lunes, 4 de junio de 2012

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.


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.

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.

            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:

COP=  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.

COP= 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

            Este ciclo es reversible para lo cual obtenemos: