1 CAPITULO 4 PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAObjetivos: Aplicar la primera ley a un proceso que comprenda un sistema. Introducir los conceptos de entalpía y calores específicos. Realizar problemas de aplicación con la primera Ley de la Termodinámica. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
2 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani4.1 Introducción América Latina es la parte del mundo que más depende del petróleo. Pero esta fuente de energía se agota en el mundo. El Potencial de energía eólica, geotérmica y de biomasa es enorme en América central y del sur. Cuan importantes serán las energías renovables en el futuro se nota al observar el caso argentino. Debido a las crecientes necesidades de energía en Argentina, las reservas de petróleo y de gas natural en el país no serán suficientes a largo plazo para cubrir la demanda. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
3 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani4.1 Introducción Se estima que hasta el año 2020 el consumo de electricidad aumentará anualmente entre un 3,2 % y un 5,6 %. No solo la energía solar puede ser empleada para generar electricidad sino en colectores solares que calienta el agua para las duchas. Con ello se ahorran unos metros cúbicos de gas natural y se evitan la emisión de toneladas de anhídrido Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
4 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEl Protocolo de Kyoto es un acuerdo internacional asumido en 1997 en el ámbito de Naciones Unidas que trata de frenar el cambio climático. Uno de sus objetivos es contener las emisiones de los gases que aceleran el calentamiento global, y hasta la fecha ha sido ratificado por 163 países. Este acuerdo impone para 39 países que se consideran desarrollados (no afecta a los países en vías de desarrollo como Brasil, India o China) la contención o reducción de sus emisiones de gases de efecto invernadero. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
5 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEs un hecho de que la energía solar conlleva un auge considerable, tanto en las actividades empresariales del sector como en los puestos laborales. Por ello, se torna imprescindible conocer en profundidad las principales formas de generación alternativa como la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica. De allí la importancia de realizar este Postgrado en Energía Solar. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
6 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniSus 37 hectáreas en el término de San Roque generarán 24 gigavatios al año, el consumo de personas · La eléctrica invierte 90 millones de euros en el proyecto, el más grande de toda Andalucía Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
7 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniUn equipo de ingenieros de la Universidad de Zaragoza la energía eólica es técnica y económicamente viable y puede representar el 30% de la energía en España. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
8 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniLa compañía alemana SeeBA acaba de inaugurar la torre eólica más alta del mundo: 160 metros. Instalada en Laasow (Alemania) incluye un aerogenerador de 2,5 MW que añade otros 45 metros de altura hasta los 205 totales. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
9 Energía eólica en el marIng. Carlos Fidel Cruz Mamani
10 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniLa turbina marina mas grande del mundo. Su turbina marina SeaGen entregó electricidad a la red por primera vez. Había sido instalada en abril en el norte de Irlanda, con una potencia de 1,2 megavatios, lo suficiente para proveer de electricidad a mil hogares. Está ubicada es a 400 metros de la costa, en Strangford Lough. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
11 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniAhora instalarán un prototipo de generador que aprovecha la fuerza de las mareas para generar electricidad en el estuario del río Humber, cerca de Grimsby. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
12 Escocia quiere aprovechar la energía del océanoIng. Carlos Fidel Cruz Mamani
13 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniAustralia quiere comenzar a aprovechar la inmensa cantidad de kilómetros de costas que tienen. La empresa Ocean Power Technologies instalará una estación de energía de las olas que se espera produzca 10 megavatios, con una potencial expansión a 100 megavatios. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
14 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEl Departamento de Energía de Estados Unidos anunció un concurso que estará abierto para empresas, universidades y centros de investigación, la idea es que presenten proyectos que avancen en el desarrollo de tecnologías que aprovechan la energía de las olas, mareas, corrientes marinas o cualquier otro recurso energético relacionado con el agua (mar y ríos). Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
15 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEnergía geotérmica Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
16 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani¿Qué es la biomasa? La biomasa es el nombre dado a cualquier materia orgánica de origen reciente que haya derivado de animales y vegetales como resultado del proceso de conversión fotosintético. La energía de la biomasa deriva del material de vegetal y animal, tal como madera de bosques, residuos de procesos agrícolas y forestales, y de la basura industrial, humana o animales. CO2 + 2H2O ([CH2O] + H2O) + O2 Fotosíntesis Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
