TERMODINMICA IINSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE
INGENIERA MECNICA Y ELCTRICAUNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
PROFESOR: SUAREZ CUEVAS JUAN CARLOS
ALUMNO:ALVARADO GARCA BRIAN JOELBOLETA: 2013360454GRUPO:
4MV1
NDICE
Introduccin.....3Marco terico..4Propiedades de un gas
ideal..4Mezcla de gases ideales5Mezclas sin reaccin...5Mezclas
reactivas..6Combustin7Aplicaciones....9Temperatura...11Llama
adiabtica.11Conclusin....12Bibliografa.12Fuentes electrnicas12
INTRODUCCINTERMODINMICA Y ENERGAEl estudio de la energa asociada
con las fuerzas atmicas y nucleares de enlace es sumamente
importante. La termodinmica relaciona estas y otras formas de
energa y describe el cambio en la energa de diversos tipos de
sistemas, en trminos de las interacciones en las fronteras de un
sistema.
La termodinmica trata fundamentalmente de las transformaciones
del calor en trabajo mecnico y de las transformaciones opuestas del
trabajo mecnico en calor. Se sabe actualmente que la base real para
la equivalencia entre el calor y la energa dinmica debe buscarse en
la interpretacin cintica, que reduce todos los fenmenos trmicos a
los movimientos desordenados de tomos y molculas.
El estudio del calor se considera como la mecnica de un conjunto
tan enorme de partculas (tomos y molculas), que la descripcin
detallada del estado y el movimiento pierde importancia y solo
deben considerarse las propiedades en promedio de un gran nmero de
ellas.
MARCO TERICO GAS IDEALSe define como gas ideal, aquel donde
todas las colisiones entre tomos o molculas son perfectamente
elsticas, y en el que no hay fuerzas atractivas intermoleculares.
Se puede visualizar como una coleccin de esferas perfectamente
rgidas que chocan unas con otras pero sin interaccin entre ellas.
En tales gases toda la energa interna est en forma de energa
cintica y cualquier cambio en la energa interna va acompaado de un
cambio en la temperatura. PROPIEDADES TERMODINMICAS DE UN GAS
IDEAL
ENERGA INTERNAPara un gas ideal, la energa interna es
exclusivamente funcin de la temperatura en un estado de equilibrio
determinado. Esta energa, es la acumulada por los tomos y molculas
que constituyen un sistema; varia con la posicin, velocidad, grado
de agitacin, fuerza entre partculas etc.
Las propiedades macroscpicas del sistema son las que
caracterizan su estado termodinmico y sus valores se modifican con
cualquier cambio en la energa interna acumulada.
ENTALPAEs una magnitud termodinmica, simbolizada con la letra H
mayscula, cuya variacin expresa una medida de la cantidad de energa
absorbida o cedida por un sistema termodinmico, es decir, la
cantidad de energa que un sistema puede intercambiar con su
entorno.
Es una funcin de estado de la termodinmica donde la variacin
permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una
transformacin isobrica (es decir, a presin constante) en un sistema
termodinmico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser
entendido como un sistema termodinmico), transformacin en el curso
de la cual se puede recibir o aportar energa (por ejemplo la
utilizada para un trabajo mecnico). En este sentido la entalpa es
numricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior
al sistema en cuestin.
FUNCIN DE GIBBSLa funcin de Gibbs es una propiedad extensiva de
un gas, que se representa mediante el smbolo Gy se obtiene al
restar la entalpia con el producto entre la temperatura y la
entropa total del sistema.G H TS
CALORES ESPECFICOSEl calor especfico es una funcin de la
temperatura del sistema. Esta funcin es creciente para la mayora de
las sustancias. Esto se debe a efectos cunticos que hacen que los
modos de vibracin estn cuantizados y slo estn accesibles a medida
que aumenta la temperatura.
MEZCLA DE GASES IDEALESCuando se mezclan dos o ms gases ideales,
el comportamiento de una molcula no es afectado por la presencia de
otras molculas similares o diferentes y, en consecuencia, una
mezcla de gases ideales se comporta tambin como un gas ideal. El
aire, por ejemplo, se trata convenientemente como un gas ideal.
En el cilindro de un motor de combustin interna se tiene una
mezcla de aire combustible durante la admisin y compresin; y una
mezcla de productos de combustin durante la expansin y el escape.
Todo sujeto a las condiciones de presin y temperatura que se
presentan en los motores. Estas mezclas pueden considerarse como
ideales o de composicin constante.
MEZCLAS SIN REACCINPara determinar las propiedades de una mezcla
es necesario conocer su composicin. Existen dos maneras de
describir la composicin de una mezcla; ya sea mediante la
especificacin del nmero de moles de cada componente (anlisis
molar), o mediante la especificacin de la masa de cada componente
(anlisis gravimtrico).
PropiedadesEn una mezcla de gases ideales, la temperatura se
obtiene cuando ocupa un volumen V a una presin total p. Se pueden
obtener otras propiedades termodinmicas de los gases individuales y
de las mezclas mediante la aplicacin de la ley de Gibbs y
Dalton.
Esta ley afirma que en una mezcla de gases ideales cada
componente de la mezcla se comporta como si ocupara todo el volumen
V a la temperatura T de la mezcla. Por consiguiente, todas las
propiedades extensivas de la mezcla se pueden hallar sumando las
contribuciones hechas por cada componente.
MEZCLAS REACTIVASEn las mezclas reactivas varia la naturaleza y
el nmero de componentes al producirse la reaccin qumica. La
velocidad de transformacin de los reactantes en productos
(velocidad de reaccin) disminuye debido a la disociacin de los
productos en reactantes.
El equilibrio qumico se alcanza cuando la velocidad de reaccin
se iguala con la velocidad de disociacin. Si la reaccin es
exotrmica la disociacin es endotrmica y viceversa. Lo que implica
que en un proceso de combustin adiabtico, la temperatura final ser
menor si se considera la disociacin.
En todos los procesos en que se considera la disociacin, se
necesita un cierto tiempo finito para alcanzar la condicin de
equilibrio; este tiempo se conoce como tiempo de relajacin. Cuando
el tiempo para que se produzca un cambio de estado en un sistema
reactivo es mucho menor que el tiempo de relajacin, se puede
suponer que se congela o inmoviliza la composicin del sistema en un
valor fijo que depende de las condiciones de flujo; en este caso
cuando la temperatura disminuye no se produce re asociacin de los
productos de disociacin.
COMBUSTINLa importancia de la combustin radica en el
aprovechamiento de la energa qumica de un combustible para generar
energa trmica que puede ser utilizada en diversas aplicaciones
prcticas. La combustin de un hidrocarburo genera altas temperaturas
y productos cuya composicin vara de acuerdo a diversas condiciones
entre las cuales se pueden mencionar: tipo de combustible, cantidad
de aire, temperatura de los reactantes, entre otras. Disociacin y
Equilibrio QumicoLa variedad de compuestos en los productos para
una combustin real se debe a las altas temperaturas generadas, lo
que ocasiona la disociacin de las especies, fenmeno en el cual una
especie genera otras especies, y estas ltimas, tienden a formar la
especie inicial, convirtindose en un proceso repetitivo hasta
alcanzar el equilibrio qumico. La reaccin qumica no se detiene,
esta continuara sucediendo en ambas direcciones a la misma relacin,
punto en el cual se supone el equilibrio.La condicin de equilibrio
qumico es la base para la determinacin de la composicin de las
especies en los productos de combustin.Temperatura de CombustinLa
temperatura de la combustin es afectada por el estado de los
reactantes, la cantidad de reactantes y el grado en el que se
completa la reaccin.Es en este ltimo aspecto donde la disociacin
tiene influencia sobre la temperatura alcanzada durante la
combustin. Cuando el proceso de combustin se realiza de manera que
no se pierde calor hacia los alrededores, la entalpia de los
reactantes es igual a la entalpia de los productos, por
consiguiente, la temperatura de los productos se denomina
temperatura de llama adiabtica, y su valor es mximo debido a que
toda la energa qumica liberada por el combustible se usa
internamente para elevar la temperatura de los productos.
Combustible-aire realSe define como la masa de aire por unidad de
masa de combustible presente en la mezcla. Combustible-aire
estequiometriaSe define como la proporcin de combustible y aire
qumicamente perfecto que permite un proceso de combustin
completa.
COMPOSICIN DE LOS PRODUCTOS DE COMBUSTINEn el estudio del
proceso de combustin en los MCIA el determinar la concentracin de
las especies a medida que el proceso se desarrolla, permite evaluar
en forma precisa la evolucin de las propiedades termodinmicas del
fluido de trabajo.
