El oso polar en peligro de extincion por el deshielo.
La contaminación y los gases que producen el efecto invernadero, provocan el cambio climático y que la temperatura de la atmosfera terrestre se incemente.
Un proceso común en sistemas de acondicionamiento de aire es la mezcla de corrientes de aire
húmedo, tal como se muestra en la Fig. El objetivo del análisis termodinámico es, habitualmente,
fijar el caudal y el estado de la corriente de salida para unos determinados caudales y estados de las
dos corrientes de entrada. Los balances de masa del aire seco y del vapor de agua y de energía en
estado estacionario son.
Fig. Mezcla de corrientes de aire húmedo
Ejemplo:
250 m3/min de aire saturado que sale de la sección de enfriamiento de un sistema de aire acondicionado a 15 C y 70 % de humedad relativa, se mezcla adiabáticamente con 120 m3/min de aire exterior a 40 C y 40 % relativa de húmeda. Suponga que el proceso de mezcla sucede a una presión de 1 atmósfera, y determine la humedad especifica, la humedad relativa, la temperatura de bulbo seco y el flujo de la mezcla.
Para el punto 1 con 15 C y 70% de humedad relativa, de la carta psicrométrica se tiene.
En los confines de la ingeniería aeroespacial y la propulsión, existe un mundo fascinante donde las corrientes de gases se convierten en poderosas fuerzas que impulsan aviones, cohetes y turbinas a velocidades increíbles. La comprensión de la dinámica de gases es el cimiento sobre el cual se erigen innovaciones cruciales, como las toberas, los difusores y los álabes de rotores, que alimentan la eficiencia y el rendimiento de motores de reacción, compresores y turbinas. En este blog, nos adentraremos en el intrincado laberinto de la dinámica de gases y exploraremos la función vital de cada componente en la creación y manipulación de flujos de energía.
Fig. Velocidad en m/s de flujo en tobera Delaval
1. Toberas: Conduciendo la Fuerza Propulsora
Las toberas son como las puertas de salida para los gases calientes y de alta velocidad generados en los motores de reacción. Estas estructuras cónicas permiten que los gases se expandan adiabáticamente y aumenten su velocidad, transformando la energía térmica en energía cinética. En el caso de cohetes y motores aeronáuticos, las toberas son cruciales para la generación de empuje que propulsa las naves al espacio o a través de la atmósfera terrestre.
Fig. Motores de reacción Saturno V
2. Difusores: Desacelerando para Ganar Energía
Los difusores trabajan en la dirección opuesta a las toberas. Son componentes diseñados para disminuir la velocidad de los gases, aumentar su presión y recuperar parte de la energía cinética que estos gases llevan consigo. En motores de reacción y turbinas, los difusores permiten que los gases se desaceleren antes de ingresar a los álabes de los rotores, maximizando la eficiencia de la conversión de energía.
3. Álabes de Rotores: Capturando la Energía Cinética
Los álabes de los rotores son como las aspas de un molino en el mundo de la propulsión. Estas estructuras curvas y aerodinámicas se encuentran en el interior de los motores de reacción y turbinas, y son responsables de capturar la energía cinética de los gases en movimiento y convertirla en energía mecánica. Esta energía mecánica puede utilizarse para impulsar compresores, generar electricidad o proporcionar impulso a una nave.
Fig. Alabes Turbina de Gas zona de alta temperatura
En este blog, nos sumergiremos en los fundamentos de la dinámica de gases aplicados a las toberas, los difusores y los álabes de rotores en motores de reacción, compresores y turbinas. Exploraremos cómo cada uno de estos componentes juega un papel crucial en la manipulación de flujos de gases para crear empuje, generar energía y mejorar la eficiencia de las máquinas que impulsan nuestra búsqueda por los cielos y el espacio. Desde las toberas que desatan el poder propulsor hasta los álabes que capturan la energía, este viaje nos llevará a través de los conceptos esenciales que impulsan la tecnología aeroespacial y la propulsión moderna.
