domingo, 20 de marzo de 2011

curso: Termodinamica

La Termodinámica Aplicada o Termotecnia, es la ciencia de la Ingeniería que está relacionada con el estudio de sistemas termodinámicos reales bajo la óptica de la transmisiòn física del calor.

La visión que se desea desarrollar es sistémica, con esto se quiere decir que los estudiantes vayan adquiriendo la habilidad de ver sistemas reales y analizarlos desde el punto de vista global. Por ejemplo si analizamos un automóvil, verlo no solo como un conjunto de partes y piezas, sino también entender las relaciones funcionales entre ellas para comprender su operación.

Trataremos que al desarrollar esta habilidad se vaya aplicando a sistemas cada vez más generales. Así, del estudio de sistemas muy simples, pasaremos al estudio de sistemas cada vez más complejos.

Todo no pasaría de ser un ejercicio académico interesante si nos limitáramos a esos aspectos. Sin embargo veremos que algunos conceptos claves que se explican en el curso están íntimamente ligados al problema del desarrollo. En las diferentes sesiones trataremos de explicar los conceptos tèòricos para comprender las relaciones existentes entre energía y desarrollo; energía y medio ambiente; energia, desarrollo y medio ambiente.





UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA,AERONÁUTICA, AUTOMOTRIZ Y SOFTWARE

SÍLABO
I. GENERALIDADES

1.1. Denominación de la asignatura : Termodinámica
1.2. Código : TE10
1.3. Aplicado en el Periodo : 2010-I
1.4. Autor : FIMAAS
1.5. Ciclo : Quinto
1.6. Créditos : 3
1.7. Total de horas semanales : 4
1.8. Horas de teoría : 34
1.9. Horas de práctica/laboratorio : 34
1.10. Tipo de evaluación : D


II. SUMILLA

El desarrollo del curso proporciona conocimientos referentes a las propiedades termodinámicas, el comportamiento de los gases ideales, reales y mezclas gaseosas a diferentes condiciones de presión y temperatura; la transferencia de calor y el desarrollo del trabajo en los diferentes sistemas termodinámicos. Se describe la primera, segunda y tercera ley de la termodinámica, así como, su aplicación dentro de los procesos industriales relacionados con la transferencia de calor.

Apoyándose en las leyes de la termodinámica, se estudia teóricamente los principales ciclos de las máquinas térmicas así como sus aplicaciones en la generación de energía.


III. OBJETIVOS

3.1 Objetivos generales

3.1.1 Estudiar las propiedades más generales de los sistemas macroscópicos que se encuentran en un estado de equilibrio termodinámico, y a cerca de los procesos de tránsito entre estos estados.
3.1.2 Proporcionar al alumno teoría suficiente para el análisis del comportamiento de las sustancias puras, mezcla de gases; procesos y ciclos de transformación de la energía.

3.2 Objetivos específicos

3.2.1 Conocer los fundamentos termodinámicos básicos, las propiedades del estado de una sustancia, de los gases ideales y de la mezcla de gases.
3.2.2 Conocer, comprender, analizar y aplicar los principios teóricos de los ciclos termodinámicos.
3.2.3 Lograr que el estudiante desarrolle criterios de análisis de los principios termodinámicos, para la solución de problemas y aplicarlos de manera correcta durante sus actividades profesionales de ingeniero.

IV. METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA – APRENDIZAJE

El desarrollo de cada sesión de aprendizaje se realizará con el método de enseñanza socializada (aula – laboratorio y redescubrimiento) con la finalidad de afianzar los conocimientos adquiridos. Las técnicas a emplearse serán: expositivas, dialogadas, interrogativas y participativas.

En las clases teóricas se desarrollará el fundamento teórico de los temas considerados en el contenido temático y que se complementará con la resolución de ejercicios.
Las clases prácticas consistirán en el desarrollo de ejercicios y problemas tipo con el objeto de complementar el aprendizaje del alumno.
Se fomentará entre los estudiantes el trabajo de problemas con la finalidad de desarrollar la capacidad de análisis de la información, análisis situacional del problema y análisis de resultados.

V. EVALUACIÓN DE APRENDIZAJE

Durante el semestre académico el alumno rendirá 8 prácticas calificadas, 4 antes del examen parcial y 4 antes del examen final.
El promedio final se obtiene hallando el promedio de las 7 notas más altas.