17 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniLa biomasa ha sido la energía más importante durante el 99% de la historia de la humanidad. Incluso hoy en día constituye una parte importante del consumo mundial de energía. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
18 Aplicaciones de la BiomasaLa producción de biocombustibles tales como el etanol y el biodiesel tiene el potencial de sustituir cantidades significativas de combustibles fósiles en varias aplicaciones de transporte. El uso extenso del etanol en Brasil ha demostrado que los biocombustibles son técnicamente factibles en gran escala. La producción de biocombustibles en los EE.UU. y Europa (etanol y biodiesel ) está aumentando, siendo la mayoría de los productos utilizados en combustible mezcla, por ejemplo E20 está compuesto por 20% de etanol y 80% de gasolina y se ha descubierto que es eficaz en la mayoría de los motores de ignición sin ninguna modificación. Actualmente la producción de biocombustibles es apoyada con incentivos del gobierno, pero en el futuro, con el crecimiento de los sembrados dedicados a la bioenergía, y las economías de la escala, las reducciones de costos pueden hacer competitivos a los biocombustibles . Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
19 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEl término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en movimiento. Este principio o ley de la conservación de la energía expresa lo siguiente: “La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma” Mas modernamente se enuncia como primer principio de la termodinámica al siguiente postulado: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
20 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani“El trabajo que un sistema intercambia con el medio en una transformación adiabática, depende del estado inicial del que parte y del estado final a que llega; con independencia de los estados intermedios por los que el sistema pasa”. La afirmación anterior es consecuencia de la evidencia experimental iniciada con los experimentos de Joule a principios del siglo XIX. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
21 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEn la figura- 1. mostramos una Bomba de calor que recibe energía a partir de un motocompresor. W Q Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
22 4.2 Ecuación de energía de sistemas cerrados sin flujoUn sistema es cerrado y sin flujo cuando está contenido en un recinto cerrado por paredes de modo que no existe intercambio de masa con el exterior. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
23 4.2 Ecuación de energía de sistemas cerrados sin flujoSi suponemos ahora que el sistema cerrado que consideramos, a descrito un ciclo. Es decir que el estado final coincide con el inicial será U2=U1 y la ecuación se reduce a: Q=W La anterior ecuación será en consecuencia la expresión matemática del primer principio para el caso de un sistema cerrado que describe un ciclo termodinámico. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
24 4.3 Propiedades de la energía internaYa hemos descrito la energía interna como una consecuencia del estado molecular de un sistema dado de un fluido. Ahora bien aceptada la primera ley, demostraremos que como una consecuencia de ella existe la energía interna y es una propiedad. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
25 4.3 Propiedades de la energía interna- La disminución de energía interna de un sistema cerrado mide el trabajo en una transformación adiabática del mismo. W1-2= U1-U2 - En un proceso a volumen constante de un sistema cerrado, que sólo puede intercambiar trabajo con el medio por variación de volumen, el calor intercambiado es igual a la variación de la energía interna del sistema. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
26 4.4 Ecuación de energía de un sistema con flujo estacionarioSe llama flujo estacionario cuando no hay variación de masa y la energía total en el sistema es constante. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
27 4.4 Ecuación de energía de un sistema con flujo estacionarioGeneralmente ΔEp es despreciable y ΔEc en algunos casos es despreciable. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
28 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani4.5 Entalpía La entalpía es una propiedad termodinámica compuesta de energía interna y energía de flujo, y tiene unidades de energía y se designa por la letra “H” entalpía [kJ] Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
29 4.6 Energía de flujo o corrientePara introducir o sacar una cierta cantidad de fluido en un sistema de referencia es necesaria una cierta cantidad de energía (Pdv), que se denomina energía de flujo o corriente, llamado también trabajo de flujo o corriente, debido a que es necesario un trabajo para introducir o sacar un fluido en el sistema de referencia. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
30 4.7 Propiedades de la entalpíaSi consideramos un sistema circulante en el que el fluido no varia su energía potencial ni su energía cinética tendremos: Y si el proceso es adiabático, Q=0. Entonces como consecuencia será: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
31 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani4.8 Reversibilidad Los fenómenos y procesos son reversibles cuando ocurre exactamente igual pero en sentido contrario. Por ejemplo si una canica de vidrio al rebotar alcanzara la misma distancia antes del rebote, entonces tendríamos un fenómeno reversible, pero en realidad no se alcanza la misma altura de donde se dejó caer la canica y por lo tanto es un fenómeno no reversible. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
32 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani4.8 Reversibilidad Un proceso es reversible si partimos de un punto de estado a otro y de este vuelve al punto de estado inicial. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
33 Los procesos reales y fenómenos reales son siempre irreversiblesPor ejemplo si tenemos un sistema cerrado sin flujo donde inicialmente el sistema gas está comprimido en un cilindro mediante un pistón acoplado mediante una biela a un volante. Si dejamos libre el pistón este se desplazará y se producirá trabajo que nos entrega el sistema. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
34 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniEsta energía se acumula en el volante físico como energía cinética, que luego de una vuelta devuelve al sistema la energía en forma de trabajo comprimiéndola, pero el pistón no alcanza el punto de partida inicial sino un punto 1´ debido a las pérdidas que se produce. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
35 4.8.1 Irreversibilidad internaSe denomina irreversibilidad interna cuando las pérdidas se producen en el interior del sistema. Así por ejemplo la irreversibilidad interna del sistema fluido de la figura anterior, se debe a las pérdidas por rozamiento o choques de las moléculas del fluido entre sí como también con pared interior del cilindro y cara del pistón. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
36 4.8.2 Irreversibilidad externaExiste irreversibilidad externa cuando las pérdidas se producen fuera del sistema considerado por ejemplo si el sistema considerado es la figura anterior, las pérdidas se producen en el sistema máquina ( pérdidas por rozamiento en los puntos A, B, C y D) Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
37 4.9 Calor específico o capacidad calorífica.El calor específico de una sustancia es la variación de calor que experimenta cierta cantidad de su masa al variar su temperatura. El calor específico determinado experimentalmente tiene valores para diferentes sustancias. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
38 4.9 Calor específico o capacidad calorífica.Para los sólidos y líquidos se habla de un calor específico, pero para los gases se reconoce dos calores específicos, uno a volumen constante y otro a presión constante. La variación que experimenta una determinada sustancia conociendo su masa está dado por la expresión: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
39 4.9.1 Calor específico a volumen constante cvPara determinar el calor específico a volumen constante de un gas, consideramos este gas contenido en un recipiente de paredes rígidas de modo que no varíe su volumen, en estas condiciones comunicamos calor al gas dicho calor se traducirá en un incremento de la energía interna del gas. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
40 4.9.2 Calor específico a presión constante cpEl calor específico a presión constante de un gas se puede determinar si a este gas lo encerramos en un cilindro mediante un pistón y en estas condiciones le comunicamos calor a presión constante ya que al desplazarse el pistón se mantiene la presión constante. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
41 4.9.3 Relación de calores específicos de gases idealesUna relación especial entre cv y cp para gases ideales se obtiene al derivar la relación: h=u+RT, lo cual produce. Si se reemplaza dh por cpdT y du por cvdT, y se divide la expresión resultante entre dT, se obtiene. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
42 4.9.3 Relación de calores específicos de gases idealesEn este punto se introduce otra propiedad del gas ideal conocida como relación de calores específicos k, definida como: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
43 4.9.4 Calor específico variableEl calor específico varia en función de presiones y temperaturas. El calor específico a presión constante variará exclusivamente en función de la temperatura de acuerdo a la siguiente ecuación empírica. Donde los coeficientes α, β, γ, y los exponentes a y b se encuentran en tablas para los diferentes gases Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
44 Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani4.10 Entropía La entropía es una propiedad termodinámica que se expresa siempre como un cambio o variación. El cambio de entropía de una sustancia es la variación de calor que experimenta dicha sustancia en una determinada temperatura, es decir: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
45 4.11. Conservación de la masaIng. Carlos Fidel Cruz Mamani
46 4.11. Conservación de la masaCuando se aplique la ecuación de energía a volúmenes de control, con frecuencia es necesario aplicar el principio de conservación de masa cuando se mueve por un volumen en el espacio. Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani
47 Ing. Carlos Fidel Cruz MamaniLa paciencia crea confianza, decisión y una visión objetiva, lo cual eventualmente lleva al éxito Brian Adams G R A C I A S Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani