TERMODINÁMICA APLICADA – FUNDAMENTOS Y APLICACIONES
Last updated on marzo 13th, 2024 at 03:34 am
Profesora Alina Adriana Minea, Universidad Técnica “Gheorghe Asachi” de Iasi
Bd. D. Mangeron no.63, Iasi, 700050, Rumania
Correo electrónico: aminea@tuiasi.ro
Comencemos con una breve introducción a la termodinámica. En primer lugar, la termodinámica es la ciencia que estudia de la relación entre el calor, el trabajo, la temperatura y la energía. En términos más amplios, la termodinámica es la transferencia de energía de una parte a otra. Así como de una forma a otra.
El concepto clave que subyace a todos estos fenómenos es que el calor es una forma de energía que corresponde a una cantidad definida de trabajo mecánico.
La termodinámica se rige por varias leyes básicas, identificadas como:
El principio cero de la termodinámica
Cuando dos sistemas están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema, los dos primeros sistemas están en equilibrio térmico entre sí. Esta propiedad hace que tenga sentido utilizar los termómetros como “tercer sistema” y definir una escala de temperatura.
La primera ley de la termodinámica
También conocida como la ley de conservación de la energía. La modificación de la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor añadido al sistema desde su entorno y el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno.
Ce principe fondamental jette les bases de la compréhension de l’interaction entre le transfert de chaleur et le travail mécanique au sein d’un système thermodynamique.
La segunda ley de la termodinámica
El calor no fluye espontáneamente de una región más fría a otra más caliente. O, lo que es lo mismo, el calor a una temperatura determinada no puede convertirse totalmente en trabajo. En consecuencia, la entropía de un sistema cerrado, o energía térmica por unidad de temperatura, aumenta con el tiempo hacia algún valor máximo. Así, todos los sistemas cerrados tienden a un estado de equilibrio en el que la entropía es máxima y no hay energía disponible para realizar un trabajo útil.
La tercera ley de la termodinámica
La entropía de un cristal perfecto de un elemento en su forma más estable tiende a cero a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto. Esto permite establecer una escala absoluta para la entropía. Desde un punto de vista estadístico, esto determina el grado de aleatoriedad o desorden de un sistema.
La termodinámica está en la base de todos los procesos de calentamiento con aplicaciones directas en la industria y la investigación en los ámbitos correspondientes. En los últimos siglos, la termodinámica se ha desarrollado con gran rapidez, especialmente en lo que respecta a la necesidad urgente de optimizar el rendimiento de la mayoría de los equipos de calentamiento. Por ejemplo, las máquinas de vapor y los calentadores industriales.
Más exactamente, las leyes de la termodinámica ofrecen una descripción completa de todos los cambios en el estado energético de cualquier sistema. Así como su capacidad para realizar un trabajo útil en su entorno.
La termodinámica es una rama de la física y de la ingeniería.
Dimensiones y unidades
Las dimensiones pueden caracterizar cualquier cantidad física. Las magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones se denominan unidades. Existen dos tipos de dimensiones, las primarias o fundamentales y las secundarias o derivadas, como por ejemplo:
- Las dimensiones principales son: masa, m; longitud, L; tiempo, t; temperatura, T
- Las dimensiones secundarias son las que se pueden derivar de las dimensiones primarias como: velocidad (m/s2), presión (Pa = kg/m.s2).
Sistemas cerrados y abiertos
Un sistema es una cantidad de materia o una región del espacio elegida para su estudio. La masa o región fuera del sistema es el entorno.
Una “frontera” es la superficie real o imaginaria que separa el sistema de su entorno.
Los límites de un sistema pueden ser fijos o móviles. Matemáticamente, el límite tiene un grosor cero, ninguna masa y ningún volumen.
Sistema cerrado o masa de control: consiste en una cantidad fija de masa, y ninguna masa puede cruzar su límite. Pero, la energía en forma de calor o trabajo puede atravesar la frontera, y el volumen de un sistema cerrado no tiene por qué ser fijo.