El empleo de la primera ley de la termodinmica en sistemas donde
las reacciones son importantes permite calcular la cantidad de
energa que se libera en el proceso. A partir de estos resultados se
pueden determinar las variables ms importantes que caracterizan los
procesos de combustin que ocurren en los motores de automocin; por
ejemplo, se puede calcular:
La potencia producida, la cantidad de calor desprendido, el
poder calorfico de la mezcla combustible-aire, la mxima temperatura
que se puede obtener en el ciclo de trabajo bajo condiciones dadas
de presin, temperatura y riqueza de la mezcla de los reactantes,
etc.
INVESTIGACIN (Aplicaciones) En los motores de combustin interna
alternativos el proceso de combustin puede ser modelado como un
sistema abierto donde existe intercambio de calor y trabajo con sus
alrededores. Se considera que la mezcla fresca est formada por
combustible y aire, los cuales entran en cierta proporcin y
constituyen los reactantes. Una vez que ocurre el proceso de
liberacin de energa en el cilindro del motor, se expulsan a la
atmosfera los gases quemados que constituyen los productos.
El desarrollo adecuado del proceso de combustin en los motores
alternativos es de importancia decisiva para obtener un mximo
aprovechamiento como trabajo mecnico en el eje del motor. Con la
intencin de conseguir las condiciones apropiadas para la realizacin
de este proceso, en los motores de combustin interna alternativos
se emplean mtodos que permiten la formacin de
mezclasaire-combustible, dependiendo de los requerimientos de
potencia exigidos al motor, que sean funcin directa de las
caractersticas reales de trabajo.
Como objetivo principal del proceso de formacin de la mezcla est
el que se realice un mezclado optimo entre el aire y el
combustible, que tome en consideracin aspectos relacionados con un
arranque rpido y seguro, una combustin completa, una mnima formacin
de especies contaminantes y una reduccin del desgaste de las
piezas.
Dependiendo del tipo de motor de combustin interna alternativo
empleado existen una serie de requisitos fsicos que se asocian con
el desarrollo de futuras reacciones qumicas que aparecern en funcin
del tipo de combustible utilizado.
De esta manera para que dentro del cilindro del motor ocurra el
proceso de combustin, se debe procurar desde el inicio de la
admisin, durante el paso delaire-combustible o solo de aire por el
mltiple de admisin condiciones adecuadas de presin, temperatura y
humedad que aseguren la formacin de la mezcla para el momento del
encendido.
Tomando en cuenta el funcionamiento de los motores de combustin
interna alternativos los trabajos experimentales muestran que
existen una serie de parmetros que tienen influencia en el
rendimiento de la combustin en funcin de la potencia que se desee
obtener, entre los ms importante tenemos: el ajuste de la riqueza
de la mezcla, la relacin de compresin, la variacin de la carga y
las revoluciones del motor.
Los resultados revelan que durante el funcionamiento del motor
el mayor efecto se debe a la variacin de la riqueza de la
mezcla.Los productos que se forman cuando se quema una cierta
cantidad de aire y combustible dependen de las caractersticas
reales del proceso de combustin.
El empleo de un balance estequiometrico solo sirve como mtodo de
aproximacin, por lo tanto dependiendo de la complejidad deseada en
el estudio, el nmero de especies presentes a analizar puede
incrementarse y requerir modelos computacionales para
resolverla.
TEMPERATURA DE LLAMA ADIABTICAEn ausencia de efectos de trabajo
y cualquier cambio apreciable en la energa cintica de la corriente
de flujo, la energa liberada por una reaccin qumica en una cmara de
combustin a rgimen permanente se presenta en dos formas: Perdida de
calor hacia los alrededores y aumento de la temperatura de los
gases en los productos. Cuanto menor sea la perdida de calor, mayor
ser la elevacin de la temperatura en los productos. En el lmite de
una operacin adiabtica de la cmara, ocurrir el mximo ascenso de la
temperatura, por esta razn se denomina temperatura de llama
adiabtica.
BIBLIOGRAFA Cengel, Y. A.; Boles, M.A.: Termodinmica. Mc
Graw-Hill, 1996. Wark, K. Richards, D.E.: Thermodynamic, 6a Edition
Mc Graw-Hill, 2001
Haywood, R.W. : Ciclos termodinmicos de potencia y refrigeracin
Ed. Limusa, 2000.
Fuentes
electrnicashttp://www.unipamplona.edu.co/unipamplona/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/tesis/contenidos/tesis_septiembre/05092007/determinacion_de_las_propiedad.pdf
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