza un trabajo W, expandiéndose. Dicho trabajo mecánico da lugar a un cambio (disminución) de energía interna de sistema ∆𝑈 = −𝑊 También podemos cambiar el estado del sistema poniéndolo en contacto térmico con otro sistema a diferente temperatura. Si fluye una cantidad de calor Q del segundo al primero, aumenta su energía interna en ∆𝑈 = 𝑄 Si el sistema experimenta una transformación cíclica, el cambio en la energía interna es cero, ya que se parte del estado A y se regresa al mismo estado, U=0. Sin embargo, durante el ciclo el sistema ha efectuado un trabajo, que ha de ser proporcionado por los alrededores en forma de transferencia de calor, para preservar el principio de conservación de la energía, W=Q. 

Si la transformación no es cíclica ∆U ≠ 0



Si no se realiza trabajo mecánico ∆U ≠ Q



Si el sistema está aislado térmicamente ∆U = -W



Si el sistema realiza trabajo, U disminuye



Si se realiza trabajo sobre el sistema, U aumenta



Si el sistema absorbe calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a temperatura superior, U aumenta.



Si el sistema cede calor al ponerlo en contacto térmico con un foco a una temperatura inferior, U disminuye.

Todos estos casos, los podemos resumir en una única ecuación que describe la conservación de la energía del sistema. ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊 (Corace, 2013) agrega que la variación de la energía interna de un sistema es igual al calor transferido al sistema más el trabajo realizado sobre el sistema.

Aplicación de la primera ley de la termodinámica en la industria La termodinámica es la herramienta más importante en la ingeniería, ya que se encarga de describir los procesos que implican cambios en temperatura, la transformación de la energía, y las relaciones entre el calor y el trabajo. De esta definición básica parte gran cantidad de aplicaciones en el vasto mundo de la ingeniería. Aplicaciones de la primera Ley: (Carvajal, Echeverri , Rojas, & Salgado , 2018). 

Sistemas Cerrados: es aquel que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como pueda realizar trabajo a través de su frontera.



Sistemas abiertos: es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.



Sistema abierto en estado estacionario: El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable).



Sistema aislado: es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior. 66

Termodinamica aplicada a las máquinas y procesos térmicos (Pantoja, 2013) menciona que la termodinámica tiene un papel fundamental en el funcionamiento teórico y técnico de una maquina térmica que a continuación se detallan

 Toberas y difusores: Se usa para modificar la energía cinética de un fluido a expensas de un cambio en el área transversal de flujo.

 Turbinas de gas: Aprovechan la energía de un fluido en movimiento para producir trabajo de torque que luego se transforma en otra clase de trabajo como la electricidad.

 Compresores: La energía contenida en el torque de un eje que se mueve se aprovecha para incrementar la presión de un fluido. Los

compresores

domésticos

consumen energía eléctrica.

 Bomba, sopladores y ventiladores: También elevan la presión de un fluido con el propósito de impulsarlo y moverlo desde un punto hacia otro.

 Válvulas,

tubos

capilares,

estrangulamiento, tapones porosos: Modifican

las

condiciones

termodinámicas de un fluido, como la entalpia. A través de estos equipos hay una caída drástica de la presión. 67

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

TERMO

Artículo Científico PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR APLICADO A LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA)

RESUMEN A lo largo de la historia, el hombre ha utilizado tanto de la nieve como del hielo como fuentes naturales para refrigeración, siendo este último quien dio origen a la unidad de medida llamada tonelada de refrigeración, para definir la cantidad de calor necesaria para fundir, en 24 horas, dos mil libras del mismo. En la actualidad, el avance tecnológico en el acondicionamiento del aire se ha extendido de manera impresionante; tal es así, que su campo de estudio y aplicación es ahora muy amplio, esto demuestra que, para abordar un estudio sobre dicho tema, es importante realizar una investigación adecuada y exhaustiva, que permitan al lector un mejor entendimiento. Palabras clave: Primera Ley de la Termodinámica, Compresión de Vapor

A mediados del siglo XX fue posible la

INTRODUCCION

instalación de sistemas de refrigeración Durante la Revolución Industrial, a

doméstica en residencias, los cuales

finales del siglo XVIII, se crearon

contaban con sustancias refrigerantes

máquinas capaces de disminuir la

tóxicas y corrosivas. Para finales del

presión

siglo se trabajó sobre variaciones en las

evaporación. A inicios del siglo XIX

cargas térmicas como: las producidas en

apareció

los automóviles, las debidas a la hora del

vapor mediante la

día, lo cual terminaría dando como

experimentación con algunos fluidos

resultado la producción de refrigerantes

como

menos contaminantes y además el diseño

vapor

primera

compresión de

amoniaco

acelerar

máquina

algunos

de unidades de refrigeración de menor

hidrocarburos.

tamaño. 68

Sistemas de Refrigeración El diseño de los sistemas de refrigeración está

basado

teoría

termodinámica, por eso se describe el comportamiento

dinámico

este

proceso del punto de vista de esta ciencia. Su diseño permite el intercambio de calor entre el aire circulante en las cámaras de conservación de productos agroindustriales,

líquido

refrigerante, en el evaporador, cuyas

Figura 1: Diagrama del sistema de

propiedades termodinámicas permiten la

refrigeración por comprensión de vapor

absorción de calor del aire. Sistemas de refrigeración por compresión de vapor

Componentes de un sistema de refrigeración por compresión de vapor

El ciclo de refrigeración por compresión

Los componentes básicos de todo

de vapor por expansión directa describe

sistema de refrigeración por compresión

el funcionamiento de la mayoría de los

de vapor son: evaporador, compresor,

sistemas de acondicionamiento de aire.

válvula de expansión y condensador, sin

Los estudios presentan éste como el ciclo

embargo, en temas de refrigeración

ideal de refrigeración por compresión de

industrial

vapor. A pesar de ser un estudio teórico,

domésticos), aparecen más componentes

este ciclo es el que mejor representa el

como sistemas de control, instrumentos

proceso empleado en los dispositivos de

de medición (manómetros), tanques

refrigeración (Cengel & Boles, 2009)

recibidores, tanques separadores de

(equipos

grandes,

líquido, etc. Ciclo ideal por compresión de vapor

 Compresor

Un ciclo ideal por compresión de vapor

Un compresor hace circular el

hace referencia a un ciclo invertido de

refrigerante a través del sistema y

Carnot; y en éste se evapora por

aumenta la presión del vapor del

completo el refrigerante antes de ser

refrigerante

comprimido y se sustituye la turbina por un dispositivo de

para

crear

diferencial de presión entre el

estrangulamiento

condensador y el evaporador.

(Cengel & Boles, 2009). 69

 Condensador

 Recibidor

El condensador en un sistema de

El recibidor es un depósito de

refrigeración

acumulación para el exceso de

intercambiador de calor que

refrigerante; éste se conduce

rechaza todo el calor del sistema.

desde el condensador hacia la

Este calor se compone del calor

parte superior del receptor, y el

absorbido por el evaporador más

refrigerante líquido se entrega a

las válvulas de expansión por la

calor

producido

por

degradación de parte de la

toma en la parte inferior.

energía mecánica entregada al compresor.

CONCLUSIONES El sistema de control On-Off, que

 Válvula de expansión

presentan todos los sistemas de

Las válvulas son los elementos

refrigeración

de control manual o automática

acondicionado en la industria, es

de líquido de un sistema de

el encargado del controlar la

tuberías. Se construyen para

temperatura y humedad (en el

soportar un rango específico de

caso de aire acondicionado)

temperatura, presión, corrosión,

frente a los diferentes disturbios

y tensión mecánica.

que se presenten, como la carga

aire

por calor sensible, apertura de  Evaporador

expansión

puertas, etc. Sin este sistema, los

directa

modelos que representen los

El evaporador conformado por

sistemas de refrigeración por

una serie de tubos dispuestos en

compresión de vapor presentaran

un recipiente metálico (carcasa).

distorsiones en sus resultados

A este dispositivo llega el refrigerante

tras alejarse de su punto de

líquido,

operación.

parcialmente vaporizado para luego producirse la ebullición, a baja presión, de la parte de fluido que aún queda líquida resultando así, vapor seco saturado.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Carvajal, L., Echeverri , Y., Rojas, D., & Salgado , M. (2018). Aplicacion de la primera ley de la termodinamica en la industria. Universidad de la amazonia. Obtenido de https://www.academia.edu/34168304/APLICACION_DE_LA_PRIMERA_LEY_DE_ LA_TERMODINAMICA_A_LA_INDUSTRIA Cengel, Y., & Boles, M. (2009). Termodinamica. Mexico: McGrawHill: 6ta edicion. Corace, J. (2013). Primer principio de la termodinamica. Sevilla: Universidad de sevilla. Obtenido de https://www.ifa.uv.cl/~jura/Fisica_II/semanaIII_2_web.pdf Hernandez, I. (2012). Primera ley de la termodinamica. Bolivia: Universidad Nacional Experimental " Fransisco de Miranda" complejo academico "El Sabino". Obtenido de https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2012/01/temaii-primera-ley-de-la-termodinamica.pdf Pantoja, R. (23 de abril de 2013). Aplicaciones practicas de la primera ley de la termodinamica.

Obtenido

slideshare:

https://es.slideshare.net/renatopantojaguerrero/clase-05-aplicaciones-de-laprimera-ley-de-la-termodinmica Pardo, A. (2017). “Estudio de un sistema de refrigeración por compresión de vapor aplicado a la industria agroalimentaria”. Piura: Universidad de Piura . Obtenido de https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/2991/IME_219.pdf?sequ ence=1&isAllowed=y

Clase 8 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=LB8a0DJFMhI “Ley de los Gases Ideales”

Clase 8

09/03/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO)

GASES IDEALES Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de moléculas que ocupa un volumen determinado donde la interacción entre si es elástica mediante un movimiento aleatorio. Es decir, es un conjunto de átomos o moléculas que se mueven libremente sin interacciones. La presión ejercida por el gas se debe a los choques de las moléculas con las paredes del recipiente. El comportamiento de gas ideal se tiene a bajas presiones es decir en el límite de densidad cero. A presiones elevadas las moléculas interaccionan y las fuerzas intermoleculares hacen que el gas se desvíe de la idealidad. (Fernández, 2018)

La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura. Las colisiones entre las moléculas que lo componen (entre sí y con el recipiente o contenedor) son de tipo elástico, es decir, que conservan el momento y la energía cinética. Se trata de un concepto útil que puede ser analizado al hacer uso de la mecánica estadística, a través de una ecuación de estado simplificada que se conoce como “ley de gases ideales”.

ESTADO DE UN GAS Para determinar el estado de un gas, es importante considerar tres magnitudes físicas para una masa establecida en un gas: Presión (P), (Pa), Volumen (V), (m3), Temperatura (T), (K). (Blas & Serrano, 2019) Una ecuación de estado es una ecuación que relaciona, para un sistema en equilibrio termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general: 𝒇ሺ𝒑, 𝑽, 𝑻ሻ = 𝟎 No existe una única ecuación de estado que describa el comportamiento de todas las sustancias para todas las condiciones de presión y temperatura.  Ecuación de estado en un gas ideal: la ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando éste se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta. En estas condiciones la densidad del gas es muy baja, por lo que pueden hacerse las siguientes aproximaciones: No hay interacciones entre las moléculas del gas y el volumen de las moléculas es nulo. La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llama ecuación de estado de un gas ideal. La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes empíricas válidas para gases muy diluidos: la ley de Boyle y la ley de Charles.

LEY DE LOS GASES IDEALES 1. LEY DE CHARLES: gracias a los estudios del francés Jacques Charles en 1787, tenemos ésta ley que expresa la relación directamente proporcional entre la temperatura y el volumen de un gas, a cierta presión. (Uriarte, 2021) La ecuación que representa a ésta ley es la siguiente:

𝑽𝟏 𝑽𝟐 = 𝑻𝟏 𝑻𝟐 Donde: V1: volumen inicial del gas T1: temperatura inicial del gas V2: volumen final del gas T2: temperatura final del gas 2. LEY DE GAY LUSSAC: ésta ley explica que la presión de una masa de gas cuyo volumen se mantiene constante es directamente proporcional a la temperatura que posea (expresada en kelvin). Fue planteada por Joseph Louis Gay-Lussac en 1802. Para los gases ideales, ésta ley se representa a través de la ecuación:

𝑷𝟏 𝑷𝟐 = 𝑻𝟏 𝑻𝟐 Donde: P1: presión inicial del gas T1: temperatura inicial del gas P2: presión final del gas T2: temperatura final del gas

3. LEY DE BOYLE – MARIOTTE: en el siglo XVII, el científico Robert Boyle llevó a cabo una serie de experiencias empleando gases y líquidos, gracias a las cuales determinó el efecto que ejerce la presión sobre el volumen en los gases. Llevándolo a formular su ley, que afirma que “el volumen de un gas varía de forma inversamente proporcional a la presión sí la temperatura permanece constante”. (Químicas, 2020). Esto se representa para gases ideales mediante la siguiente ecuación:

𝑷𝟏 ∗ 𝑽𝟏 = 𝑷𝟐 ∗ 𝑽𝟐 Donde: P1: presión inicial del gas V1: volumen inicial del gas P2: presión final del gas V2: volumen final del gas 4. LEY DE AVOGADRO: es una ley formulada en 1811 por Amadeo Avogadro, quien descubrió que: “Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas”. La Ley de Avogadro es una ley de los gases que relaciona el volumen y la cantidad de gas a presión y temperaturas constantes.  A presión y temperatura constantes, la misma cantidad de gas tiene el mismo volumen independientemente del elemento químico que lo forme.  El volumen (V) es directamente proporcional a la cantidad de partículas de 𝑽

𝑽

gas (n), por lo tanto: 𝒏𝟏 = 𝒏𝟐 . Lo cual tiene como consecuencia que: 𝟏

𝟐

 Si aumenta la cantidad de gas, aumenta el volumen  Si disminuye la cantidad de gas, disminuye el volumen 76

“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

TERMODINÁMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico “GASES IDEALES: DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS”

RESUMEN El presente artículo recoge el origen mismo de la ecuación de estado de los gases ideales en términos puramente físicos, y señala la forma en la cual se deben hacer los cálculos tanto de las variables PVT para una masa fija de gas, como los relacionados con varios procesos termodinámicos; dichos cálculos se facilitan mediante el uso de los diagramas termodinámicos para el gas ideal. Palabras clave: Ecuación de estado, gases ideales, diagramas Termodinámicos.

INTRODUCCIÓN

o gases perfectos, o bien de una

Los gases ideales son unas sustancias

variante de la misma conocida como la

hipotéticas que se constituyen en una

ley combinada de los gases ideales, 𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2

herramienta clave para el estudio de distintos

procesos

ciclos

termodinámicos. Se emplea igualmente

hace que se pierdan o se escondan las

el modelo de los gases ideales en la

relaciones de funcionalidad que existen

elaboración de los balances de masa y

entre las distintas variables involucradas,

energía involucrados en las operaciones

siendo éstas claves en la elaboración de

físicas y en los procesos químicos que

los balances que tienen que ver con

tienen lugar en las industrias del mismo

operaciones físicas y con las reacciones

nombre.

manejo

químicas. En estas condiciones, el

puramente mecánico que se hace de la

presente artículo plantea por una parte

ecuación,

retomar el cálculo con los gases ideales

Sin

embargo,

puro recuperando las relaciones de

𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 o 𝑃𝑎𝑏𝑠 𝑉 = 𝑛𝑅𝑇𝑎𝑏𝑠

funcionalidad que existen entre las

mejor conocida con el nombre de

variables PVT, lo cual puede hacerse

ecuación de estado de los gases ideales 77

𝑉 = 𝐾𝑃 𝑇𝑎𝑏𝑠

fácilmente mediante la metodología de los “factores de conversión”, y por otra, retomar el empleo de termodinámicos

los

diagramas

T-V, para

P-V

Donde Kp es una constante que depende

ilustrar los procesos termodinámicos

presión

trabajo.

que experimentan los gases ideales, de

investigador,

la misma manera en la cual se

Clapeyron recogió hacia el año 1834, los

emplean los diagramas P-v, T-v, y P-

resultados anteriores los cuales dieron

T cuando se trata de estudiar el

lugar a la que hoy se conoce como la

comportamiento termodinámico de una

ecuación de estado de los gases ideales.

sustancia pura. [1]

Benoit-Paul

continuación,

Otro Emile

muestran

los

diagramas termodinámicos donde se Ley de los gases ideales:

representan los procesos de Boyle y de

En Termodinámica se sabe que la

Charles

ecuación de estado más antigua de los

termodinámicos P1, V1, T1 y P2, V2, T2.

gases ideales fue la obtenida por los

Dichas rutas termodinámicas reversibles

investigadores Robert Boyle y Edme

son esenciales para el trabajo con

Mariotte, quienes condujeron procesos

gases ideales, tal como se considera

de compresión isotérmica de una masa

en los numerales siguientes: [2]

fija de un gas. Dicha ecuación, conocida como la Ley de Boyle, es:

ሺ𝑃𝑎𝑏𝑠 ሻሺ𝑉ሻ = 𝐾𝑇 Donde KT es una constante que depende de la temperatura de trabajo. Igualmente, los investigadores Jacques Alex Caesar Charles (1787) y Joseph Louis GayLussac (1802) condujeron procesos de calentamiento isobárico de una masa fija de un gas, y a partir de los resultados reportados por éstos fue posteriormente

obtenida

siguiente ecuación

conocida como la Ley de Charles:

entre

dos

estados

Cálculos con los gases ideales: El cálculo de las variables PVT de una

que tanto el modelo de cálculo empleado

masa fija de gas al pasar desde una

como

condición termodinámica hasta una

termodinámicos, facilitan la solución de

condición termodinámica 2 a menudo se

los problemas de Termodinámica que

hace con base en las condiciones

involucran el manejo de gases ideales.

estándar de temperatura y presión.

Los verdaderos resultados de lo anterior

uso

los

diagramas

se obtienen al estudiar casos más complejos

relacionados

con

estas

sustancias hipotéticas, tales como los procesos

adiabáticos

irreversibles,

las

reversibles

operaciones

humedad y saturación, los balances de masa y energía. Además, un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto Partiendo

dichas

condiciones

partículas

puntuales

estándar, es posible llegar hasta las

desplazamiento

condiciones reales en las que se

interactúan entre sí. Es decir, está

encuentra el gas aplicando los factores de

contemplado como parte del grupo de

corrección según se opere el cambio en

los gases teóricos por componerse de

las

independientes

partículas puntuales que se mueven de

seleccionadas. En cualquier problema

modo aleatorio y que no interactúan

que involucre gases ideales siempre se

entre sí.

consideran seis variables, las cuales son

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

dos

variables

aleatorio,

con

que

literalmente, P1, V1, T1, P2, V2 y T2 de las [1]Universidad Tencológica de Pereira.

que deben conocerse cinco para poder

(2018).

determinar la sexta; tanto la temperatura

Gases

ideales.

revistas.utp.edu.co.

como la presión deben ser absolutas en cualquier sistema de unidades. [3]

[2]Ríos, L. (2007). Características de los

CONCLUSIONES

gases

ideales.

www.redalyc.org.

Con base en lo discutido en los

[3]Mustafá, Y. (2019). Gases ideales

numerales anteriores podemos concluir

aplicación. dialnet.unirioja.es. 79

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Blas, T., & Serrano, A. (2019). Termodinámica: primer principio. www2.montes.upm.es. Recuperado

de:

https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/estado.html Fernández, G. (2018). Concepto de gas ideal. www.quimicafisica.com. Recuperado de: https://www.quimicafisica.com/definicion-gas-ideal.html Mustafá, Y. (2019). Gases ideales aplicación. dialnet.unirioja.es. Recuperado de: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=4805078 Químicas. (2020). Ley de Avogadro de los gases. www.quimicas.net. Recuperado de: https://www.quimicas.net/2015/07/ley-de-avogadro-de-los-gases.html Ríos, L. (2007). Características de los gases ideales. www.redalyc.org. Recuperado de: https://www.redalyc.org/pdf/849/84903578.pdf Universidad Tencológica de Pereira. (2018). Gases ideales. revistas.utp.edu.co. Recuperado

de:

https://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/view/5477/2819 Uriarte, J. (2021). Características: gases ideales. www.caracteristicas.co. Recuperado de: https://www.caracteristicas.co/gases-ideales/

Clase 9 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=CTOKTBDTAGY “Procesos con Gases Ideales” Clase 9

ISOTÉRMICO

ISOBÁRICO

ISOCÓRICO

ADIABÁTICO

14/03/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) GASES IDEALES Según la investigación de (Rios, 2007), los gases ideales son unas sustancias hipotéticas que se constituyen en una herramienta clave para el estudio de distintos procesos y ciclos termodinámicos. Se emplea igualmente el modelo de los gases ideales en la elaboración de los balances de masa y energía involucrados en las industrias del mismo nombre. Sin embargo, el manejo puramente mecánico que se hace de la ecuación. En Termodinámica se sabe que la ecuación de estado más antigua de los gases ideales fue la obtenida por los investigadores Robert Boyle (1662) y Edme Mariotte, quienes condujeron procesos de compresión isotérmica de una masa fija de un gas. Dicha ecuación, conocida como la Ley de Boyle, es: (Pabs)(V) = KT donde KT es una constante que depende de la temperatura de trabajo. Igualmente, los investigadores Jacques Alex Cesar Charles (1787) y Joseph Louis Gay-Lussac (1802) condujeron procesos de calentamiento isobárico de una masa fija de un gas y a partir de los resultados reportados por éstos fue obtenida posteriormente la siguiente ecuación conocida como la Ley de Charles: 𝑉 = 𝐾𝑇 𝑇𝑎𝑏𝑠 donde Kp es una constante que depende de la presión de trabajo. Otro investigador, Benoit-Paul Emile Clapeyron (Francia, 1799-1864), recogió hacia el año 1834 los resultados anteriores los cuales dieron lugar a la que hoy se conoce como la ecuación de estado de los gases ideales.

