Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Anergía

Fracción de la energía que no puede convertirse en trabajo mecánico.

Calor

Forma de energía que se transfiere por diferencia de temperatura (si la frontera no es adiabática). El calor introducido en un sistema pasa a ser energía interna (aumenta la actividad molecular). Es positivo si es recibido y negativo si es cedido.

Capacidad Calorífica

Es el cociente entre la energía térmica recibida (o cedida) por un sistema y su variación de temperatura.

Ciclo de Carnot

Ciclo térmico reversible, el de máximo rendimiento posible, compuesto por dos isotermas y dos adiabáticas.

Ciclo Rankine

Ciclo que sigue el agua cuando funciona en una central térmica, con cambio de fase. Formado por dos isoentrópicas y dos isóbaras. Se eleva la presión isoentrópicamente del agua mediante la bomba, se introduce en la caldera donde se añade calor a presión constante hasta obtener vapor recalentado a elevada temperatura. En este punto, se introduce en la turbina donde se expande a entropía constante hasta la presión del condensador. Finalmente, intercambia calor en el condensador a presión constante hasta la temperatura de entrada a la bomba.

Compresión Resistida

Se produce cuando la fuerza exterior es aproximadamente igual a la interior. Los estados intermedios son de equilibrio.

Difusor

Conducción de sección variable en la que el fluido que circula por ella disminuye su velocidad y aumenta su presión.

Energía de un Flujo

Suma de sus energías interna, cinética, de presión y potencial.

Energía Interna

Energía almacenada en un sistema en forma de energía cinética de rotación y traslación de las moléculas, energía cinética de vibración de los átomos de las moléculas y energía de los enlaces químicos de interacción entre las moléculas.

Entalpía

Suma de la energía interna y el producto de la presión por el volumen específico. Es la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

Entropía (s)

Propiedad de estado que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para producir trabajo. Es una magnitud extensiva (si es total) o intensiva (si es específica, s). Se mide en J/(kg · K).

Estado de Remanso

Estado que se obtiene si el fluido es decelerado isoentrópicamente hasta velocidad cero. Es el estado de referencia en la evaluación de propiedades en procesos de derrame.

Exergía

Fracción de la energía que puede convertirse en trabajo mecánico.

Exergía de un Sistema Cerrado

Es el máximo trabajo que podría obtenerse de dicho sistema al llevarlo a las condiciones del medio ambiente, sin que intervenga ningún otro sistema.

Exergía Destruida (Exd)

Es igual al incremento de anergía en un sistema, o lo que es lo mismo, a la anergía generada. Se puede calcular en función de la entropía generada (Sg), multiplicando esta por la temperatura ambiente (Ta): Exd = Sg · Ta.

Fronteras y Sistemas Termodinámicos

Fronteras Adiabáticas

Aquellas que no dejan pasar el calor. Las contrarias son diatermanas.

Fronteras Permeables

Aquellas que permiten el paso de sustancias. Las contrarias son impermeables.

Fronteras Semipermeables

Aquellas que permiten el paso de sustancias hacia un solo lado de la pared.

Sistema Abierto

Aquel en el que su masa fluye a través de un volumen, denominado volumen de control. El estado de equilibrio se alcanza cuando las propiedades en cada sección tienen el mismo valor a lo largo del tiempo.

Sistema Aislado

Aquel que no intercambia con el entorno ni materia ni energía. Sus paredes son rígidas, adiabáticas e impermeables.

Sistema Cerrado

Aquel que no intercambia materia con el entorno.

Sistema Simple

Macroscópicamente homogéneo, isotrópico, sin carga eléctrica, químicamente inerte, no está sometido a campos eléctricos, magnéticos o gravitatorios.

Irreversibilidad y Procesos

Irreversibilidad Externa

Asociada al trabajo de rozamiento mecánico (Wm).

Irreversibilidad Interna

Asociada al trabajo de rozamiento interno (Wr).

Proceso de Derrame

Proceso termodinámico estacionario en sistema abierto en el que el trabajo técnico es nulo (conducciones, intercambiadores de calor, toberas, difusores).

Proceso de Trabajo

Proceso termodinámico estacionario en sistema abierto en el que el trabajo técnico no es nulo (turbinas, bombas, compresores).

Proceso Irreversible

Aquel en el que se produce una destrucción de exergía, transformándose en anergía. La exergía destruida va a parar en forma de calor al medio ambiente.

