APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA A LA INDUSTRIA

*CARVAJAL L; ECHEVERRI Y; ROJAS D; SALGADO M.APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN LA INDUSTRIA RESUMEN La termodinámica es una ciencia y, quizá la herramienta más importante en la ingeniería, ya que se encarga de describir los procesos que implican cambios en temperatura, la transformación de la energía, y las relaciones entre el calor y el trabajo. De esta definición básica parte gran cantidad de aplicaciones en el vasto mundo de la ingeniería. Es impresionante ver cómo la termodinámica es un pilar fundamental para muchos de los procesos que se llevan a cabo en la industria química, y más aun en procesos de ingeniería de Alimentos. Mencionar algunos ejemplos de aplicación como lo es en turbinas, unidades de refrigeración en donde se emplea el propano, de igual manera en la compresión de gases; entre otros. Palabras claves: termodinámica, industria, primera ley. ABSTRAC Thermodynamics is a science, and perhaps the most important tool in engineering, since it is responsible for describing the processes that involve changes in temperature, energy transformation, and the relationship between heat and work. Part of this basic definition wide range of applications in the vast world of engineering. It is impressive to see how thermodynamics is an essential pillar for many of the processes that take place in the chemical industry, and even more in Food engineering processes. Mention some examples of application such as turbines, refrigeration units where propane is used, just as in the compression of gases, among others. Keywords: thermodynamics, industry, the first law. , INTRODUCCION La Primera ley de la termodinámica sistema es un recipiente metálico se refiere al concepto de energía con agua; podemos elevar la interna, trabajo y calor. Nos dice temperatura del agua por fricción que si sobre un sistema con una con una cuchara o por determinada energía interna, se calentamiento directo en un realiza un trabajo mediante un mechero; en el primer caso, proceso, la energía interna del estamos haciendo un trabajo sobre sistema variará. A la diferencia de la el sistema y en el segundo le energía interna del sistema y a la transmitimos calor. cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía Cabe aclarar que la energía interna transferida al sistema por medios no de un sistema, el trabajo y el calor mecánicos. Pensemos que nuestro no son más que diferentes *Estudiantes ING. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA Es por eso que la energía no se crea ni se destruye. • Sistemas abiertos estado estacionario en *Estudiantes ING. Out representa todas las salidas de masa desde el sistema. θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía. así como puede realizar trabajo a través de su frontera. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . y U es la energía interna del sistema. SALGADO M. ROJAS D. La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es: ΔU = Q − W Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema. energía potencial y energía cinética: = Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. ECHEVERRI Y. sino que. La ecuación general para un Sistemas cerrados: sistema abierto en un intervalo de tiempo es: O igualmente: Q − W moutθout ∑ minθin − ∑ + ΔEsistema in out Donde: in representa todas las entradas de masa al sistema. durante un OBJETIVOS Aplicaciones de la Primera Ley • proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones. W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico. El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores. • La energía del sistema es: La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t0 y t) es: Sistemas abiertos2 Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa. también puede realizar trabajo de frontera. mecánico y de frontera. manifestaciones de energía. También es conocido como masa de control.*CARVAJAL L. así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores. estas preguntas se responden empleando la termodinámica básica. recuperación de condensados. adquiere una gran velocidad. La aplicación mas común de la compresión de gases se puede ver en las plantas donde se hace gas lift. de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. Al hacerlo la corriente de vapor/gas. bien sean accionadas con vapor o turbinas de gas. En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0.1 Una pregunta muy común es qué pasa cuando un fluido a alta presión. en varias plantas de proceso. 