Clase 7: “Primera Ley de la Termodinamica”

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

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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

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

∆�� = −�� 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

∆�� = �� 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.

∆�� = ��−�� (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.

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.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

TERMO

TERMODINÁMICA

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

INTRODUCCION

Durante la Revolución Industrial, a finales del siglo XVIII, se crearon máquinas capaces de disminuir la presión de vapor y acelerar la evaporación. A inicios del siglo XIX apareció la primera máquina de compresión de vapor mediante la experimentación con algunos fluidos como amoniaco y algunos hidrocarburos. A mediados del siglo XX fue posible la instalación de sistemas de refrigeración doméstica en residencias, los cuales contaban con sustancias refrigerantes tóxicas y corrosivas. Para finales del siglo se trabajó sobre variaciones en las cargas térmicas como: las producidas en los automóviles, las debidas a la hora del día, lo cual terminaría dando como resultado la producción de refrigerantes menos contaminantes y además el diseño de unidades de refrigeración de menor tamaño.

Sistemas de Refrigeración El diseño de los sistemas de refrigeración está basado en la teoría de la

termodinámica, por eso se describe el comportamiento dinámico de 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, y el líquido refrigerante, en el evaporador, cuyas propiedades termodinámicas permiten la absorción de calor del aire.

Sistemas de refrigeración por compresión de vapor El ciclo de refrigeración por compresión de vapor por expansión directa describe el funcionamiento de la mayoría de los sistemas de acondicionamiento de aire.

Los estudios presentan éste como el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. A pesar de ser un estudio teórico, este ciclo es el que mejor representa el proceso empleado en los dispositivos de refrigeración (Cengel & Boles, 2009)

Ciclo ideal por compresión de vapor

Un ciclo ideal por compresión de vapor hace referencia a un ciclo invertido de

Carnot; y en éste se evapora por completo el refrigerante antes de ser comprimido y se sustituye la turbina por un dispositivo de estrangulamiento

(Cengel & Boles, 2009).

Figura 1: Diagrama del sistema de refrigeración por comprensión de vapor

Componentes de un sistema de refrigeración por compresión de vapor

Los componentes básicos de todo sistema de refrigeración por compresión de vapor son: evaporador, compresor, válvula de expansión y condensador, sin embargo, en temas de refrigeración industrial (equipos grandes, no domésticos), aparecen más componentes como sistemas de control, instrumentos de medición (manómetros), tanques recibidores, tanques separadores de líquido, etc.

 Compresor

Un compresor hace circular el refrigerante a través del sistema y aumenta la presión del vapor del refrigerante para crear el diferencial de presión entre el condensador y el evaporador.

 Condensador

El condensador en un sistema de

refrigeración es un intercambiador de calor que rechaza todo el calor del sistema.

Este calor se compone del calor absorbido por el evaporador más el calor producido por la degradación de parte de la energía mecánica entregada al

compresor.

 Válvula de expansión

Las válvulas son los elementos

de control manual o automática

de líquido de un sistema de tuberías. Se construyen para soportar un rango específico de temperatura, presión, corrosión, y tensión mecánica.

 Evaporador de expansión

directa

El evaporador conformado por una serie de tubos dispuestos en un recipiente metálico (carcasa). A este dispositivo llega el refrigerante líquido, parcialmente vaporizado para luego producirse la ebullición, a baja presión, de la parte de fluido que aún queda líquida resultando así, vapor seco saturado.  Recibidor

El recibidor es un depósito de acumulación para el exceso de refrigerante; éste se conduce desde el condensador hacia la

parte superior del receptor, y el refrigerante líquido se entrega a las válvulas de expansión por la toma en la parte inferior.

CONCLUSIONES

Elsistema de control On-Off, que presentan todos los sistemas de refrigeración y aire acondicionado en la industria, es el encargado del controlar la temperatura y humedad (en el caso de aire acondicionado) frente a los diferentes disturbios

que se presenten, como la carga por calor sensible, apertura de puertas, etc. Sin este sistema, los modelos que representen los sistemas de refrigeración por compresión de vapor presentaran distorsiones en sus resultados

tras alejarse de su punto de operación.

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/tema-

ii-primera-ley-de-la-termodinamica.pdf

Pantoja, R. (23 de abril de 2013). Aplicaciones practicas de la primera ley de la termodinamica. Obtenido de slideshare:

https://es.slideshare.net/renatopantojaguerrero/clase-05-aplicaciones-de-la-

primera-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