Introducción (problemas unidad 4)
En los problemas de la unidad 4 se omitirá el señalar donde encontrar los datos de las tablas para que el lector practique y razone donde es donde deben de estar estos. Para esta unidad el lector ya debe de tener muy buena practica haciéndolo, si esto representa una dificultad se tendrá que regresar a unidades pasadas y repasar sus habilidades haciéndolo.
De nuevo si se tiene alguna duda sobre algún dato o algún razonamiento pueden hacer comentarios y con gusto se responderán sus dudas.
Al igual que los problemas pasados se recomienda que bajen los problemas para que tengan una mejor apreciación de estos.
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lunes, 4 de junio de 2012
Mezclas no reactivas
Una mezcla no reactiva es
aquella que no sufre un cambio en su composición química en ningún momento. La
mas utilizada en el estudio de la termodinámica es la mezcla aire-vapor de
agua. Estas mezclas deben analizarse con otro enfoque ya que el vapor de agua
en el aire esta muy cerca de la condensación.
En termodinámica
analizaremos el aire atmosférico
como una mezcla de aire seco (sin
nada de vapor de agua) y vapor de agua. Esta visualización del aire atmosférico
surge del hecho de que en la atmosfera el aire seco permanece mas o menos
constante pero es la humedad (el vapor de agua en el) la que cambia
constantemente.
A temperaturas entre -10°
y 50°C ambos gases pueden modelarse como un gas ideal y por lo tanto las
propiedades como la presión y entalpia totales de la mezcla pueden
calcularse a partir de la suma de las presiones o entalpias parciales del vapor
de agua y del aire seco.
P = Pa + Pv
H = Ha + Hv
La humedad específica se
entiende como el cociente de la masa de vapor de agua sobre la masa de aire
seco. Las unidades se dejan en Kg v / Kga.
La humedad
relativa es el cociente de cuanta agua hay en el aire y cuanta agua podría
haber. Se expresa en porcentaje y es muy importante para el confort humano ya
que una humedad relativa de 100% significa que el aire no podrá absorber mas
agua por lo que no podremos transpirar y nos sentiremos asfixiados.
La capacidad del aire para absorber agua varía con la
temperatura, cuanto mayor sea una, la otra incrementara. Note que la humedad específica
puede permanecer constante mientras que la humedad relativa varía con la
temperatura.
Cuando la temperatura del
ambiente baja (típicamente en ala noche) también lo hace la capacidad del aire
para absorber agua por lo que llegara un punto en el que la humedad relativa
llegara al 100%. Cualquier disminución de la temperatura hará que el excedente
de vapor de agua comience a condensarse y es por eso que durante la noche se
forma el rocío. Por este fenómeno denominamos esta temperatura como temperatura de rocío.
La temperatura de
saturación adiabática es un concepto que nace de un proceso en el cual se
satura al aire haciéndolo pasar por un canal en el cual esta en contacto con
agua, el aire evaporara agua y la absorberá lo que causara una disminución en
la temperatura (calor latente). Si el canal es suficientemente largo el aire
saldrá completamente saturado y a una temperatura determinada llamada de
saturación adiabática.
La temperatura de bulbo
húmedo nace de otro experimento en el cual un termómetro se envuelve en un
algodón saturado de agua. Se somete a una corriente de aire la cual hará que se
evapore el agua del algodón disminuyendo la temperatura. Al cabo de un rato se
establecerá la temperatura y esta será conocida como la de bulbo húmedo.
La segunda ley de la termodinámica
Afirma que los procesos
corren en una dirección determinada y que la energía tiene calidad y cantidad.
Esta dirección siempre es la de buscar la entropía ya que la energía siempre
fluye de un lugar con mayor energía a uno con menor. Por ejemplo, un objeto
caliente dentro en un ambiente frio siempre perderá calor, nunca lo ganara
aunque esto no viole la primera ley.