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINAMICA

TERMODINÁMICA

Artículo Científico GASES IDEALES

RESUMEN En el presente artículo se discute la aplicación de la ecuación de estado de los gases ideales a un gas multicomponente, para lo cual deben obtenerse previamente sendas expresiones para la fracción molar y el cociente molar del componente i de la mezcla, en términos diferentes a una simple división entre números de moles; se hace necesario involucrar otras variables claves tales como la presión y el volumen. Subsiguientemente se dan ejemplos de la forma en la cual se pueden aplicar dichas relaciones para los cálculos psicométricos. Palabras clave: Gases ideales, psicométricos, leyes.

INTRODUCCIÓN Al estudiar los sistemas termodinámicos

psicométricos y en general los procesos

cerrados se describió la forma en la cual

que tienen que ver con otros gases

fue

diferentes al aire y otros vapores

ecuación de estado de los gases ideales y

diferentes al vapor de agua, es necesario

se dieron ejemplos acerca de los cálculos

estudiar en primer lugar la forma en la

del volumen, la presión, y la temperatura

cual se puede expresar la composición de

de una masa fija de un gas puro. En el

una mezcla cualquiera, y las leyes físicas

campo de la Psicrometría también se

que se aplican a una mezcla de gases

había dado un ejemplo acerca del cálculo

ideales, con el fin de obtener un par de

de la temperatura de rocío de un aire

relaciones

húmedo, utilizando el concepto de

comportamiento de tales mezclas, y

humedad relativa. Bueno, para estudiar

aplicarlas finalmente bien al aire húmedo

con

(procesos psicrométricos) o bien a otros

obtenida

mayor

experimentalmente

detalle

los

procesos

que

gobiernan

gases no condensables mezclados con

misma que la masa total de sustancias

vapores diferentes al vapor de agua.

antes de la reacción; en otras palabras, esta ley dice que la materia no puede

Composición de una mezcla (Martinez

Gonzalez,

ser creada ni destruida en una

2016),

reacción química.

menciona que existen varias formas de

b) La

expresar la composición de una mezcla

Ley

Definida

de varios gases: El método más simple

de fue

Composición

formulada

por

primera vez por Joseph Proust

sería señalar el número de moles n1, n2,

(Francia, 1754-1826) en 1799 y

…. de las distintas sustancias presentes

establece que todas las muestras de

en la mezcla (las masas convencionales

un compuesto tienen la misma

también podrían servir). Este método

composición, es decir, las mismas

tiene la desventaja de que el número de

proporciones en masa de los

moles es una variable extensiva. Es

elementos constituyentes.

preferible expresar la composición de una mezcla en términos de un conjunto

La Ley de Amagat

de variables intensivas. El cociente de

La Ley de Amagat de los volúmenes

dos variables extensivas es una variable

parciales o aditivos establece que el

intensiva. El número de moles de un

volumen

componente i de la mezcla se puede

multicomponente es igual a la suma de

convertir en una variable intensiva

los volúmenes parciales, que cada

dividiendo esta cantidad entre alguna

componente ocuparía si éste fuera la

variable extensiva.

única sustancia presente a la temperatura

total

gas

y presión total de la mezcla.

Ley de Dalton Estas observaciones incluían la Ley de la

Variables psicométricas

Conservación de la Masa y Ley de las

Se observa que la humedad molar, Hm,

Proporciones Definidas.

no es más que un cociente molar como el

a) La Ley de la Conservación de la

descrito en la segunda relación al final

Masa fue formulada por Antoine

del numeral anterior. Al aplicar dicha

Lavoisier (Francia, 1743-1794) en el

relación al aire húmedo, el subíndice i

período 1775-1780 y establece que la

hace referencia al vapor de agua, y el

masa total de las sustancias presentes

subíndice j hace referencia al aire seco.

después de una reacción química es la

Como resultado del enfriamiento del 84

aire, las moles de aire seco, el cual está

cuales se tomaron algunos datos

formado

para resolver los problemas del

esencialmente

permanentes

dado

por

que

gases

están

numeral anterior.

temperaturas supercríticas tales como el N2(g)

O2(g),



permanecen

Otro aporte del presente artículo es

inalteradas, mientras que las moles de

el ordenamiento lógico para estudiar

vapor de agua empiezan a disminuir por

la humedad de un gas partiendo de

cuenta de la condensación progresiva de

la humedad molar, humedad que se

este componente.

puede relacionar directamente tanto con las fracciones molares como con

Si en lugar de enfriarse el aire húmedo que

está

una

temperatura

los cocientes molares, para obtener

posteriormente a partir de ésta los

termómetro seco de 20°C, éste se

conceptos de humedad, humedad

calentara

absoluta, y humedad relativa. CONCLUSIONES 

Finalmente hay que señalar que, a la alta Con base en lo discutido en los numerales

estabilidad del modelo de cálculo

puede

desarrollado en el presente artículo, se

concluir que los modelos de cálculo

agrega el hecho de que éste puede ser

basados en los cocientes molares y

fácilmente

en las fracciones molares facilitan la

resolver

problemas que tienen que ver con gases

solución de los problemas de

multicomponentes diferentes al aire

Termodinámica que involucran los

húmedo tales como los gases de

procesos psicrométricos. 

empleado

combustión u otros gases mezclados con vapores diferentes al vapor de agua, los

La solución de los problemas psicrométricos necesariamente

no el

uso

cuales se obtienen en los distintos

amerita de

procesos que se llevan a cabo en las

las

Industrias Químicas.

conocidas cartas psicométricas, de las cuales no se dispone en todas las ocasiones para las condiciones locales, lo cual no sucede con otras piezas técnicas tales como las conocidas Tablas de Vapor, de las 85

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cengel, Y., & Boles, M. (2009). Termodinamica. Mexico: McGrawHill: 6ta edicion. Pardo, A. (2017). “Estudio de un sistema de refrigeración por compresión de vapor aplicado a la industria agroalimentaria”. Piura: Universidad de Piura . Obtenido de https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/2991/IME_219.pdf?sequ ence=1&isAllowed=y Rios, L. (2007). Gases Ideales: Diagramas Termodinámicos. Colombia- Pereira. Obtenido de file:///D:/Users/USUARIO/Downloads/DialnetGASESIDEALESDIAGRAMASTERMODINAMICOS-4805078.pdf Tamir, A., & Ruiz, I. (2018). Ley Cero de la Termodinámica. Arte y Ciencia, 1-3. Obtenido de https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/17403/1/Ley%20Cero%20termodin amica.pdf

Clase 10 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=0P38E2XH2Yc “Proceso Politrópico”

Clase 10

23/03/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) PROCESO POLITRÓPICO

Definición general de proceso politrópico: Un proceso politrópico es un proceso termodinámico, es un tipo general de procesos de expansión y comprensión, relacionando la presión y el volumen de un cierto gas, obedece a la relación:

PVn = C Donde:  P = es la presión.  V = es el volumen.  n = es el índice politrópico.  C = es una constante.

Ecuación del proceso politrópico: Se utiliza comúnmente para procesos reversibles o irreversibles de gases ideales o cercanos a los gases ideales que involucran transferencia de calor y/o interacciones de trabajo cuando el índice de transferencia de energía, es constante para el proceso.

¿Qué es el coeficiente politrópico? El coeficiente politrópico es el parámetro termodinámico que define y explica las pérdidas de calor durante las transformaciones de compresión y expansión en el ciclo de trabajo de los motores de combustión interna.

Índice politrópico  n <0: El índice politrópico negativo denota un proceso en el que el trabajo y la transferencia de calor ocurren simultáneamente a través de los límites del sistema. Sin embargo, tal proceso espontáneo viola la 2da ley de la termodinámica. Estos casos especiales se utilizan en interacción térmica para astrofísica y energía química.  n = 0: P = C: Representa un proceso isobárico o un proceso de presión constante.

 n = 1: VP = C: Bajo el supuesto de la ley de los gases ideales, PV = C representa la temperatura constante o proceso isotérmico.  1 <n <γ: Bajo el supuesto de la ley de los gases ideales, en estos procesos, el flujo de calor y trabajo se mueve en dirección opuesta (K> 0). Como en los ciclos de compresión de vapor, el calor se pierde en un entorno caliente.  n = γ: Bajo el supuesto de la ley de los gases ideales, representa la entropía constante o proceso isentrópico o proceso adiabático reversible.  γ <n <Infinito: En este proceso, se supone que el calor y el flujo de trabajo se mueven en la misma dirección que en el motor de CI cuando se pierde cierta cantidad de calor generado en las paredes del cilindro, etc.  n = Infinito: Representa un proceso isocórico o un proceso de volumen constante.

Las propiedades son funciones de punto; pero el calor y el trabajo más que todo son funciones de la trayectoria (sus magnitudes dependen de la trayectoria seguida)

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

TERMODINAMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico PROCESO POLITRÓPICO

RESUMEN El proceso politrópico puede describir la expansión y compresión del gas, que incluyen la transferencia de calor. La ecuación del proceso politrópico 𝑃 𝑉 𝑛 = 𝐶, se enseña ampliamente en los programas de ingeniería como un concepto importante en la termodinámica. Este proceso se caracteriza por poseer el exponente politrópico n, que es la que determina el estado al que está ocurriendo dicho proceso. Cuando n=0 el proceso ocurre a presión constante (isobárico), si n=1 el proceso ocurre a temperatura constante(isotérmico), n = ∞ indica que se está en volumen constante (isométrico) y cuando n=k se trabaja en un proceso adiabático (Q=0). De este proceso podemos derivar las ecuaciones del calor del proceso politrópico, su trabajo, además de realizar un análisis con los gases ideales. Palabras clave: Termodinámica, proceso politrópico, calor en un proceso politrópico, trabajo del proceso politópico.

INTRODUCCIÓN relación

habituales de compresión o expansión de

funcional entre la presión y el volumen

gases no son adiabáticos ni isotérmicos.

sea de la forma PVn = constante, se

Habitualmente estos procesos puede

conoce como proceso politrópico, donde

aproximarse a politrópicos con valores

entre 1< n < k (aunque existen procesos

Cualquier

proceso

cuya

exponente

politrópico.

con más valores de n). (Acosta)

(Cervantes Espinosa , Trejo Candelas, & Vega Rodriguez , 2006) Cabe a destacar que estos procesos

Ecuación del proceso politrópico

politrópicos se caracterizan por ser

𝑃 𝑉𝑛 = 𝐶

internamente reversibles. Los procesos 90

Características

los

procesos

Aplicaciones

politrópicos:

Según (Zapata, 2015) una de las

 El proceso

isotérmico (a

una

principales aplicaciones de la ecuación

temperatura T constante), en el

politrópica es para el cálculo del trabajo

que el exponente es n=1.

realizado por un sistema termodinámico

 Un proceso

isobárico (a

presión P constante),

una

cerrado, cuando pasa de un estado inicial

este

a otro final en forma cuasiestática, es

caso n=0.

decir, siguiendo una sucesión de estados

 El proceso isocórico (a un

de equilibrio.

volumen V constante), para el

Figura 2: Ecuaciones de estado del proceso politrópico relacionado con P, VyT

cual n=+∞.  Los procesos adiabáticos (a una entropía S constante), cuales

exponente

los

es n=γ,

siendo γ la constante adiabática. Esta constante es el cociente

entre

calorífica

la a

capacidad presión

constante Cp dividido entre la capacidad calorífica a volumen constante Cv:

Trabajo para proceso politrópico Según (Posadas Barruto, 2018) el

γ=Cp/Cv.

trabajo para un proceso politrópico se obtiene de la integral para sistemas cerrados: 2

𝑊1−2 = ∫ 𝑝𝑑𝑣 1

De lo cual obtenemos: 𝑊1−2 Figura 1: Representacion grafica 91

𝑅𝑇1 𝑃2 = (1 − [ ] 𝑛−1 𝑃1

𝑛−1 𝑛

)

politrópico “n”, nos indicara como el

Proceso politrópico para gas ideal

proceso se está efectuando.

Según (Mercado, 2012) sabiendo que



para un gas ideal la ecuación es:

Es sencillo identificar, qué tipo de proceso se está empleando con ayuda

PV = m R T

de un gráfico P-V. Sin embargo, los

Donde R=Rp (gases ideales), resulta

valores de “n” puede ser cualquier

finalmente que:

valor real, pero solo ciertos números

𝑊1−2

nos dan la información necesaria del

𝑚𝑅ሺ𝑇2 − 𝑇1ሻ = ;𝑛 ≠ 1 1−𝑛

comportamiento que tenga dicho proceso en una situación de la vida real.

Capacidad especifica del calor Es fácil utilizar las ecuaciones que

Es denotada por 𝐶𝑛 y es igual a

relacionan P, V y T para cualquier 𝐶𝑛 = 𝐶𝑣

𝛾−𝑛 1−𝑛

proceso politrópico, ya que, por medio de la primera ley de la termodinámica y la ecuación de estado de los gases

CONCLUSIONES 

Los

procesos

politrópicos

ideales, se puede calcular y determinar son

las condiciones a la que se está

netamente reversibles, y dependiendo

efectuando

del valor que se le dé al exponente

determinado sistema termodinámico

dicho

proceso

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cerón, M., González, J., & Monroy, E. (2020). Temperatura y ley cero de la termodinámica. TEPEXI: Boletín Científico de la Escuela Superior Tepeji del Río, 14. Obtenido de https://repository.uaeh.edu.mx/revistas/index.php/tepexi/article/view/5595/7 295 Erich, M. (2002). Termodinamica Basica. Sevilla: España: Equinoccio. Obtenido de https://www.academia.edu/9837736/Termobasica_Erich_Muller Gómez, J. (2016). La termodinámica: una herramienta para el análisis en alimentos. Universidad del Valle, 173-192. Obtenido de file:///C:/Users/usuario/Downloads/511-Texto%20del%20art%C3%ADculo2413-1-10-20170328.pdf Ignasio, M., Vazquez, S., Briseño, A., & Atilano, A. (2021). Sistemas Termodinámicos. TEPEXI: Boletín Científico de la Escuela Superior Tepeji del Río, 1- 4. Obtenido de https://repository.uaeh.edu.mx/revistas/index.php/tepexi/article/view/7098/8 081 Tamir, A., & Ruiz, I. (2018). Ley Cero de la Termodinámica. Arte y Ciencia, 1-3. Obtenido de https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/17403/1/Ley%20Cero%20termodin amica.pdf Zapata, F. (2015). Proceso politrópico: características, aplicaciones y ejemplos. Obtenido de https://www.lifeder.com/proceso-politropico/

´ Unidad didactica Nº3 94

Clase 11 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=nwbGtesUdYM “Sustancias Puras”

Clase 11 Clase 11 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=nwbGtesUdYM “Sustancias Puras”

04/04/22 04/04/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO) SUSTANCIAS PURAS Una sustancia pura es aquella que presenta una composición química fija. Una sustancia pura puede estar compuesta de un solo elemento químico o de mezclas homogéneas de varios elementos, en una misma fase o en fases diferentes. Fases: Existen tres fases principales que puede tener una sustancia: sólida, líquida, o gaseosa. Sin embargo, dentro de una misma fase la sustancia puede presentar diferentes estructuras moleculares. El carbón, por ejemplo, puede existir como diamante o granito en fase sólida. Recuerde que las fuerzas de unión entre las moléculas son más fuertes en sólidos y más débiles en los gases.

Procesos de cambio de fase de sustancias puras:  Líquido comprimido y líquido saturado. El líquido comprimido (también llamado subenfriado) es aquel que no está a punto de vaporizarse. El líquido saturado en tanto es aquel que está a punto de vaporizarse. Cualquier adición de calor causará que alguna parte del líquido se vaporice.  Mezcla de líquido-vapor saturado, vapor saturado y vapor sobrecalentado. El vapor saturado es aquel vapor que está apunto de condensarse. Es decir, cualquier pérdida de calor de este vapor causará que alguna parte se condense. Una mezcla de líquido-vapor saturado es aquella mezcla en donde coexiste tanto la fase líquida como la gaseosa. Son estados que se encuentran en medio de los estados de líquido saturado y vapor saturado para una temperatura y presión de saturación de una sustancia pura. El vapor sobrecalentado es aquel vapor que no está apunto de condensarse. 96

Diagramas de propiedades para procesos de cambios de fase: 

Diagrama 𝑇 − 𝑣

Los estados de líquido saturado, en la figura anterior, pueden ser conectados para formar la línea de líquido saturado. De igual forma los de vapor saturado formaran la línea de vapor saturado. Estas líneas que se interceptan en el punto crítico, forman una superficie con tres regiones claramente definidas: región de líquido comprimido o sub enfriado, región de mezcla de líquido-vapor saturado, y una región de vapor sobrecalentado.



Diagramas 𝑃 − 𝑣

Los diagramas 𝑃 − 𝑣 son similares a los de temperatura-volumen específico sólo que las líneas de temperatura constante están orientadas de forma diferente a las de presión constante de los diagramas 𝑇 − 𝑣.

Para aquellos puntos por encima del crítico, no existe un proceso distintivo de cambio de fase y no se puede determinar cuándo ocurrirá dicho cambio de fase. (Arosenema, 2008) 98

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO

TERMODINAMICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico

UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

SUSTANCIAS PURAS TERMODINÁMICA

RESUMEN En sistemas en equilibrio. En todos los campos especializados, por ejemplo, en leyes y economía, se emplean términos con cierto significado específico, que pueden diferir del que tienen en la conversación cotidiana. Para estar seguros de tener una comunicación precisa, tanto en el salón de clases como con otros ingenieros y científicos, es necesario que las definiciones empleadas en la termodinámica sean siempre las mismas y que sean completas y precisas en lo posible. El objetivo de esta unidad es definir las sustancias simples y compresibles se emplean en muchos sistemas de ingeniería, incluyendo las plantas de potencia, muchos sistemas de refrigeración y sistemas de distribución térmica que usan el agua o el vapor de agua para transportar la energía. Además, las máquinas de combustión interna y externa se pueden estudiar en forma práctica considerando que operan con sustancias simples y compresibles como fluidos de trabajo, aun cuando en la realidad no sea así. Palabras clave: Termodinámica, sustancia pura

SUSTANCIA PURA

COMPORTAMIENTO PVT DE UNA SUSTANCIA PURA:

Es la sustancia cuyas composiciones químicas están bien definidas.

Este comportamiento se puede definir gráficamente en un diagrama que se

− Agua H2O

denomina “Superficie Termodinámica”.

− Aire

Comúnmente

− Nitrógeno N2

diagramas

descompone

bidimensionales.

Presión

Temperatura (P-T), Presión – Volumen

− Helio He

específico

− Dióxido de carbono CO2

(P-v),

Temperatura

Volumen específico (T- v). 99

–

1. Diagrama Presión – Temperatura: Los

puntos

que

representan

isobara

crítica

(curva

presión

constante) está la zona de gas.

coexistencia de dos fases son los que

CONCLUSIONES:

forman las curvas. La curva de fusión



contiene los puntos de coexistencia de

Es importante saber que, por más que se aplique mayor presión no

las fases sólido y líquido. La curva de

se consigue disminuir el volumen

vaporización contiene los puntos en los

del líquido, debido a que el

que coexisten las fases líquido y vapor.

coeficiente de compresibilidad

La curva de sublimación directa contiene

isotérmica de los líquidos es muy

los puntos en los que coexisten las fases

pequeño, Si se ubican en un

sólido y vapor. El punto triple representa

punto sobre la curva del líquido

el único punto en el que coexisten las tres

saturado lo que se tiene es líquido

fases.

puro

temperatura

ebullición. A este líquido se lo

2. Diagrama presión-volumen:

suele llamar líquido saturado.

La convención que establece que por



encima de la isoterma crítica se

Sustancia

es aquella sustancia que

encuentra la fase gaseosa y por debajo la

Pura es

homogénea e invariable en su

fase vapor (Vapor sobrecalentado o

composición química, tiene que

supercrítico). La curva de saturación del

mantenerse siempre los mismos

líquido (también llamada curva de

componentes sin agregar otro

líquido saturado) separa la fase líquida

porque de este caso ya no sería

de la zona de coexistencia de fase líquida

una sustancia pura.

y vapor.



Para comprender lo que es

3. Diagrama Temperatura – Volumen:

la sustancia pura necesitamos de

Este diagrama, presenta la curva de

las cuatro propiedades básicas y

campana que contiene la zona de

dos adicionales que son presión,

coexistencia de fases. Donde se puede

temperatura, volumen, energía

apreciar las

interna, entalpia y entropía.

zonas

sólido,

coexistencia de sólido y líquido, de líquido, de coexistencia de líquido y vapor, y de vapor. Por encima de la

100

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Arosenema, A. (2008). Propiedades de las Sustancias Puras . Panama. Obtenido de https://www.academia.utp.ac.pa/sites/default/files/docente/72/clase_3_propi edades_de_una_sustancia_pura.pdf Erich, M. (2002). Termodinamica Basica. Sevilla: España: Equinoccio. Obtenido de https://www.academia.edu/9837736/Termobasica_Erich_Muller Francisco Jimenez Morales, M. D. (2001). Termodinamica: Una guia de clase. EspañaSevilla: Cada de Libro. Sanchez, J. (2018). Sustancias Puras . Venezuela . Obtenido de https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/05/tema-1-sustanciaspuras3.pdf

101

Clase 12 Tablas termodinámicas: https://issuu.com/rosmeryfidel/docs/tablas_termodin_micas “Manejo e interpretación de tablas de Temperaturas y Presiones”

11/04/22

Clase 12

TABLA DE TEMPERATURAS

Clase 12 Tablas termodinámicas: https://issuu.com/rosmeryfidel/docs/tablas_termodin_micas “Manejo e interpretación de tablas de Temperaturas y Presiones”

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TABLA DE PRESIONES

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Clase 13 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=On6WvMlYg24 “Seminario 1: Primera Ley de la Termodinamica”

Clase 13

11/04/22 11/04/22

1.- Se lleva a cabo un proceso sin flujo a P = constante a una presión de 200 KPa. Si se

Clase 13

extraen 50 KJ de calor cuando el volumen cambia de 0.2 𝑚3 a 0.1 𝑚3 ¿Cuál es el cambio la energía interna del fluido de trabajo? suponga que hay 0.5 Kg de fluido. Materialenaudiovisual:

“Seminario SOLUCIÓN:

1: Primera Ley de la Termodinamica”

Datos: Presión constante Aplicamos primera ley para sistema cerrado 

𝑃1= 200 KPa



𝑄1−2 = - 50 KJ (se extrae)

  

𝑉1 = 0.2 𝑚3 𝑉2 = 0.1𝑚3 ∆U =?



m = 0.5 Kg

𝟐

𝑄1−2 = ∆U + ∫𝟏 𝑷. 𝒅𝒗 - 50 KJ = ∆𝐔1−2 + P (V2 – V1) - 50 KJ = ∆𝐔1−2 + 200 KPa (0.1 – 0.2) 𝑚3 1 𝑃𝑎

1 𝐾𝐽

- 50 KJ = ∆𝐔1−2 + 200 KPa x 𝑁/𝑚2 X 1000𝐽 (0.1 – 0.2) 𝑚3 ∆𝐔1−2 = −50𝐾𝐽 + 20𝐾𝐽 = −30𝐾𝐽 ∆𝐔1−2 = −30𝐾𝐽

2.- Un sistema realiza 100 KJ de trabajo, mientras disipa 50 KJ de calor en un proceso. El sistema retorna a su estado original a través de un proceso en el cual se hace 80 KJ de trabajo sobre el sistema. Halle el calor añadido sobre este proceso. SOLUCIÓN: Proceso

Representación grafica

Datos:    

𝑊1−2= 100 KJ 𝑄1−2 = 50KJ 𝑊2−1 = 80 KJ 𝑄2−1 = ? Aplicamos primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado (ciclo) 𝑄1−2 + 𝑄2−1 = 𝑊1−2 + 𝑊2−1 - 50 KJ +𝑄2−1 = 100 KJ - 80 KJ 𝑄2−1 = 70 KJ 107

3.- Un recipiente rígido de 0.03 m3 contiene aire a 1.4 bar y 20 °C. Se suministra calor al recipiente, hasta que la presión sube a 3.5 bar. Determinar el calor añadido SOLUCIÓN: Aire (Rígido) Datos     

Aplicamos primera ley para sistema cerrado 𝑉1= 0.03 𝑚3 𝑃1 = 1.4 bar 𝑇1 = 20 °C + 273 = 293 ° K 𝑃2 = 3.5 bar 𝑄1−2 = ?

Q1−2 = ∆𝐔1−2 + W1−2 Si es rígido el V = constante Q1−2 = ∆𝐔1−2 + W1−2 Q1−2 = ∆𝐔1−2 Q1−2 = m Cv ( 𝑇2 - 𝑇1)

Cálculo de la masa: Ecuación de estado 𝑃1 𝑣1 = 𝑚𝑅 𝑇1

→

1.4 𝑏𝑎𝑟 𝑥 0.03𝑚3 𝑚 = 𝐾𝐽 0.287 𝐾𝑔. °𝐾 𝑋 293 °𝐾

𝑚 =

𝑃1 𝑣1 𝑅 𝑇1

105 𝑃𝑎 𝑁/𝑚2 1𝐾𝐽 𝑥 𝑥 𝑥 → 𝑚 = 0.05 𝐾𝑔 1 𝑏𝑎𝑟 1 𝑃𝑎 1000 𝐽 Tabla

Cálculo de T2, de la ley de gases ideales 𝑃 .𝑉 𝑇

= 𝐶

Si es rígido el V = constante

𝑃1 𝑃2 = 𝑇1 𝑇2

𝑇2 =

Tabla

→

𝑇2 =

𝑃2 𝑋 𝑇1 𝑃1

3.5 𝑏𝑎𝑟 𝑥 293 °𝐾 = 732.5 °𝐾 1.4 𝑏𝑎𝑟

Reemplazando en: Q1−2 = m Cv ( 𝑇2 - 𝑇1)

Tabla

𝐾𝐽

Q1−2 = 0.05 Kg x 0. 715 Tabla (732.5 -293) °K 𝐾𝑔 .°𝐾 Q1−2 = 15,7 𝐾𝐽 108

109

Clase 14 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=euMby60ppi4 “Seminario 2: Primera Ley de la Termodinamica”

13/04/22

Clase 14

1. Una masa de 0.5Kg de monóxido de carbono, realiza los procesos siguientes:

Material

Proceso (1-2): Politrópico Proceso (2-3): Isocórico Proceso (3-1): Isobárico audiovisual:

PV1.3 =

13/04/22

C; P1 = 1 bar; T1= 280°K; T2 = 350°K

Clase 14

“Seminario 2: Primera Ley de la Termodinamica” DETERMINE: a) El cambio de energía del proceso isocórico en KJ b) El calor neto en KJ SOLUCIÓN: CO M = 0.5Kg

𝑷𝟑 = 𝑷𝟏

PV1.3 = C

𝑽𝟑 = 𝑽𝟐

P1 = 1bar T1= 280°K T2 = 350°K

𝑷𝟑 = 𝑷𝟏

a) ∆U (2-3) = ?? (KJ) b) QN =?? (KJ)

𝑽𝟑 = 𝑽𝟐

SOLUCIÓN: Parte A

 Del proceso politrópico (1-2) 𝑻𝟐 𝑷𝟐 =൬ ൰ 𝑻𝟏 𝑷𝟏

𝑄2−3 = ∆𝑈2−3 + 𝑊2−3

𝒏−𝟏 𝒏

𝟏.𝟑

P2 = 1bar *Proceso isocórico V = constante

𝟑𝟓𝟎 𝟏−𝟏.𝟑 ቀ𝟐𝟖𝟎ቁ

P2 = 2.63 bar

𝑄2−3 = ∆𝑈2−3 = 𝑚𝐶𝑣ሺ𝑇3 − 𝑇2 ሻ De tablas:

 Del proceso (1-2): Isocórico v = c  Del proceso politrópico (1-2)

 Cv = 0.7445 KJ/Kg°K

𝑷𝟐 𝑻𝟐

 Cp = 1.0413KJ/Kg°K  R = 0.297Kj/Kg°K

𝑷

= 𝑷𝟑  T3 = P𝒏−𝟏 3*(T2/P2) 𝑻𝟑 𝟐 𝑷𝟐 𝒏 = ൬ ൰𝟑𝟓𝟎°𝑲 𝑷𝟏 T𝑻 = 1bar* 3𝟏 𝟐.𝟔𝟑𝒃𝒂𝒓 𝟏.𝟑

 K = 1.4

𝟑𝟓𝟎 𝟏−𝟏.𝟑 T31bar = 133.08°K P2 = ቀ𝟐𝟖𝟎ቁ

P2 = 2.63 bar ∆U (2-3) = 0.5Kg*0.7445KJ/Kg°K (133.08 - 350) °K Rpta: Q2-3 = ∆U (2-3) = -80.75KJ 110  Del proceso (1-2): Isocórico v = c 𝑷𝟐 𝑻

𝑷𝟑 𝑷

 T3 = P3*(T2/P2)

SOLUCIÓN: Parte B

QN = Q1-2 + Q 2-3 + Q3-1  (2)

 Proceso (1-2): Politrópico 𝑸𝟏−𝟐 = 𝒎 𝒄𝒏ሺ𝑻𝟏 − 𝑻𝟐 ሻ = 𝒎 × 𝑄1−2 = 0.5𝐾𝑔 ×

𝑪𝒗ሺ𝒌 − 𝒏ሻ × ሺ𝑻𝟏 − 𝑻𝟐 ሻ 𝟏−𝒏

0.7445𝐾𝐽°𝐾 ሺ1.4 − 1.3ሻ × ሺ350 − 280ሻ°𝐾 1 − 1.3

Q1-2 = -2.606KJ  Proceso (1-2): Politrópico  Proceso (1-2): Isocórico

𝑪𝒗ሺ𝒌 − 𝒏ሻ ሺ ሻ 𝑸𝟏−𝟐 = 𝒎 𝒄𝒏 𝑻 − 𝑻 = 𝒎 × × ሺ𝑻𝟏 − 𝑻𝟐 ሻ 𝟏 𝟐 𝑸𝟐−𝟑 = ∆Uሺ2 − 3ሻ = −𝟖𝟎. 𝟏 − 𝟕𝟓𝑲𝑱 𝒏 𝑄1−2 = 0.5𝐾𝑔 ×

0.7445𝐾𝐽°𝐾 ሺ1.4 − 1.3ሻ × ሺ350 − 280ሻ°𝐾 1 − 1.3

 Proceso (1-2): Isocórico Q1-2 = -2.606KJ 𝑸𝟐−𝟑Proceso = ∆Uሺ2 − 3ሻ =Isocórico −𝟖𝟎. 𝟕𝟓𝑲𝑱 (1-2): 𝑸𝟑−𝟏 = 𝒎𝑪𝒑 ሺ𝑻𝟏 − 𝑻𝟑 ሻ

𝑸𝟑−𝟏 = 0.5Kg ∗ 1.0413KJ/Kg°Kሺ280 − 133.09ሻ°K 𝑸𝟑−𝟏 = 𝟕𝟔. 𝟒𝟗𝑲𝑱

 Proceso (1-2): Isocórico 𝑸

= 𝒎𝑪𝒑 ሺ𝑻 − 𝑻 ሻ

𝟑−𝟏 𝟑 Reemplazando en la𝟏 ecuación 2:

𝑸𝟑−𝟏 = 0.5Kg ∗ 1.0413KJ/Kg°Kሺ280 − 133.09ሻ°K QN = Q1-2 + Q 2-3 + Q3-1  (2) 𝑸𝟑−𝟏 = 𝟕𝟔. 𝟒𝟗𝑲𝑱 QN = -2.606KJ – 80.75KJ + 76.49KJ

Rpta: QN = -6.87KJ

111

2. Un Compresor refrigerado por agua comprime 2.0Kg/s de aire desde 1 bar y 15°C hasta 3.5 bar y 100°C. El diámetro de la tubería de salida del compresor es 160mm. Supongamos que la velocidad del aire a la entrada del compresor es de 50.5KJ/s. Determine: a) La potencia del aire en m/s, a la salida del compresor  V2 = ?(m/s) b) La potencia que requiere el compresor en KW  W = ?(KW) SOLUCIÓN: Compresor (Aire) Datos: m = 2.0 Kg/s P1 = 1 bar