1 Las unidades de refrigeración son otro ejemplo de la termodinámica aplicada a la industria.). este se conoce como integración energética en la que el trabajo generado por la turbina lo emplea el compresor para comprimir el gas a la presión que se necesita.. La integración energética anteriormente mencionada es un ejemplo real de cómo se manejan las plantas turboexpander para la recuperación de los licuables de una corriente de gas de alta presión. bajo un mismo eje con un compresor. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . ROJAS D.*CARVAJAL L. por lo que el balance de energía queda: • Sistema Aislado un estudio completo de ingeniería para poder implementar la integración energética entre corrientes de proceso mediante el uso de inter-cambiadores de calor (feedbottom. Es mas. en las cuales el vapor o los gases de combustión entran por las toberas y se expanden hasta una presión más baja. estas unidades utilizan el principio de enfriamiento por evaporación. qué pasa con la entalpía antes y después de la válvula?.. Adicionalmente. feedeffluent. El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). pasa por una válvula y se despresuriza. sobre todo en las plantas mencionadas se emplean sistemas de refrigeración con propano para los sistemas de enfriamiento. ECHEVERRI Y. son intercambiadores tipo kettle debido al alto porcentaje de vaporización del propano. SALGADO M. la turbina puede ir unida. gas gathering. que generalmente son chillers donde el propano se bombea por la coraza y se evapora completamente con el fin de enfriar o condensar la corriente de proceso. recuperación de he-lio. específicamente un gas. qué pasa con la temperatura antes y después. transmisión y Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior2 APLICACIONES TERMODINAMICAS EN INGENIERIA Podemos empezar por ver las turbinas. etc. específicamente en una de LPG he visto como se hace todo *Estudiantes ING. Las turbinas son máquinas de flujo permanente. Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los alabes de la tur-bina. Mejoras del rendimiento del ciclo. Regeneración en los ciclos de vapor. Análisis energético. sobre todo en las expansiones aguas abajo de una válvula. adicionalmente si se esta manejando un gas húmedo en la planta. Descripción general de las turbinas de vapor. 1 TERMODINÁMICA APLICADA A LAS MÁQUINAS Y LOS PROCESOS TÉRMICOS Capacidades y Destrezas:  El funcionamiento teórico y técnico de una máquina térmica es un conocimiento necesario en la formación de cualquier ingeniero.  Características fisicoquímicas de los refrigerantes. Descripción general de las instalaciones de turbinas de gas. lo importante para el ingeniero es tener los conceptos claros y experiencia para poder tomar decisiones rápidas y efectivas. Irreversibilidades del ciclo real. que lleven a soluciones realmente útiles. Efecto de las irreversibilidades en turbina y compresor. Análisis energético del ciclo Joule-Brayton irreversible. Regeneración. licuefacción y transporte. Cogeneración. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA recorridos por un gas perfecto.  Turbinas de vapor. El ciclo Rankine inverso. ECHEVERRI Y. Primero. Modelado del proceso con un ciclo recorrido por un gas perfecto. La máquina frigorífica de compresión mecánica simple de vapor. Otra aplicación es la des-hidratación de gases para prevenir la formación de hidratos en las tuberías de proceso. Producción conjunta de calor y trabajo. Ciclos Otto. distribución. Criterios generales para la mejora del rendimiento. Modelado de los procesos reales mediante procesos cíclicos *Estudiantes ING. Diesel y Dual. Trabajo real del compresor. Ciclo Rankine ideal. Análisis termodinámico.1 En general las aplicaciones son diversas. turbina. Coeficiente de funcionamiento.  Ciclo ideal Joule-Brayton. Motor de ignición por chispa y compresión. Elementos de la instalación.  Motores alternativos. SALGADO M. Elementos de la instalación.  Máquinas de refrigeración. ROJAS D.*CARVAJAL L. Optimización del número y posición de los intercambiadores. reinyección de gas para mantener la presión de un pozo. Efecto de .  Diagrama idealizado. Tipos de intercambiadores. Clasificación de las turbinas de gas. se debe hacer un estudio termodinámico para saber si se forman o no se forman hidratos.  