Sistema abierto o volumen de control: es una región debidamente seleccionada en el espacio. Suele encerrar un dispositivo que implica un flujo de masa, como un compresor. Tanto la masa como la energía pueden atravesar el límite de un volumen de control.
Sistema aislado: Un sistema cerrado que no se comunica con el entorno por ningún medio.
Sistema rígido: Un sistema cerrado que se comunica con el entorno únicamente mediante el calor.
Sistema adiabático: Un sistema cerrado o abierto que no intercambia energía con el entorno por medio del calor.
Procesos y ciclos
Cualquier cambio que experimente un sistema de un estado de equilibrio a otro es un proceso. La serie de estados por los que pasa un sistema durante un proceso es una trayectoria.
La amplia generalidad de las restricciones impuestas por las leyes de la termodinámica hace que el número de aplicaciones potenciales sea tan grande que es imposible presentar aquí todas las fórmulas posibles que podrían llegar a utilizarse. Teniendo en cuenta esto, los profesionales del área termodinámica requieren habilidades en las matemáticas, incluyendo las derivadas parciales, y en la comprensión completa de su significado físico.
Uno de los grandes puntos fuertes de la termodinámica clásica es que las predicciones sobre la dirección del cambio espontáneo son completamente independientes de la estructura microscópica de la materia. Esto también representa una limitación en el sentido de que no se hacen predicciones sobre la velocidad a la que un sistema se aproxima al equilibrio. De hecho, el ritmo puede ser excesivamente lento, como la transición espontánea del diamante al grafito. La termodinámica estadística proporciona información sobre las tasas de los procesos. Además de importantes conocimientos sobre la naturaleza estadística de la entropía y la segunda ley de la termodinámica.
Termodinámica aplicada a los calentadores de inmersión
Un calentador de inmersión es un dispositivo que se instala en un tanque o recipiente para calentar un líquido. La instalación puede ser sobre el costado, con bridas o con rosca.
Los calentadores de inmersión utilizan la inmersión directa en diferentes fluidos para un calentamiento más rápido y preciso. Por ejemplo: agua, aceites, materiales viscosos, disolventes, soluciones de proceso, materiales fundidos y gases. Al generar todo el calor dentro del líquido o del proceso, estos calentadores tienen una eficiencia energética cercana al 100 %. Hay muchos diseños disponibles y se ofrecen en numerosos tamaños, potencias de kilovatios y tensiones, así como con una variedad de conexiones de terminación, materiales de recubrimiento y accesorios.
Los calentadores de proceso por inmersión han adquirido una merecida reputación por su adaptabilidad en todos los sectores. Pueden alcanzar una variedad inconcebible de funciones en muchas aplicaciones industriales. Por ejemplo: productos químicos, alimentación y agricultura, fundición, calentamiento de fluidos. En realidad, los calentadores de inmersión suelen sustituir a los calentadores de fluidos de combustibles fósiles, a los infrarrojos, a los de microondas, a los calentadores de resistencia, a los reactores y a otros tipos de hornos.
Hay muchos tipos de calentadores de inmersión disponibles en el mercado, en función de su aplicación específica. El proceso básico de calentamiento se basa en la mejora de la convección en diferentes fluidos mediante la aplicación de una fuente de calor en el interior del fluido.
El método de inmersión directa es eficiente desde el punto de vista energético y muy adecuado para muchas aplicaciones.
En conclusión, la termodinámica está en la base de todos los procesos industriales, especialmente en los procesos de medio y gran rango de temperatura. Por lo tanto, los fundamentos de la termodinámica son extremadamente relevantes para avanzar hacia un mundo mejor, a través de la mejora en el rendimiento general de cualquier planta, equipo, así como su diseño completo.
Como comentario final, este autor afirma que cualquier ingeniero moderno, además de ser un buen profesional, tiene que utilizar el concepto de la termodinámica para escudriñar y reinventar cosas que también están destinadas a la seguridad y la comodidad humanas.