VI. CONTENIDOS TEMÁTICOS POR SESIÓN

SEMANA 1.HORAS: 04. TEMA : SISTEMAS TERMODINAMICOS
INTRODUCCIÓN
Sistema termodinámico y volumen de control. Sustancia, propiedades. Estado, proceso, clases, ciclo. Superficies termodinámicas.

SEMANA 2. HORAS: 02 (T) I. SUSTANCIA PURA
Estados de una sustancia pura. Curva de presión y vapor de una sustancia pura. Diagramas P – v, T – v y T – P. Calidad y humedad de una mezcla. Tabla de propiedades termodinámicas. Comportamiento de la sustancia pura como gas ideal. Ecuaciones de estado. Entropía y Entalpía de una sustancia pura.
HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios

SEMANA 3. HORAS: 02 (T) II. CALOR Y TRABAJO
Definiciones de calor, trabajo y otras formas de energía. Energía almacenada y energía en tránsito. Trabajo al límite móvil de una masa de control en el plano P – v. Análisis de procesos termodinámicos y otras formas de trabajo.
HORAS:02 (P) Práctica Calificada Nº1

SEMANA 04.HORAS:02 (T) III. PROCESOS CON GASES IDEALES Y GASES REALES
Factor de compresibilidad. Procesos con gases ideales. Proceso politrópico, casos. Diagramas P – v, P – T y T – v. Análisis y modelos de comportamiento de gases reales. Energía interna de un gas ideal. Entropía y entalpía de gases ideales. Diagramas T – s.
HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA: 05. HORAS:02 (T) IV. LEYES PRINCIPALES DE LA TERMODINÁMICA
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA, aplicada a un ciclo; para un proceso en un sistema, para un volumen de control. Proceso de flujo estable, de estado uniforme, calores específicos. Coeficiente de Joule Thomson.
HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº2

SEMANA:06 HORAS: 02 (T) SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.
Identificación de irreversibilidad, Teorema de Carnot, ciclo de Carnot, eficiencia del ciclo de Carnot. Ciclo de Carnot invertido.
HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA:07 HORAS:02 (T) V.MEZCLA NO REACTIVA DE GASES IDEALES
Mezcla de gases ideales. Descripción de la composición de la mezcla. Fracción másica, análisis gravimétrico. Fracción molar, análisis molar.
HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº3

SEMANA: 08. HORAS:02 (T) Masa molecular aparente de la mezcla. Fracción volumétrica. Conversiones de fracciones molares a fracciones másicas; conversión de fracciones másicas a fracciones molares.
HORAS:02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA: 09 HORAS: 02 (T) Relaciones p – v – T en mezclas de gases ideales. Leyes de Dalton y Amagat. Presión y volumen parcial, análisis volumétrico.
HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº4

SEMANA: 10 SEMANA DE EXAMEN PARCIAL

SEMANA: 11 HORAS: 02 (T) Análisis de sistemas que contienen mezclas. Procesos con mezclas de composición constante.
HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA: 12 02 (T) Calores específicos de mezcla de gases, variaciones de Energía Interna, Entalpía y Entropía. HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº5

SEMANA: 13 02 (T) VI. CICLO DE LAS MÁQUINAS TÉRMICAS
CICLO RANKINE
Planta de vapor, elementos; eficiencia. Influencia de la variación de los parámetros principales sobre la eficiencia. HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA 14 02 (T)CICLO RANKINE CON VAPOR SOBRECALENTADO. Con recalentamiento intermedio, regenerativo, eficiencias. Diagrama T – s.
HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº6

SEMANA: 15 02 (T) CICLO BRYTON.
Elementos, eficiencia; ciclo Brayton regenerativo; eficiencia. Diagrama T – s.
HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA: 16 02 (T) CICLO OTTO.
Descripción del funcionamiento del motor de combustión interna del ciclo Otto. Diagramas P – v y T – s. Cálculo de eficiencia.
HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº7

SEMANA: 17 02 (T) CICLO DIESEL.
Descripción del funcionamiento del motor de combustión interna del Ciclo Diesel. Diagramas P – v y T – s. Cálculo de eficiencia.
HORAS: 02 (P) Solución de ejercicios.

SEMANA:18 02 (T) Ejercicios de repaso.