P2 = 3.5bar

T1 = 15°C + 273 = 288°K T2 = 100°C + 273 = 373°K D2 = 160 mm*1m/1000mm = 0.16m V1 = 0 Q1-2 = -50.5KJ/s

 PARTE “A” Calculo de V2: m = ρ1A1V1 = ρ2A2V2  m = A2V2/V2 V2 = mV2 / A2  (2) 𝐷2 𝐴2 = 𝜋 = 3.14ሺ0.16ሻ2 𝑚2 4

0.287𝐾𝐽 𝐾𝑔 °𝐾 × 373°𝐾 𝑷𝟐 𝑽𝟐 = 𝑹𝑻𝟐 → 𝑽𝟐 = 105 𝑃𝑎 3.5𝑏𝑎𝑟 × 1𝑏𝑎𝑟 𝑽𝟐 = 𝟎. 𝟑𝟎𝟔𝒎𝟑 /𝑲𝒈 2𝐾𝑔 0.306𝑚3 𝒎𝑽𝟐 𝑠 × 𝐾𝑔 𝑽𝟐 = → 𝑽𝟐 = 𝑻𝟐 0.02𝑚2

𝑨𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟐𝒎𝟐

Rpta: 𝑽𝟐 = 𝟑𝟎. 𝟔𝒎/𝒔

 PARTE “B” 0.287𝐾𝐽 𝐾𝑔 °𝐾 × 373°𝐾 𝟐 𝑽𝟐 = 𝑹𝑻𝟐 → 𝑽𝟐 = Remplazando en la𝑷ecuación: 105 𝑃𝑎 3.5𝑏𝑎𝑟 × 1𝑏𝑎𝑟 -50.5KJ/Kg = mCp (T2-T1) + m (V22 * V12) / 2 + W1-2 𝑽𝟐 = 𝟎. 𝟑𝟎𝟔𝒎𝟑 /𝑲𝒈 -50.5KJ/Kg = 2Kg/s*1.004KJ/Kg °K (373 - 288) °K + Kg/s (30.6)2m2/s2 + Wc 2𝐾𝑔 0.306𝑚3 Wc = -222.12KJ/s 𝒎𝑽𝟐 𝑠 × 𝐾𝑔 𝑽𝟐 = → 𝑽𝟐 = 𝑻𝟐 0.02𝑚2 112 𝑸𝟏−𝟐 = ∆𝑯 + ∆𝑬𝒄 + ∆𝑬𝒑 + 𝑾𝟏−𝟐

 (1)

Rpta: 𝑽𝟐 = 𝟑𝟎. 𝟔𝒎/𝒔

Clase 15 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=3ZTk9PJCXvQ “Seminario 3: Primera Ley de la Termodinamica”

18/04/22

Clase 15

18/04/22

1. En un tanque hay 10 Kg de agua. El trabajo total de la entrada aplicada por el agitador

Clase 15

es de 20J.

Material audiovisual: Determine: “Seminario 3: Primera lacambio Termodinamica” a) El cambio de energía internaLey totalde y el de energía interna especifica (si el sistema es adiabático) b) Si se observa una fuga de calor de 0,1 J/Kg; ¿Cuál es el cambio de energía interna? SOLUCIÓN: Datos: agua  

m = 10 Kg Wt = 20 J



a) ∆𝑈ሺ1−2ሻ =¿ ? u =¿ ? 𝑄1−2 = 0



Sistema

𝑊1−2

𝑄1−2 = 0

b) 𝑄1−2 = 0,1 𝐽/𝐾𝑔 ∆𝑈ሺ1−2ሻ =¿ ?

Sistema

𝑄1−2 = 0 u=

𝑎ሻ 𝑄1−2 = ∆𝑈1−2 + 𝑊1−2 0 = ∆𝑈1−2 + 𝑊1−2

∆U 20 J = m 10 Kg u=2

∆U1−2 = W1−2 = 20J

J Kg

𝑎ሻ 𝑄1−2 = ∆𝑈1−2 + 𝑊1−2 0 = ∆𝑈1−2 + 𝑊1−2

𝑄u

𝑞=𝑚

∆U1−2 = W1−2 = 20J 𝑊1−2 Sistema

∆U 20 J = = → m𝑄 = 10 𝑞 ∗Kg 𝑚

J= 2 J u Q = −0,1 ∗ 10 𝐾𝑔 Kg Kg

𝑄1−2 = 0

Q = −1 J 𝑄1−2

→ −1 J = ∆U1−2 − 20 J Sistema

∴ ∆U1−2 = 19 J

𝑄1−2 = 0 113

𝑄

𝑞 =𝑚 → 𝑄 =𝑞∗𝑚 Q = −0,1

J ∗ 10 𝐾𝑔 Kg

2. Un conjunto de cilindro - pistón contiene gas Argón a 140 KPa y 10 °C y el volumen es de 100 L. El gas se comprime en un proceso politrópico hasta 700 KPa y 280 °C. Determine el trabajo durante el proceso. SOLUCIÓN: Datos: Argón      

P1 = 140 Kpa T1 = 10 °C = 283 °K V1 = 100 𝐿 P2 = 700 Kpa T2 = 280 °C = 553 °K 𝑾𝟏−𝟐 = ¿ ? 2

W1−2 = ∫ P dV 1

W1−2 =

P2 V2 − P1 V1 m RሺT2 − T1 ሻ = … … … . . . . 𝐄𝐜𝐮𝐚𝐜𝐢𝐨𝐧 ሺ𝟏ሻ 1−n 1−n

Cálculo de n: 1

T2 P2 𝑛−𝑛 =[ ] T1 P1 1

1 553 700 n−n n−1 1 𝑛− n =[ ] ⟶ 1,95 = ሾ5ሿn− 1,95 = [ ] ln 5 ⟶ n = 1,71 𝑛 T2 ⟶Pln 2 283 140 n =[ ]

Calculo de masa:

PV = mRT m=

140 KPa ∗ 100 L ∗ 1L/10−3 m3 0,2081 KJ/Kg °K ∗ 283°K m = 0,237 Kg

𝐑𝐄𝐄𝐌𝐏𝐋𝐀𝐙𝐀𝐍𝐃𝐎 𝐧 𝐘 𝐦 𝐄𝐍 𝐋𝐀 𝐄𝐂𝐔𝐀𝐂𝐈Ó𝐍 ሺ𝟏ሻ W1−2 =

0,237 Kg ∗ 0,2081 KJ/Kg °K ∗ ሺ553 − 283ሻ°K 1 − 1,71 W1−2 = −18,76 KJ 114

3. Una tobera acelera aire desde 20 bar, 407 °C y 10 m/s, hasta la presión de 1 bar. La expansión del aire en la tobera es de acuerdo a la ley PV 1.25 = C; y la transferencia del calor al exterior de la tobera es el 25% del incremento de la energía cinética del aire. Determine: a) Determine la velocidad de salida del aire b) Determine el calor transferido en KJ/Kg SOLUCIÓN: Datos: tobera “aire”        

P1 = 20 bar T1 = 407 °C = 680 °K V1 = 10 𝑚/𝑠 P2 = 1 bar PV1,25 = C 𝑄1−2 = −25% ∆Ec a) V2 =¿ ?

2 TOBERA

TOBERA

1 V1

𝑄1−2

b)𝑄1−2 = ¿ ? ቀKgቁ

Q1−2 = ∆H + ∆Ec + ∆Ep + W1−2 → Q1−2 = ∆H + ∆Ec → Q1−2

V2 2 − V1 2 = ∆H + … . . 𝐄𝐂𝐔𝐀𝐂𝐈Ó𝐍 ሺ𝟏ሻ 2

a) Cálculo de ∆𝐇: ∆H = m Cp ሺT2 − T1 ሻ ∆H = 1,004 KJ/Kg °K ሺሺT2 − 680ሻ°𝐾 … … 𝐄𝐂𝐔𝐀𝐂𝐈Ó𝐍 ሺ𝟐ሻ

Cálculo de 𝐓𝟐 : 1

T2 P2 𝑛−𝑛 =[ ] T1 P1 1

1 11,25−1,25 ൬ T2 = 680 °𝐾 𝑛−൰𝑛 T2 P220 =[ ] T1 P1 T2 = 373,5 °K 115

V2 ≫ V1

2 V2 ≫ V1

𝐑𝐄𝐄𝐌𝐏𝐋𝐀𝐙𝐀𝐍𝐃𝐎 𝐄𝐍 𝐋𝐀 𝐄𝐂𝐔𝐀𝐂𝐈Ó𝐍 ሺ𝟐ሻ

∆H = 1,004 KJ/Kg °K ሺሺ373, 5 − 680ሻ°𝐾 ∆H = −307,73 KJ/Kg

𝐑𝐄𝐄𝐌𝐏𝐋𝐀𝐙𝐀𝐍𝐃𝐎 𝐄𝐍 𝐋𝐀 𝐄𝐂𝐔𝐀𝐂𝐈Ó𝐍 ሺ𝟏ሻ

→ Q1−2

V2 2 − V1 2 = ∆H + 2

V2 2 − V1 2 V2 2 − V1 2 −𝟎, 𝟐𝟓 ( ) = −307,73 + ( ) 2 2 ∴ V2 = 701,76 𝑚/𝑠

b) Calculo del calor: V2 2 − V1 2 Q1−2 = 0,25 + ( ) 2 ∴ Q1−2 = −61,55

116

KJ Kg

Clase 16 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=sPg59SXjb2Q “Segunda Ley de la Termodinamica”

Clase 16 Clase 16 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=sPg59SXjb2Q “Segunda Ley de la Termodinamica”

117

25/04/22 25/04/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO)

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA La incapacidad de la primera ley de identificar sí un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, “La segunda ley de la termodinámica”. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica. (Medina, 2020) El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor, pero no todo el calor puede convertirse en trabajo. (Unet, 2019) La

segunda

ley

termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo,

limitaciones la primera

más

allá

impuestas ley

las por la

termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada. La segunda ley de la termodinámica establece que: “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.”

118

Del segundo principio se extrae que, si bien todo el trabajo se puede convertir en calor, no todo el calor puede convertirse en trabajo. La máxima eficiencia que se puede conseguir es la eficiencia de Carnot. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, todo proceso que ocurre en un sistema dado debe satisfacer el principio de conservación de la energía, incluyendo el flujo de calor.

∆𝑼 − 𝑾 = 𝑸 La ecuación establece, en otras palabras, que todo proceso cuyo único fin sea el de crear o destruir energía, es imposible, esto niega la existencia de una máquina de movimiento perpetuo de primera clase. El primer principio de la termodinámica no nos dice nada acerca de la dirección en que un proceso puede ocurrir en un sistema. a. EJEMPLOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Esta restricción en la dirección, en que un proceso puede o no ocurrir en la naturaleza, se manifiesta en todos los procesos espontáneos o naturales. En efecto, siempre observamos que: (Solar, 2018)  Un gas comprimido tiende a expandirse.  La transferencia de calor siempre sucede desde los cuerpos calientes a los fríos.  El funcionamiento de un aire acondicionado. Nunca observamos que estos procesos ocurran en forma espontánea en dirección opuesta. En ningún caso el calor fluye de un cuerpo frío a otro caliente sin la aportación de un trabajo externo.

119

ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1. ENUNCIADO DE CLAUSIUS: No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente. (Olmo, 2017) “Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”.

2. ENUNCIADO DE KELVIN PLANCK: No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo. (Fisicalab, 2021) “Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”

120

MÁQUINA TÉRMICA Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Una máquina térmica con una eficiencia perfecta, debería convertir toda la energía calorífica absorbida en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible. (Juntade, 2016) Esta máquina térmica tiene por objetivo; proporcionar continuamente trabajo al exterior a partir del calor absorbido. Si imaginamos un ciclo realizado en sentido opuesto al de un motor, el resultado final será: 

La absorción de calor a temperatura baja.



La expulsión de una cantidad mayor a temperatura más elevadas.



Y por fin, la realización de una cantidad neta de trabajo sobre el sistema.

Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, entonces tenemos:

𝑾 = 𝑸𝑬 − 𝑸𝑺 𝒏𝑻é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐 =

𝑾 𝑸𝑬

121

MÁQUINA DE CARNOT Las máquinas de Carnot, son máquinas cíclicas ideales que se han estudiado siempre con asiduidad debido a su relevancia histórica, pero sobre todo porque ayudan a comprender mejor ciertos aspectos importantes de la termodinámica. (Famaf , 2015) La máquina de Carnot, consta de dos reservorios de calor a temperatura T1 y T2 (>T1), y un sistema auxiliar que se utiliza para extraer calor del reservorio “caliente” a T2, transformándolo en trabajo mecánico W´ y entregando calor sobrante a T1. El gráfico contiguo, corresponde a un ciclo completo de una máquina cuyo auxiliar es un gas. El primer proceso se inicia en el estado A y consiste de una expansión isotérmica en contacto con el reservorio a T2 hasta llegar al estado B; durante esta expansión se absorbe una cantidad de calor Q2. A continuación se aísla térmicamente el sistema para realizar una expansión adiabática hasta el estado C. Luego se comprime el sistema hasta el estado D, manteniéndolo en contacto con el reservorio a T1, de manera que se entrega al mismo una cantidad de calor Q´1. El último proceso de cada ciclo se realiza aislando nuevamente el sistema, comprimiéndolo hasta retornar al estado inicial A. (Físicaes, 2018) No necesariamente utilizan un gas como sistema auxiliar. En el caso general se tiene una variable intensiva Y asociada con una variable extensiva X característica del sistema, de manera que el diagrama correspondiente al ciclo de Carnot en esta representación tendrá el aspecto cualitativo que se muestra en la figura. Tanto en el diagrama anterior como en este último, el área encerrada por la curva debe representar el trabajo W ‘realizado por el sistema auxiliar. En el caso general, esa área ilustra el valor de la integral − ∮ 𝑌𝑑𝑋 mientras que para el caso de un gas, debe representar la integral + ∮ 𝑃𝑑𝑉.

122

REFRIGERADOR Un refrigerador es una máquina de calor que funciona a la inversa. Esto es: Absorbe calor de un depósito a temperatura Tc y libera a un depósito a mayor temperatura Th. Para lograr esto, debe hacerse un trabajo W sobre el sistema. La experiencia muestra que esto es imposible hacerlo con W=0. Se define la eficiencia de un refrigerador como: (Jalfaro, 2015) 𝒏=

𝑸𝒄 𝑾

Donde 𝑸𝒄 es el calor extraído del depósito frío y 𝑾 es el trabajo hecho por el refrigerador. Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente.

Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores. En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, expulsado de forma continua el calor que va entrando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorífico, éste se encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional). (Universidad de Sevilla, 2018) 123

BOMBA DE CALOR Una bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador, salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. Para esto el, circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del refrigerador. El compresor envía el fluido a alta presión a un condensador en el interior de la habitación, donde libera calor por estar a más temperatura que el ambiente. pasa entonces por la válvula hacia el exterior, donde se evapora y cae por debajo de la temperatura exterior, absorbiendo calor en el evaporador. Vuelve entonces al compresor, reiniciando el ciclo. (Espineira, 2019)

A. PARTES DE LA BOMBA DE CALOR: 

COMPRESOR: cuyo trabajo permite el desarrollo del proceso ya que, al reducir el volumen del gas, facilita el escape de calor al aumentar su temperatura por encima de la del medio a calentar. Para este trabajo requiere normalmente energía eléctrica o energía química (gas natural) para transformarse en energía mecánica.



CONDENSADOR: intercambiador de calor situado siempre a la salida del compresor y a través del cual el fluido refrigerante en forma de vapor cede energía al agua del depósito por estar térmicamente más caliente que esta. A medida que va cediendo la energía condensa y vuelve a estado líquido.



VÁLVULA DE EXPANSIÓN: componente del circuito por el que pasa el fluido refrigerante y que, por medio de su cambio de sección, supone una reducción brusca de la presión al descender esta se produce un descenso de la temperatura de evaporación. La principal función es, evitar que llegue liquido al compresor, ya que cuando esto sucede el compresor se destruye instantáneamente.



EVAPORADOR: otro intercambiador de calor situado a la salida de la válvula de expansión, que a través de su superficie ampliada por un sistema de aletas y gracias a haber descendido su temperatura de evaporación por debajo de la temperatura exterior del aire, permite el intercambio entre el fluido refrigerante y el aire exterior.

124

“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMODINÁMICA

Artículo Científico “SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y ENTROPÍA” RESUMEN La segunda ley de la termodinámica trata de la transferencia de energía entre un sistema y su entorno de tal forma que en un proceso típico se cede calor al sistema y este realiza un trabajo. Se puede decir que, en otras palabras, se realiza una conversión en el que la energía llega en forma de calor y sale en forma de trabajo. En esta ley surgen cálculos de sus micro estados de esta ley, mismos que son analizados previamente después de ser calculados y así determinar una conclusión. En el presente trabajo se inscribe dentro de un campo de investigación en el que se contribuya a un mejor entendimiento de la segunda ley de la termodinámica, sus variables, formulas etc. Y también de la entropía con las mismas variables pertenecientes a la misma. Palabras clave: Entropía, ley de la Termodinámica, trabajo, transferencia de energía, estados.

qué, si ponemos un objeto caliente junto

INTRODUCCIÓN

a uno frío, el frío se calienta y el caliente

El origen la entropía es una magnitud de

se enfría. Existe la posibilidad de que

la termodinámica como la temperatura,

ocurra al revés (que el objeto caliente se

la densidad, la masa o el volumen. Se

caliente aún más y el frío se enfríe aún

representa mediante la letra S y sirve

más),

para explicar por qué algunos procesos físicos

suceden de

pero

tan

nimia

que

sencillamente nunca ocurre porque la

una determinada

energía tiende a expandirse.

manera midiendo el grado de desorden de un sistema a nivel molecular. Es una

Observa que esta segunda ley no dice

medida que calcula la probabilidad de

que no sea posible la extracción de calor

que ocurran cambios en el sistema en

de un foco frío a otro más caliente.

función de la probabilidad de su micro

Simplemente dice que dicho proceso

estado. Aplicado a un sistema dinámico,

nunca será espontáneo. El segundo

la entropía es la medida que explica por 125

principio de la termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia

posible

los

motores

Figura 1: Diagrama Ts del ciclo de Rankine.

térmicos. [1] Entropía: La segunda ley de la termodinámica ¿Qué es la Entropía en la Segunda

La segunda ley de termodinámica

Ley de la Termodinámica?

describe los cambios a la entropía (o

Una consecuencia de la segunda ley de la

desorden) en un sistema. La ley surges de

termodinámica es

observaciones empíricas del aumento en

la propiedad física de la materia, que se

el desorden y la conclusión de que los

conoce como Entropía (S). El cambio en

procesos tienen una dirección. Por

esta propiedad se utiliza para determinar

ejemplo, las hojas se mueven de un

la dirección en la que procederá un

estado de orden (adheridas de manera

proceso determinado.

nítida al árbol) a un estado de desorden

desarrollo

(tiradas por todo el suelo). Muchos

La entropía cuantifica la energía de una

hemos visto las hojas caer, pero ninguno

sustancia que ya no está disponible para

ha visto que las hojas caídas se adhieran

realizar un trabajo útil. Esto se relaciona

nuevamente al árbol. [3]

con la segunda ley, ya que la segunda ley el

calor

De igual modo, el calor fluye de una

ciclo

puede

temperatura mayor a una menor. Por

transformarse en una cantidad igual de

ejemplo, una taza caliente de té de

trabajo, debe producirse un cierto

hierbas se enfría cuando se deja sola en

rechazo de calor. [2]

una casa a temperatura ambiente pues el

predice

que

proporcionado

no a

todo un

calor del té fluye al espacio que le rodea. El té se enfría mientras que el espacio en la casa se calienta levemente. 126

La segunda ley de termodinámica se

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

manifiesta como ineficiencias, pérdidas y

flujos

desechos

durante

[1] Pérez, G., García, M., & López, K.

(2020).

conversión de energía, tales como el

Segunda ley

de la

termodinámica y entropía.

desecho de calor, combustible perdido o [2] Barragán, D. (2009). Producción de

la operación subóptima de los sistemas.

entropía.

Las ineficiencias son problemáticas, pero a la vez una excelente oportunidad

[3] Lawrence, L. (2019). Entropía: la

para el sistema de energía global. [4]

segunda

ley

termodinámica.

CONCLUSIONES

[4] Connor, N. (26 de Setiembre de La segunda

ley

2019). ¿Qués es la entropía y la

termodinámica sostiene que todos los

segunda

procesos que ocurren en el universo se

termodinámica?

realizan de manera que siempre aumenta el desorden, y por tanto la entropía, a nivel global, aunque no necesariamente a nivel local, esto es en un espacio pequeño y/o un intervalo de tiempo pequeño.

Además,

cualquier

sistema

entropía

aislado

nunca

disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas

termodinámicos

ley

que

interactúan. Finalmente recalcamos que la entropía y la segunda ley de la termodinámica se relaciona, ya que la segunda ley predice que debe producirse cierto rechazo de calor en ciclo cerrado.

127

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Barragán, D. (2009). Producción de entropía. www.scielo.org.co. Recuperado de: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S012056092009000200014 Connor, N. (26 de Setiembre de 2019). ¿Qués es la entropía y la segunda ley de la termodinámica?

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https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-entropia-y-la-segunda-ley-dela-termodinamica-definicion/ Espineira, P. (2019). Bomba de calor, funcionamiento e implantación para calefacción y ACS.

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Carnot.

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corte/conceptos/termodinamica/leyes-de-la-termodinamica/

128

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astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html Pérez, G., García, M., & López, K. (2020). Segunda ley de la termodinámica y entropía. repository.uaeh.edu.mx.

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de:

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Refrigeradores_y_bombas_de_calor

129

Clase 17 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=cdUge74ZlOU “Ciclo de Refrigeración”

Clase 17 Clase 17 Material audiovisual: https://www.youtube.com/watch?v=cdUge74ZlOU “Ciclo de Refrigeración”

130

27/04/22 27/04/22

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO)

CICLO DE REFRIGERACIÓN La refrigeración es mantener una sustancia o un cuerpo por debajo de la temperatura ambiente, poniéndola en contacto de forma directa o indirecta con otra que se encuentre por debajo de la temperatura a la que deseamos mantener la sustancia. (Castillo & Puente, 2014) El ciclo básico de refrigeración consta de 4 puntos que son: evaporación, compresión, condensación, control y expansión a continuación se presentarán breve resumen de cada uno de los puntos anteriores: 

EVAPORACIÓN En la etapa de evaporación el refrigerante absorbe el calor del especio que lo rodea y en consecuencia lo enfría. Esta etapa tiene lugar en un componente denominado evaporador, el cual es llamado así debido a que en el refrigerante se evapora cambia de líquido a vapor. (Renedo, 2002)



COMPRESIÓN Después de evaporarse el refrigerante sale el evaporador en forma de vapor a baja presión, pasa al compresor en donde se comprime incrementando su presión (este aumento de presión es necesario para que el gas refrigerante cambie fácilmente a líquido y lo bombea asía la etapa de condensación).



CONDENSACIÓN La etapa de condensación del ciclo se realiza en una unidad llamada “condensador” que se encuentra localizado en el exterior del espacio refrigerado. Aquí el gas refrigerante a alta presión y alta temperatura, rechaza calor asía el medio ambiente (es enfriado por una corriente de agua o de aire), cambiando de gas a líquido frío ya una alta presión.



CONTROL Y EXPANSIÓN Esta etapa es desarrollada por un mecanismo de control de flujo, este dispositivo retiene el flujo y expansión al refrigerante para facilitar su evaporación posterior. Después de que el refrigerante deja el control del flujo se dirige al evaporador para absorber calor y comenzar un nuevo flujo. (Baena, 2015) 131

Figura 1: Diagrama de un ciclo básico de refrigeración

Fuente: (Villamil & Piamba, 2005)

REFRIGERANTE Un refrigerante es un producto químico líquido o gas, fácilmente licuable, que se utiliza para servir de medio transmisor de calor entre otros dos en una máquina térmica, y concretamente en aparatos de refrigeración. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire. (Torres, 2011)

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CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN

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“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS ibra fuerza x pie (tambi se usa con frecuencia la unidad “Btu”TERMODINA

TERMODINÁMICA

Artículo Científico

“UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

“SISTEMAS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS DE REFRIGERACIÓN DE USO DOMÉSTICO”

TERMODINÁMICA RESUMEN La refrigeración es mantener una sustancia o un cuerpo por debajo de la temperatura ambiente, poniéndola en contacto de forma directa o indirecta con otra que se encuentre por debajo de la temperatura a la que deseamos mantener la sustancia. En las primicias de los sistemas de refrigeración mecánica, los equipos para producirla ocupaban grandes espacios, eran costosos, de alto consumo energético, de baja eficiencia y necesitaban servicio técnico continuo por lo que su aplicación se veía limitada solamente para industrias para las cuales la refrigeración era imprescindible, tales como plantas productoras de hielo, empacadoras de cárnicos, etc. En la actualidad debido al avance tecnológico que ha desarrollado la humanidad, la refrigeración ha sido beneficiada, convirtiéndose en sistemas más eficientes de menor volumen y costo por lo que su campo de aplicación se ha extendido considerablemente. Palabras clave: Refrigeración, sistemas, energético, temperatura, tecnológico

conocen

INTRODUCCIÓN

diversos

sistemas

Día a día en medio de muchos de

refrigeración.

nuestros procesos productivos se puede

1.1. Sistemas de Refrigeración:

observar la necesidad creciente de

a. Refrigeración comercial:

generar operaciones cada vez menos

Abarca

nocivas con el medio ambiente. En el

todo lo que

concierne a

instalaciones frigoríficas para locales

caso de la Refrigeración, es importante

comerciales como hoteles, restaurantes,

para muchos campos, una de ellas es la

supermercados que se dedican a la venta

industria. En base a ello, y gracias al

avance tecnológico, hoy en día se

almacenamiento

perecibles.

135

productos

b. Refrigeración industrial:

1.2. Termodinámica De Los Sistemas De Refrigeración:

Como su nombre lo indica estos sistemas de refrigeración son utilizados en

Los

procesos de manufactura, se distinguen

refrigeración:

por ser de tamaño considerable y

ciclos

termodinámicos

a. Ciclo invertido de Carnot:

requieren asistencia técnica permanente. Es un ciclo totalmente reversible que se c. Conservación de alimentos:

compone de dos procesos isotérmicos

Es la aplicación más importante que se le

reversible y de los procesos isentrópicos,

da a la refrigeración, por el incremento

opera

de la población y su requerimiento de

manecillas del reloj. Las condiciones de

a7imento. En la mayoría de casos estos

funcionamiento hacen que este ciclo no

alimentos son producidos y procesados

sea aplicable en la realidad, ya que

en zonas alejadas de la ciudad, por lo que

presenta inconvenientes en los procesos

es necesario conservar las características

de compresión y expansión debido a la

de los productos durante su traslado,

presencia de humedad en estas fases. En

distribución y venta.

el caso del proceso 2-3, necesita un

en sentido contrario a

las

compresor que maneja dos fases y en el

d. Refrigeración doméstica:

proceso 4-1; la presencia de pequeñas Comprende lo referente a refrigeradores

gotas

y congeladores de baja potencia que

perjudiciales

varían entre l20 y 12 hp y son de tipo

modificaciones

sellado hermético. Es la aplicación de la

problemas dan como resultado el ciclo de

refrigeración más conocida y representa

refrigeración por compresión de vapor.

un gran porcentaje de la refrigeración

El ciclo invertido de Carnot sirve como

industrial. El presente capítulo describe

estándar contra el cual se compara los

ciclos reales de refrigeración. [2]

mecánica

los

sistemas

refrigeración de uso doméstico desde su principio

termodinámico,

funcionamiento,

líquidas en

tiene la para

dos

efectos

turbina.

Las

evitar

estos

b. Ciclo de compresión de vapor:

ciclo

características

Su principal característica es utilizar un

propiedades que deben tener los fluidos

dispositivo de expansión (válvula de

refrigerantes para esta aplicación. [1]

expansión o tubo capilar). Funciona en cuatro etapas: compresión, rechazo de 136

calor, estrangulamiento en el dispositivo

forma de calor entre dos o más focos,

de expansión y absorción de calor.

conforme se requiera. Ya que los

Existen dos clases: el ciclo ideal que

refrigeradores funcionan haciendo

considera

el refrigerante que circula por su interior

funcionamiento y el ciclo real que

pase de estado líquido a gaseoso. Este

considera las irreversibilidades que

proceso, conocido como “evaporación”,

suceden en cada componente. [3]

enfría el área circundante y produce el

condiciones

ideales

que

efecto deseado. Es decir, la generación

c. Ciclo de refrigeración de gas

del

(ciclo invertido Brayton):

frío

los

sistemas

de refrigeración ocurre exactamente por Como los ciclos anteriores, funciona en

el denominado “cambio de estado de ese

4 etapas; que son: compresión de gas,

fluido refrigerante”. Finalmente, en la

rechazo de calor, expansión de una

industria de fabricación de equipos de

turbina y absorción de calor. Este ciclo

refrigeración de uso doméstico, el ciclo

se aplica en las instalaciones de aire

que más se utiliza para el diseño de estos

acondicionado de los aviones.

equipos; es el ciclo real de compresión de vapor, por lo eficiente, por la facilidad

d. Ciclo de refrigeración por

de funcionamiento y lo rentable que

absorción:

resulta su ensamblaje. Funciona mediante la absorción de un refrigerante por un medio de transporte,

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

su funcionamiento es parecidos al ciclo

[1] Castillo, B., & Puente, F. (2014). Estudio

compresión de

vapor, con la

Termodinámico de un sistema de

diferencia que el compresor es sustituido

refrigeración.

por un mecanismo de absorción. [4]

[2] Sánchez, L. (2019). Evaluación de los ciclo de refrigeración.

CONCLUSIONES

[3] Aramburu, A. (2017). Estudio de un

Los denominados sistemas frigoríficos o

sistema de refrigeración.

de refrigeración, corresponden a arreglos mecánicos

que

utilizan

las

propiedades termodinámicas de

[4] Tulcán, P. (2015). Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración.

materia para trasladar energía térmica en

137

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Aramburu, A. (2017). Estudio de un sistema de refrigeración. pirhua.udep.edu.pe. Recuperado

de:

https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/2991/IME_219.pdf?sequence =1&isAllowed=y Castillo, B., & Puente, F. (2014). Estudio Termodinámico de un sistema de refrigeración. dspace.ups.edu.ec.

Recuperado

de:

https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/6223/1/UPS-CT002826.pdf Sánchez, L. (2019). Evaluación de los ciclo de refrigeración. repository.uamerica.edu.co. Recuperado

de:

https://repository.uamerica.edu.co/bitstream/20.500.11839/7405/1/61412642019-1-IQ.pdf Tulcán, P. (2015). Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración. www.redalyc.org. Recuperado de: https://www.redalyc.org/pdf/2311/231117496005.pdf Baena, C. (12 de Agosto de 2015). Ciclo de refrigeración termodinámico. Recuperado de Academia : https://www.academia.edu/6523000/CICLO_TERMODINAMICO_DE_REFRI GERACION Castillo, B., & Puente, F. (2014). Estudio termodinamico de un sistema de refrigeracion. Ecuador: Universidad Politecnica Salesiana . Recuperado de https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/6223/1/UPS-CT002826.pdf Renedo, C. (2002). Ciclos de Refrigeración. Universidad de Cantabria . Recuperado de https://personales.unican.es/renedoc/Trasparencias%20WEB/Trasp%20Termo% 20y%20MF/00%20GRADOS/TD%2006.pdf Torres, R. (2011). Investigacion de la unidad 1: Principios de Refrigeracion. Recuperado de https://temariosformativosprofesionales.files.wordpress.com/2015/02/ Villamil, H., & Piamba, O. (2005). Estudio y aplicación de ciclos de refrigeración Refrigerantes alternativos. Cali, Colombia. Recuperado de https://www.redalyc.org/pdf/2311/231117496005.pdf

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PORTAFOLIO DE TERMODINAMICA

Articles inside

Clase 17: “Ciclo de Refrigeracion”

Clase 16: “Segunda ley de la Termodinamica”

Clase 11: “Sustancias Puras”

Clase 10: “Proceso Politropico”

Clase 8: “Ley de los Gases ideales”

Clase 9: “Procesos con Gases ideales”

Clase 2: “Presion y densidad”

Clase 4: “Trabajo y Ley Cero de la Termodinamica”

Clase 5: “Sistemas y procesos termodinamicos”

Clase 3: “Energia-calor”

Clase 7: “Primera Ley de la Termodinamica”

Clase 1: “La Termodinamica y sus leyes”