Proceso Reversible

Aquel en el que son cero tanto el trabajo de rozamiento interno como el trabajo de rozamiento mecánico. Para que una transformación termodinámica sea reversible basta con que sea cero el trabajo de rozamiento interno.

Procesos Equivalentes

Dos procesos para la misma transformación termodinámica son equivalentes cuando generan la misma anergía, es decir, tienen el mismo grado de irreversibilidad.

Transformación Isócora

Aquella que mantiene el volumen constante. Se calienta o se enfría con límites inelásticos.

Transformación Termodinámica

Sucesión de estados por los que pasa un sistema cuando se le somete a un cambio (ej.: calentar agua y enfriarlo). Es preciso que se produzca un intercambio de energía con el medio exterior.

Máquinas y Rendimiento

Motor Térmico

Máquina térmica que transforma calor en trabajo. Un fluido realiza un ciclo recibiendo calor de un foco a elevada temperatura, extrayendo un trabajo de ese calor y cediendo calor a un foco a menor temperatura (normalmente la temperatura ambiente). Si es reversible, separa la exergía de la anergía si la temperatura del foco frío es la del medio ambiente.

Motor Térmico Reversible

(Definición de Motor Térmico +). Para que un motor sea reversible ha de tener reversibilidad interna (Wr = 0), externa (Wm = 0) y térmica (Exd = 0). Requiere aportes y cesiones de calor a través de isotermas y el paso de una isoterma a otra debe ser a través de una adiabática (Ciclo de Carnot).

Rendimiento Exergético

Cociente entre la exergía contenida en la utilidad deseada del equipo analizado y la exergía empleada para conseguirlo.

Rendimiento Térmico

Cociente entre el trabajo obtenido en el ciclo y el calor aplicado al mismo.

Mejoras de Rendimiento del Ciclo Rankine

• Aumentar la presión de la caldera: Aumenta el trabajo obtenido en la turbina, pero tiene el inconveniente del aumento de la humedad.
• Aumento de la temperatura a la salida de la caldera: Aumenta el trabajo obtenido en la turbina, pero tiene el inconveniente del límite térmico de los materiales, del orden de 600 ºC.
• Disminuir la temperatura en la salida de la turbina: Aumenta el trabajo obtenido en la turbina, pero no debemos rebajarla en exceso para evitar la cavitación que podría dañar el equipo.

Propiedades y Puntos Característicos

Propiedades Extensivas

Aquellas que dependen de la masa que se considera (ej. energía interna, entalpía).

Propiedades Intensivas

Aquellas que no dependen de la masa que se considera (ej. presión, temperatura).

Propiedades Específicas

Relativizan las extensivas dividiendo entre la masa (ej. volumen específico, m³/kg).

Punto Crítico

Aquel por encima del cual una sustancia no puede condensar exclusivamente variando su presión. En él coinciden las líneas de saturación de líquido y vapor.

Punto Triple

Punto de un diagrama de fase donde convergen las curvas de fusión, vaporización y sublimación.

Título (x)

Es la fracción de vapor que tiene un sistema bifásico. Es la masa de vapor entre la masa total para ese sistema.

Trabajo y Flujo

Tobera

Conducción de sección variable en la que el fluido que circula por ella aumenta su velocidad y disminuye su presión.

Trabajo

Desde el punto de vista mecánico, es el producto de una fuerza por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza. Un sistema realiza trabajo si se expande o se comprime la frontera del sistema.

Trabajo de Rozamiento (o rozamiento interno, Wr)

Solo produce calentamiento al ser aplicado al sistema. Es siempre aportado al sistema, nunca puede ser extraído.

Trabajo Efectivo (Wef)

Es la diferencia entre el trabajo útil y el trabajo de rozamiento mecánico.

Trabajo Técnico (o trabajo cedido en el eje, Wt)

Es el trabajo que se extrae en el eje de una máquina que es atravesada por un sistema abierto.

Trabajo Útil (Wu)

Es la diferencia entre el trabajo interno y el trabajo atmosférico (debido a la presión atmosférica).

Velocidad del Sonido de un Gas

Una onda sonora es una pequeña perturbación de la presión que se propaga a través del medio y depende de las propiedades de este. La velocidad del sonido de un gas en el medio permite clasificar los flujos a través de la adimensionalización de la velocidad del flujo con la velocidad sónica, mediante el Número de Mach, dividiendo la velocidad del flujo (c) entre la velocidad sónica en ese medio (a).