Taller de termodinámica

1. ¿Qué es la termodinámica?

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

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

2. Que dice la primera ley de la
termodinámica

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

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

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

durante esa transformación ( W ):

U2  U1 = Q 
W

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

3. Que sostiene la segunda ley de la
termodinámica

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

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

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

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

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

Sistema cerrado

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

Sistema abierto

6. La ley cero de la termodinámica que
establece

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

7. A qué llamamos sustancia pura

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

8. Que es un punto crítico

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

9. Que es una máquina térmica

Es una máquina cuyo principio es trabajar con
calor

10. Que es humedad relativa

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

11. Que es un turbo reactor

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

12. Que es un cohete

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

13. Que es la eficiencia
térmica

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

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

Vasos comunicantes

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

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

16. Que es el punto de rocío

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

17. A qué denominamos ecuación de
estado

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

18. Que es energía nuclear

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

19. Que es humedad específica

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

20. Que es la carta
psicométrica

21. Realice el diagrama del
ciclo de Brayton

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

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

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

Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del
vapor de agua

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

23. Realice el diagrama del ciclo de Carnot
inverso

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

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

24. Realice el diagrama de un ciclo de
refrigeración

25. Que es el aire acondicionado

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

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

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

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

27. Realice el diagrama de un ciclo
regenerativo

28. Cuales son los índices de confort

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

29. Cuáles son las principales máquinas
de combustión interna

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

30. Realice el diagrama del ciclo de Otto

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

Autor:

Julián Marcel Castro Arias

Cód: 65011079

Universidad libre de Colombia

Facultad de ingeniería mecánica

Bogotá D.C., 4 de marzo de 2003