HORAS: 02 (P) Práctica Calificada Nº8

SEMANA: 19 SEMANA DE EXAMEN FINAL

SEMANA: 20 SEMANA DE EXAMEN SUSTITUTORIO


VII. BIBLIOGRAFÍA

1. Black, W. Hartley, J: Thermodynamic, CECSA 1998.
2. Huang, F. Ingeniería Termodinámica, CECSA, 1998.
3. Cengel.; Termodinámica (2 vols), McGraw-Hill, 1998.
4. Porter.: Termodinámica (Schaum), McGraw-Hill, 1998.
5. Moran, M; Shapiro, H. Fundamentos de Termodinámica Técnica. Ed. REVERTE 2da Edición, España 2004.

PRACTICAS DEL CURSO.

PRACTICA N° 1
1.Un recipiente rígido cerrado de volumen V = 0,8 m3, se calienta con una placa eléctrica; inicialmente el recipiente contiene agua como una mezcla de liquido y vapor, ambos saturados, a una presión de 1.1 bar y calidad de 70%, luego del calentamiento, la presión se eleva a 1,4 bar. Se pide (cada uno, dos puntos):
a)Dibujar el proceso en un diagrama T_v y P_v
b)Hallar la temperatura (°C) en cada estado.
c)Calcular la masa de vapor presente en cada estado en kg.
d)Hallar la presión en bar, si se sigue calentando, cuando solo existe vapor saturado.

2.Para el agua determine las propiedades faltantes y las descripciones de fase en la siguiente tabla; cada estado, graficar en el diagrama P_v, (cada uno, un punto):
T,°C P, kPa u , kJ/kg x Descripción de fase
a) 150 0,75
b) 180 1600
c) 1200 3050
d) 75 2162
e) 850 0.0
f) 50 250
g) 0.8 bar 35%

3.Un tanque rígido de 4.5 m3 de volumen contiene 12 kg de un vapor húmedo de agua a 95°C. Luego, se calienta lentamente el agua, se pide (cada una dos puntos):
a.Determinar la temperatura a la cual el líquido, que forma parte del vapor húmedo en el tanque, se evapora por completo.
b.Describir el proceso en un diagrama de T-v con respecto a las líneas de saturación.

PRACTICA 2.

1.Se hace un estudio comparativo del trabajo realizado por un gas ideal entre dos estados 1 y 2; siguiendo todos los procesos conocidos, hallar el valor de cada uno de ellos, en caso de ser necesario use la información siguiente: estado 1: T1=62ºF, P1 = 15 PSI; T2 = 110ºC; P2 = 6.8 bar, m = 8.5 kg, n = 1.25, k = 1.5, Cp = 0.6. C/u 2 puntos.

2.Una mezcla de gases esta formada por 5 kg de O2, 7 kg de N2 ,15 kg de CH4 .Para los cálculos usar R = 8,314 kJ/kmol. K. Calcular (cada una dos puntos).
a. La fracción de masa de cada componente.
b. La fracción de molar de cada componente.
c. El peso molecular de la mezcla.
d. La presión de la mezcla
e. La constante del gas de la mezcla.

PROBLEMAS PROPUESTOS

Problema 1: 10,5 kg de H2O inicialmente a 2,5 bar y 40% de calidad es sometida a un proceso isotérmico, realizando un trabajo de 325 kJ. Calcular:
La calidad final
El calor transferido por el proceso.
Problema 2: 8,5 kg de vapor saturado a 10 bar se expande hasta 6 bar, si la expansión es de acuerdo a las ley pvn = cte., n= 1,95, calcular:
El estado final del vapor
Trazar el proceso en el plano T_v y P_v
El trabajo realizado durante el proceso.
Problema 3: Un sistema contiene 12 kg de aire a las condiciones iniciales sgtes: V = 1.5 m3 , T1= 37°C, realizando un proceso isobárico (1→2) hasta triplicar su volumen inicial y luego un proceso politrópico pv1,85 = cte, hasta alcanzar su volumen inicial; para el aire R = 0.287 kJ/kg K; hallar:
La presión en el estado final.
El calor de 1 a 2.
El trabajo total desarrollado
Problem 4: En el diagrama T_v se indican los procesos seguido por un gas ideal de R= 0,85 kJ/kg K, conociéndose que: v1=v2;p2=p3,T3=T4,p4=p1; W34=2100 kJ/kg, v3=2.55v1
y T2 = 1.45T1 , m= 6.5 kg.
Calcular: a) T1 en K b) Wtotal






































































































































































































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