Turbinas de gas. almacenamiento de gas. Etapas de funcionamiento de los motores alternativos de combustión interna de cuatro y dos tiempos. Diagrama indicador. Rendimiento térmico. 4)] El trabajo mecánico se realiza a través del desplazamiento de una masa.*CARVAJAL L. La convención de signos usual establece que el valor de W es negativo cuando el trabajo se hace sobre el sistema y positivo cuando es hecho por éste. ROJAS D. Comportamiento termodinámico del aire húmedo. Acondicionamiento de aire. Procesos de saturación adiabática. 5.  Licuefacción de gases. las propiedades del refrigerante en el rendimiento del ciclo. Tal como en mecánica este trabajo se define por la integral desplazamiento dl. Análisis energético del ciclo Rankine inverso. Torres de refrigeración. a menudo se encuentra trabajo efectuado por una fuerza distribuida sobre un área. Aire Húmedo. por ejemplo. En termodinámica. debe ser una fuerza externa. W = ∫ Fdl donde F es la componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento dl. el trabajo diferencial se expresa más convenientemente como δW = PdV Donde P es la presión externa ejercida sobre el sistema. sin embargo. (Abbott y Vanness. Psicrómetros.Diagrama psicométrico. En la forma diferencial esta ecuación se escribe: δW = Fdl donde δW representa una cantidad diferencial de trabajo. Enfriamiento Joule-Thomson. En esta situación. Análisis energético del proceso Linde. No es necesario que la fuerza F en realidad provoque el *Estudiantes ING. Características del aire húmedo. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA Fig. Instalaciones frigoríficas de absorción.7 . como en el caso de una presión de fluido ejercida sobre un pistón. Proceso Linde en cascada. Ciclo de absorción simple. SALGADO M. Trabajo mecánico El trabajo mecánico ocurre cuando una fuerza que actúa sobre el sistema lo mueve a través de una distancia. Curva de inversión. ECHEVERRI Y. por una presión P que actúa a través de un volumen V. 58 Con medios eléctricos es posible realizar trabajo de modo más conveniente y medirlo a su vez con más exactitud (el trabajo realmente mecánico al final. [La Fig. *Estudiantes ING. A la resistencia puede conectarse una batería de fem conocida V mediante unos conductores lo suficientemente finos para mantener el sistema A térmicamente aislado de la batería. 5. Esta interacción es adiabática. ROJAS D. Si el peso desciende una distancia ∆s sin variación de velocidad. completamente análogo al de la Fig. la energía media del sistema A debe aumentar entonces en el proceso en una cantidad w∆s. es decir. puesto que alcanza muy rápidamente su velocidad límite. Como el sistema combinado formado por A y A' está aislado. un termómetro y una rueda de paletas. Si la velocidad del peso estuviese cambiando.7. 5. SALGADO M. A'. que es la disminución de la energía potencial del peso que resulta del trabajo realizado sobre él por la gravedad (el peso desciende normalmente con velocidad constante. Aquí el sistema A se compone de un recipiente lleno de agua. El parámetro externo que describe el sistema A' es la distancia s del peso por debajo del nivel de la polea. Los dos sistemas interaccionan puesto que el peso al caer hace que la rueda gire y agite el agua. el peso que cae. la variación de la energía media de A' vendría dada por la variación de la suma de las energías cinética y potencial del peso). DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . ECHEVERRI Y.*CARVAJAL L.8 muestra un dispositivo de este tipo. ya que la única conexión entre los dos sistemas es la cuerda. 213-214)] Trabajo de expansión Cuando el trabajo se debe al desplazamiento de las fuerzas de presión exteriores que conllevan un cambio en el volumen del sistema se llama trabajo de expansión y se expresa por δW = PdV Trabajo eléctrico Fig. (Berkeley. A. La Fig. 5. un termómetro y una resistencia eléctrica. realiza un trabajo w∆s sobre el sistema aislado adiabáticamente.7 muestra un sistema A formado por un recipiente lleno de agua. que sólo transmite una cantidad despreciable de calor. la energía media del sistema A' se reduce en una cantidad w∆s. Este sistema puede interaccionar con el sistema más sencillo A' compuesto por un peso y la tierra que ejerce una fuerza gravitatoria conocida w sobre este peso. pero intervienen en él fuerzas eléctricas). y todos sabemos que el mejor “termo” no impide que al cabo de unos pocos días. y la diferencia en los resultados obtenidos es inferior al error admisible en este experimento. Sin embargo. cuando decimos que una propiedad no cambia con el tiempo. La resistencia juega aquí un papel completamente análogo a la rueda de paletas del ejemplo anterior. entonces. La carga q que puede proporcionar la batería es su parámetro externo. como para que sea utilizable en un experimento real. debemos entender que las posibles variaciones con el tiempo. adiabáticas. y aplicar a los resultados las ecuaciones de la Termodinámica?. el trabajo realizado por la batería sobre A en este proceso es simplemente V∆q.*CARVAJAL L. habiendo sufrido un cambio en las propiedades termodinámicas. la siguiente pregunta relativa a estas idealizaciones:¿Es suficientemente adiabática la pared de un “termo de café”. De la misma forma. etc. La respuesta es que si hacemos dos medidas sucesivas de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de un “termo de café”. Por ejemplo. Cuando la batería suministra una carga ∆q que pasa a través de la resistencia. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA Comprender la las aplicaciones de refrigeración en la . SALGADO M. importancia y la industria *Estudiantes ING. a que haremos referencia deben considerarse como ideales en sus características. Podríamos hacernos. El estudio de la Termodinámica requiere ciertas “idealizaciones”. diremos que la pared de nuestro “termo de café” es perfectamente adiabática. De la misma forma podemos considerar que un matraz cerrado mediante un tapón sería un ejemplo de un sistema que deja pasar energía (se puede calentar o enfriar). (Berkeley. ROJAS D. Las paredes cerradas. son inferiores al error permitido en nuestro experimento. cualquier material presenta una cierta porosidad. Las paredes de un “termo” doméstico constituyen un ejemplo práctico de pared adiabática. e incluso puede ser afectado químicamente por los productos que contiene. diatérmicas. de modo que ambos son simplemente aparatos adecuados sobre los que puede realizarse el trabajo. pero no materia (sistema cerrado). ECHEVERRI Y. en la medida experimental de dicha propiedad. resulta aceptable que no se pueda construir una pared adiabática perfecta. 1. 214)] 5. el café haya adquirido la temperatura ambiente. Entender el funcionamiento de los ciclos básicos de producción de frío: ciclos de compresión de vapor (ciclo de Carnot invertido). Calcular los coeficientes de operación y la capacidad de refrigeración 5.biopsychology. 3. SALGADO M.uam. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . los criterios de selección de los mismos y sus propiedades más importantes •REFRIGERACIÓN EN LA INDUSTRIA • CICLOS DE COMPRESIÓN DE VAPOR • Ideales • Prácticos.com/revista/index.wikipedia. los ciclos de absorción y los sistemas de refrigeración.es/personal_pdi/ciencias/juansqui/complequifi1. los ciclos de refrigeración de gas (ciclo de Brayton invertido). Representar los ciclos descritos por el refrigerante en los diagramas termodinámicos T-S y P-H y calcular propiedades de los mismos con esta herramienta 4. http://es.*CARVAJAL L. Coeficientes de aprovechamiento • Reales • REFRIGERANTES • Selección • Propiedades • PROCEDIMIENTOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN • Cascadas • Regeneración (economizadores) • Licuefacción de gases • SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN • CICLOS DE REFRIGERACIÓN DE GAS • CICLOS DE ABSORCIÓN BIBLIOGRAFIA http://www. ROJAS D.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin%C3%A1mica 3. 2. http://www. Cálculo.php?ed=2005-02-01&pag=4 2.revistavirtualpro.html#nota5 *Estudiantes ING. ECHEVERRI Y.org/apuntes/termodin/termodin.http://www.htm#Formas%20de %20intercambio%20de%20energía%20sistema-entorno 5. Conocer los refrigerantes más empleados. es/termoap/ *Estudiantes ING. 6.iq.*CARVAJAL L. ECHEVERRI Y.uva. ROJAS D. http://www. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . SALGADO M. *Estudiantes ING. ECHEVERRI Y. SALGADO M.*CARVAJAL L. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . ROJAS D. ROJAS D. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . ECHEVERRI Y. SALGADO M.*CARVAJAL L. *Estudiantes ING. ECHEVERRI Y. ROJAS D. DE ALIMENTOS UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA TERMODINAMICA FLORENCIA CAQUETA . *Estudiantes ING.*CARVAJAL L. SALGADO M.