Un depósito de energía es aquel que puede almacenar grandes cantidades
de calor sin cambiar su temperatura. Estos depósitos pueden ser fuentes o sumideros y la diferencia entre ellos
es que los primeros otorgan calor mientras que los segundos lo absorben.
Una maquina
térmica es un dispositivo empleado para convertir el calor en trabajo ya
que es muy difícil que esto ocurra de manera natural. Por ejemplo, una turbina
nunca se movería solo con calentar el agua pero este proceso es muy común en
sentido inverso, es decir; una turbina que gira en un depósito de agua
convierte su trabajo en calor.
-Tienen las siguientes características:
-Reciben calor de una fuente a altas temperaturas
-Convierten parte de ese calor en trabajo
-El calor de desecho (que no se ha transformado) es rechazado al sumidero
-Operan en un proceso cíclico.
-Reciben calor de una fuente a altas temperaturas
-Convierten parte de ese calor en trabajo
-El calor de desecho (que no se ha transformado) es rechazado al sumidero
-Operan en un proceso cíclico.
Para poder transportar este
calor a través de la maquina utilizamos un fluido denominado fluido de trabajo.
La
maquina mas conocida que opera de esta manera consta de cuatro elementos:
-Una caldera (Fuente)
-Una turbina (Trabajo de salida)
-Un condensador (Sumidero)
-Una bomba (trabajo necesario para aumentar la presión para la caldera).
Para nuestra visión de economía y eficiencia, el trabajo neto que entrega la planta es
igual al trabajo de salida de la turbina menos el trabajo que debemos invertir
en la bomba el cual también es igual al calor suministrado al sistema.
Wneto = Wsalida - Wentrad = Qentrada - Qsalida
La eficiencia la calculamos del cociente del trabajo neto
sobre el calor total que invertimos.
N = Wneto / Qentrada = 1 - Qsalida / Qentrada
Para generalizar el análisis de todas las maquinas
térmicas establecemos los conceptos de Qh que es la transferencia de
calor entre la maquina y el deposito de alta temperatura y Ql que es
la transferencia entre la maquina y el deposito de baja temperatura.
Un
refrigerador es una maquina de calor que realiza la función de transportar calor
de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura. Estos dispositivos
constan de los siguientes elementos:
Un evaporador que recoge el calor del medio frio (QL)
Un compresor que comprime el fluido y requiere un trabajo (Went)
Un condensador (Saca el calor QH al ambiente)
Una válvula de estrangulamiento para disminuir la temperatura y presión drásticamente.
Un compresor que comprime el fluido y requiere un trabajo (Went)
Un condensador (Saca el calor QH al ambiente)
Una válvula de estrangulamiento para disminuir la temperatura y presión drásticamente.
El
coeficiente de desempeño de un refrigerador esta en función de su objetivo y se
calcula:
COPR
= Ql / Went
Recordemos que Wnet = QH
- QL
Por lo tanto:
COPR = 1 / ((Qh / Q)L -1)
Una
bomba de calor funciona igual que un refrigerador pero su objetivo es el de
entregar calor a un espacio caliente para mantenerlo asi absorbiéndolo de un
espacio frio. Por l otanto su COP cambia.
COPB =
Ql / Went =
1 / (1- (QL / QH))
= 1 + COPR
Un
proceso reversible es un proceso idealizado el cual puede invertirse sin dejar
secuelas ni dentro de el ni fuera de él. O sea que ambos medios vuelven a sus
estados iniciales.
El ciclo
de Carnot es uno reversible que consta de dos procesos isotérmicos y dos
adiabáticos
1-2 Expansión isotérmica
2-3 Expansión adiabática
3-4 Compresión isotérmica
4-1 Compresión Isotérmica
2-3 Expansión adiabática
3-4 Compresión isotérmica
4-1 Compresión Isotérmica
Este
ciclo es reversible para lo cual obtenemos:
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