Partes Esenciales de Refrigeradores y Bombas de Calor
En la cotidianidad moderna, los refrigeradores y las bombas de calor son piezas clave que dan vida a nuestra comodidad y eficiencia en diversos ámbitos, desde la preservación de alimentos hasta la climatización de espacios. Sin embargo, detrás de su aparente simplicidad, se esconde un intrincado sistema compuesto por diversas partes fundamentales. En este blog, nos adentraremos en el corazón de estas máquinas para descubrir las partes esenciales que trabajan en armonía para mantener el frío y el calor a nuestro servicio. Desde los compresores hasta los evaporadores, cada componente desempeña un papel vital en este proceso termodinámico, y desentrañar su función es clave para comprender el funcionamiento de estas tecnologías fundamentales.
1. Compresor: Impulsando el Flujo Energético
Video Compresor Scroll Mitsubishi
El compresor actúa como el motor del sistema, ejerciendo la fuerza necesaria para comprimir el gas refrigerante y aumentar su temperatura. Este gas de alta presión y temperatura viaja luego hacia el condensador, donde liberará el calor absorbido en la fase anterior. El compresor es el corazón de la operación, proporcionando la energía necesaria para el ciclo termodinámico y asegurando que el proceso continúe de manera fluida.
Video Tipos de Compresores de Refrigeración
2. Condensador: Disipando el Calor
El condensador es la parte encargada de liberar el calor absorbido por el refrigerante. Aquí, el gas refrigerante cede su energía térmica al entorno, enfriándose y condensándose en líquido de alta presión. Este proceso es vital para que el refrigerante esté listo para entrar en la siguiente etapa del ciclo, y garantiza que el calor no se acumule en el sistema.
Fig. Condensador de casco y tubos enfriado por agua
3. Válvula de Expansión: Controlando el Flujo
La válvula de expansión regula el flujo del refrigerante, permitiendo que pase del condensador al evaporador. Aquí, el refrigerante se expande rápidamente y disminuye su presión, lo que provoca una absorción de calor del entorno circundante, enfriándolo. Esta parte es esencial para mantener el ciclo de refrigeración y bomba de calor en marcha, ya que controla el flujo y la presión del refrigerante.
Fig. Válvula Termostática de Expansión
4. Evaporador: Absorbiendo el Calor
El evaporador es el encargado de absorber el calor del entorno que se desea enfriar. Cuando el refrigerante entra en el evaporador, su baja presión y temperatura permiten que absorba el calor de su alrededor, enfriando el aire o el entorno circundante. Este proceso se repite en un ciclo continuo para mantener temperaturas bajas y crear un ambiente confortable.
Fig. Diagrama P-h proceso de evaporación
Fig. Evaporador enfriado por aire
Fig. Evaporadores de placa empleado en congelamiento por contacto
Fig. Evaporadores de casco y tubos empleado en enfriamiento de agua
Video: Intercambiadores de Calor tipo Casco y tubos
En este blog, exploraremos cada una de estas partes esenciales en profundidad, desglosando sus funciones y destacando su importancia en el funcionamiento de los refrigeradores y las bombas de calor. Desde el impulso inicial del compresor hasta la absorción final de calor en el evaporador, cada componente trabaja en conjunto para brindarnos el confort y la eficiencia que hoy damos por sentado.
Enfriando el Futuro: Termodinámica en Refrigeradores y Bombas de Calor
En un mundo donde la demanda de confort y producción industrial sigue en constante aumento, la aplicación de principios termodinámicos en la tecnología de refrigeración y bombas de calor se alza como un pilar fundamental para la eficiencia energética y la sostenibilidad ambiental. Estas máquinas ingeniosas no solo han revolucionado la forma en que vivimos y trabajamos, sino que también tienen un impacto directo en el equilibrio ecológico del planeta.
Desde la refrigeración industrial que preserva nuestros alimentos y productos perecederos, hasta el acondicionamiento de aire que proporciona climas cómodos en los días más calurosos, la termodinámica ha trazado el camino hacia sistemas de refrigeración más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. En este blog, exploraremos en detalle cómo los principios termodinámicos dan vida a los refrigeradores y bombas de calor, optimizando su funcionamiento y maximizando su contribución a la sostenibilidad.
Adentrándonos en el mundo de la refrigeración industrial, descubriremos cómo la comprensión de los ciclos termodinámicos ha permitido el desarrollo de sistemas que mantienen los alimentos frescos durante el transporte y el almacenamiento, reduciendo las pérdidas y minimizando el desperdicio. Pero no solo se trata de preservar productos; la termodinámica también ha impulsado la eficiencia en la producción industrial al controlar temperaturas críticas en diversos procesos, optimizando así el rendimiento y disminuyendo el consumo energético.
Fig. Enfriador de agua con compresor de tornillo
El acondicionamiento de aire, por otro lado, ha revolucionado la forma en que experimentamos los espacios interiores. Gracias a los avances termodinámicos, los sistemas de aire acondicionado pueden mantener ambientes confortables en cualquier época del año, adaptándose a las necesidades de calor y frío. Exploraremos cómo los conceptos de transferencia de calor y trabajo mecánico se combinan en estos sistemas para crear microclimas que mejoran nuestra calidad de vida, sin comprometer el futuro de nuestro planeta.
Fig. Aire Acondicionado tipo Split
Sin embargo, la eficiencia no es el único aspecto en juego. A medida que avanzamos hacia un futuro más sostenible, el impacto ambiental de las máquinas de refrigeración y bombas de calor cobra una importancia crucial. Analizaremos cómo la elección de refrigerantes y el diseño de equipos con menor huella de carbono están transformando la industria, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero y abriendo paso a alternativas más amigables con el medio ambiente.
Fig. Cámara Frigorífica
En este blog, navegaremos por el intrincado entramado de la termodinámica aplicada a los refrigeradores y bombas de calor, explorando sus aplicaciones industriales y su impacto en el acondicionamiento de aire. A medida que desentrañamos los principios detrás de estas máquinas esenciales, nos sumergiremos en un mundo donde la ingeniería y la ciencia se unen para forjar un futuro más fresco, cómodo y sostenible para las generaciones venideras.
Explorando la aplicación de la Termodinámica en Máquinas Térmicas
En el vertiginoso mundo de la tecnología y la ingeniería, los motores de combustión interna siguen siendo piezas fundamentales que impulsan una gran variedad de vehículos y maquinarias en la industria moderna. Desde los confiables motores Otto y Diesel hasta los intrigantes motores Wankel y las potentes turbinas de gas y vapor, estas máquinas icónicas son el corazón palpitante de la maquinaria que impulsa nuestra sociedad. Pero, ¿alguna vez te has preguntado qué fuerzas invisibles y procesos mágicos están en juego en su funcionamiento? La respuesta radica en uno de los conceptos fundamentales de la física: la termodinámica.
Fig. Ciclo Diesel 4 Tiempos
Bienvenidos a nuestro blog, donde nos sumergiremos en el apasionante mundo de la aplicación de la termodinámica en los motores de combustión interna y exploraremos cómo esta rama de la física da vida a estas máquinas industriales, impulsa la eficiencia y moldea su impacto en el medio ambiente. Desde los principios básicos hasta las complejas interacciones en el interior de los motores, desentrañaremos los secretos detrás de su funcionamiento y examinaremos cómo los avances en la termodinámica han revolucionado la forma en que aprovechamos la energía contenida en los combustibles.
Acompáñanos en este viaje educativo mientras desentrañamos las leyes termodinámicas que gobiernan la transformación de calor en trabajo, exploramos cómo los ciclos termodinámicos dan vida a los motores de combustión interna y descubrimos cómo la búsqueda incansable de la eficiencia está dando forma al diseño de estos motores para minimizar su impacto en el entorno que nos rodea. Desde la prometedora eficiencia de los motores Diesel hasta la explosiva potencia de los motores de gas, nos sumergiremos en las entrañas de cada uno de estos motores y revelaremos cómo los principios termodinámicos son la piedra angular de su operación.
Fig. Turbina de Gas marca Solar
Prepárate para desentrañar los misterios del calor, la energía y la potencia mientras exploramos la aplicación de la termodinámica en los motores de combustión interna, y cómo esta aplicación impacta no solo en la industria, sino también en nuestro mundo en constante evolución. ¡Acompáñanos en este emocionante viaje hacia el corazón ardiente de la tecnología de motores!
Conectando Eficiencia, Máquinas Térmicas y Sostenibilidad Ambiental
Introducción
En el vasto y complejo mundo de la energía, un concepto emerge como un faro de claridad en medio de la oscuridad: la exergía. En la búsqueda constante de mejorar la eficiencia energética y reducir el impacto ambiental, la exergía se alza como una herramienta fundamental. Pero, ¿qué es exactamente la exergía y cómo se entrelaza con las máquinas térmicas y la sostenibilidad ambiental? En este emocionante viaje de cinco pasos, exploraremos la exergía desde sus fundamentos hasta su aplicación práctica, desentrañando su relación con las máquinas térmicas y revelando cómo su comprensión profunda puede moldear el camino hacia un futuro más ecológico y energéticamente eficiente.
Paso 1: Desentrañando el Enigma de la Exergía
Comenzaremos nuestro viaje adentrándonos en los misterios de la exergía. ¿Qué la diferencia de otras formas de energía? ¿Cómo se calcula y por qué es crucial para medir la utilidad real de la energía en distintos procesos? Exploraremos sus raíces termodinámicas y su capacidad única para capturar la parte de la energía que puede realizar un trabajo útil.
Paso 2: Máquinas Térmicas en el Escenario
Una vez que tengamos una base sólida sobre la exergía, pasaremos a las máquinas térmicas, las ingeniosas creaciones humanas diseñadas para convertir la energía térmica en trabajo mecánico. A medida que desentrañamos sus entresijos, descubriremos cómo la exergía se convierte en un concepto esencial en la evaluación de su eficiencia y rendimiento.
Paso 3: Exergía en Acción
El tercer paso nos llevará a la acción. Exploraremos ejemplos concretos de cómo se aplica la exergía en diversas industrias y sistemas, desde la generación de energía hasta la refrigeración y más allá. A medida que analizamos estas aplicaciones, entenderemos cómo la exergía puede ser un faro guía para diseñar y mejorar sistemas energéticos más eficientes.
Paso 4: El Desafío Ambiental y la Exergía
A medida que avanzamos en nuestro viaje, enfrentaremos la cuestión crítica del impacto ambiental. Examinaremos cómo la exergía puede proporcionar una perspectiva holística sobre la eficiencia energética y cómo su enfoque puede ayudar a reducir la huella ambiental de las actividades humanas. Reflexionaremos sobre cómo esta herramienta puede orientarnos hacia soluciones más sostenibles y amigables con el medio ambiente.
Paso 5: Tejiendo un Futuro Sostenible con la Exergía
En nuestro último paso, exploraremos el camino a seguir. Con una comprensión más profunda de la exergía y su relación con las máquinas térmicas, consideraremos cómo podemos aplicar estos conocimientos para forjar un futuro energético más sostenible. Reflexionaremos sobre cómo la exergía puede inspirar innovación y fomentar prácticas industriales y personales más conscientes del medio ambiente.
En este emocionante viaje de cinco pasos, develaremos los secretos de la exergía, exploraremos su vínculo con las máquinas térmicas y examinaremos su influencia en el desafío ambiental que enfrentamos. Prepárate para sumergirte en un mundo de conceptos fascinantes y aplicaciones prácticas que pueden allanar el camino hacia un mañana más brillante y ecológico.
La energía se conserva en todo dispositivo o proceso pero la utilidad potencial (exergía) se destruye a causa de la naturaleza irreversible del proceso.
La exergía es el trabajo teórico máximo que se puede obtener de la mutua interacción entre el medio ambiente y un sistema cerrado hasta alcanzar el estado de equilibrio.
Los cambios de energía interna, entropía y volumen de las propiedades extensivas del ambiente, están relacionados mediante.
Las energías cinética C0 y potencial Z0 se evalúan con relación al ambiente para el cual se considera, que todas sus partes se encuentran en reposo.
El Enunciado de Sadi Carnot y su Impacto en Motores Térmicos y Refrigeración
Introducción:
Sumérgete en el fascinante mundo de la termodinámica con el enunciado de Sadi Carnot como punto de partida. Este enunciado, desarrollado en el siglo XIX, sentó las bases para la comprensión de la eficiencia en los procesos térmicos, impactando de manera profunda en el diseño y funcionamiento de motores, refrigeradores y bombas de calor.
Exploraremos cómo la visión pionera de Carnot sobre la conversión de calor en trabajo ha moldeado nuestras tecnologías contemporáneas y ha impulsado la búsqueda de sistemas más eficientes y sostenibles.
Acompáñanos en este viaje a través de la teoría y la práctica detrás de estas innovadoras aplicaciones, a través de la ciencia que ha transformado nuestra forma de aprovechar y controlar el calor en beneficio de la sociedad moderna, mientras desentrañamos el legado duradero de Sadi Carnot en el mundo de la energía térmica.
Fue Carnot, físico e ingeniero francés, quien en 1824 descubrió el segundo principio de la Termodinámica, aunque sin formularlo como tal.
¿De donde vienen las maquinas térmicas? , ¿Cómo funcionan? . Acompañados en este viaje fascinante y descubre tu mismo a travez de los siguientes videos.
Parte 1 La máquina de la naturaleza
Parte 2 La máquina de la naturaleza
Parte 3 La máquina de la naturaleza
Enunciado de Sadi Carnot
¨Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura T2, que denominaremos fuente caliente, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura, que llamaremos fuente fría T1".
T2 > T1
W = Qs - Qr
El rendimiento termodinámico de la maquina termica, será la energía útil en forma de trabajo, entre el calor suministrado.
La máquina de vapor https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Steam_engine_in_action.gif
¡Bienvenidos al fascinante mundo de la Termodinámica! En este blog, exploraremos la Segunda Ley de la Termodinámica y los enunciados de los ilustres científicos Sadi Carnot, Rudolf Clausius y Lord Kelvin Planck. Descubriremos cómo estas leyes rigen el comportamiento de máquinas térmicas como el motor térmico, el refrigerador y la bomba de calor. Acompáñanos en este viaje para comprender cómo la energía fluye en el universo y cómo estos principios fundamentales dan forma a nuestra realidad cotidiana. ¡Empecemos!
La máquina de vapor es uno de los inventos básicos de la Revolución Industrial, de tal forma que algunos autores señalan el año de su patente (1769) como el de inicio de la misma. Fue el motor de la Primera Revolución Industrial y el que, de alguna forma, la hizo irreversible.
La Segunda Ley de la Termodinámica tuvo un impacto significativo en el desarrollo de la máquina de vapor durante la primera Revolución Industrial. Aquí hay cinco pasos que resumen su importancia:
1. Limitaciones de la Máquina de Vapor: Durante la Revolución Industrial, la máquina de vapor se convirtió en un motor esencial para la industria. Sin embargo, los ingenieros enfrentaron dificultades para mejorar su eficiencia. La Primera Ley de la Termodinámica permitía calcular el trabajo realizado, pero no abordaba las pérdidas de calor.
2. Entendimiento de las Pérdidas de Calor: La Segunda Ley de la Termodinámica, enunciada por Sadi Carnot y posteriormente desarrollada por Lord Kelvin y otros, introdujo el concepto de irreversibilidad y la imposibilidad de convertir completamente calor en trabajo útil. Esto llevó a comprender que parte del calor suministrado a la máquina de vapor se perdía en forma de calor desechado.
3. Eficiencia Mejorada: Con el enfoque en la eficiencia, los ingenieros comenzaron a trabajar en el diseño de máquinas de vapor más eficientes, tomando en cuenta las pérdidas térmicas. Esto condujo a la mejora de las máquinas y a una utilización más eficiente de la energía del vapor, lo que impulsó la productividad industrial.
4. Innovación y Competencia: La comprensión de la Segunda Ley motivó la innovación en el diseño de máquinas de vapor, fomentando la competencia entre fabricantes. Esto llevó a mejoras continuas en la eficiencia y el rendimiento de las máquinas, lo que a su vez impulsó la producción y la expansión industrial.
5. Desarrollo Industrial Acelerado: Con máquinas de vapor más eficientes y productivas, la capacidad de realizar trabajo mecánico aumentó drásticamente. Esto impulsó la industrialización al permitir la expansión de la producción, la mejora en la transportación y la creación de nuevas industrias, allanando el camino para la primera Revolución Industrial.
Los principales impulsores de esta comprensión y aplicación de la Segunda Ley de la Termodinámica en el contexto de la máquina de vapor fueron Sadi Carnot, Robert Clausius, Lord Kelvin y otros científicos y pioneros de la ingeniería que trabajaron en la formulación y aplicación de estos principios en la práctica industrial.
La 2a Ley de la Termodinámica establece que la energía proporcionada a un máquina, no puede ser aprovechada totalmente debido a factores que lo impiden.
Se ha visto que la Primera Ley de la Termodinámica establece la relación de transformación entre las diferentes formas de energía, esto es.
dq = du + dw
Pero la primera Ley de la Termodinámica no limita la posibilidad de transformación de las diferentes formas de energía, el calor en trabajo trabajo, o viceversa. La primera alternativa es cierta. en cambio, para la segunda existen serias limitaciones.
La transformación de trabajo en calor, se realiza de forma natural en el rozamiento. No obstante, la inversa es más difícil de lograrse. La transformación de energía potencial en la caída de un cuerpo desde cierta altura en calor como consecuencia del impacto, es un proceso natural. La transformación de energía térmica en potencial y de que el cuerpo se eleve hasta su altura inicial, el primer principio no niega esta posibilidad, sin embargo, esta transformación no se dará en forma espontánea, sin una acción exterior.
La naturaleza nos indica la existencia de una limitación de los procesos espontáneos, que no lo explica el primer principio dando origen a la necesidad de establecer una ley general que determine la espontaneidad de los procesos. esta ley es el segundo principio de la Termodinámica.
En su forma general la Segunda Ley de la Termodinámica puede enunciarse de la siguiente manera: ¨ Todo proceso espontáneo o real es irreversible ¨. Todos los demás enunciados para esta Ley, son casos casos particulares de este más general.
Dado el carácter práctico de la Termodinámica, ligado al desarrollo de las máquinas motrices, los postulados del segundo principio están centrados en el concepto de máquina térmica.
Definición de máquina térmica.
Una máquina térmica es un sistema termodinámico compuesto por dos o mas subsistemas. en una máquina térmica el fluido de trabajo evoluciona de forma cíclica y reversible, transformando en trabajo el calor intercambiado con los focos de las fuentes térmicas.
Un foco o fuente de calor es un sistema termodinámico que es capaz de ceder o absorber cantidades finitas de calor sin variar la temperatura.
El motor térmico produce trabajo a partir del calor intercambiado entre los dos focos, en el diagrama p-v el ciclo se produce en el sentido de las agujas del reloj.
Entropía, del griego ἐντροπία que significa evolución o transformación, como una medida de la capacidad para que se realizase el cambio.
En el vasto y misterioso cosmos, los agujeros negros se alzan como uno de los enigmas más intrigantes y cautivadores de la física teórica. En medio de su poderosa atracción gravitatoria y su capacidad para tragar incluso la luz, surge una fascinante pregunta: ¿qué sucede con la información que cae en su interior? La respuesta a este enigma cósmico reside en la mente brillante del renombrado físico Stephen Hawking y su revolucionaria teoría de la radiación de Hawking.
Fig. Entropía de la radiación de Hawking (Black Hole)
A medida que nos aventuramos en el reino de la física de agujeros negros, nos encontramos con la sorprendente noción de que estos objetos aparentemente oscuros y devoradores no son tan impenetrables como podríamos haber imaginado. La radiación de Hawking, un fenómeno predicho por Hawking en la década de 1970, plantea la posibilidad de que los agujeros negros no sean solo voraces tragones, sino también fuentes de emisión radiante que eventualmente llevan a su evaporación. Esta asombrosa idea, que vincula la mecánica cuántica y la relatividad general, nos lleva a explorar la entropía en el contexto de los agujeros negros: una medida fundamental de desorden y efusividad que desafía nuestra comprensión convencional del universo.
Fig. Quasar, Black Hole
La entropía es un concepto fundamental en la termodinámica que se utiliza para medir el grado de desorden o la falta de disponibilidad de la energía en un sistema. Tiene múltiples definiciones y aplicaciones en diversos contextos, incluyendo las máquinas térmicas. Aquí te proporciono cuatro de las definiciones más aceptadas de entropía y cómo están relacionadas con las máquinas térmicas:
1. Entropía como medida del desorden
Esta es una definición intuitiva que se refiere a la tendencia natural de los sistemas a pasar de estados más ordenados a estados más desordenados con el tiempo. En el contexto de las máquinas térmicas, las máquinas trabajan transformando la energía térmica de una fuente caliente a una fuente fría, y durante este proceso, parte de la energía se disipa como calor no útil debido a la inevitabilidad de la creciente entropía. La entropía aumenta a medida que la energía térmica se distribuye de manera más uniforme en el sistema y en su entorno, lo que limita la eficiencia de las máquinas térmicas.
2. Entropía como medida de la disponibilidad de energía
En el contexto de las máquinas térmicas, la entropía también puede interpretarse como una medida de la cantidad de energía térmica que no puede convertirse en trabajo útil en un proceso dado. Cuanto mayor sea la entropía de un sistema, menor será la cantidad de energía térmica disponible para realizar trabajo mecánico. Esto se relaciona con la eficiencia de las máquinas térmicas, ya que una mayor entropía reduce la cantidad de energía térmica convertida en trabajo útil.
3. Entropía como relación entre calor y temperatura
Una definición matemática de la entropía es la relación entre la cantidad de calor transferido en un proceso reversible y la temperatura absoluta a la que ocurre la transferencia de calor. Esto se expresa en la ecuación ΔS = ΔQ / T, donde ΔS es el cambio en la entropía, ΔQ es la cantidad de calor transferido y T es la temperatura en Kelvin. En el contexto de las máquinas térmicas, esta definición se relaciona con la cantidad de calor transferido entre la fuente caliente y la fuente fría en un ciclo termodinámico.
4. Entropía y la Segunda Ley de la Termodinámica
La entropía está vinculada a la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que en un sistema aislado, la entropía nunca disminuye con el tiempo y tiende a aumentar o mantenerse constante en procesos naturales. En el caso de las máquinas térmicas, esta ley impone limitaciones en la eficiencia y el rendimiento de estas máquinas, ya que no es posible construir una máquina térmica que convierta completamente todo el calor en trabajo mecánico sin ninguna pérdida de calor.
Una consecuencia del segundo principio es que cualquier sistema aislado tiende a evolucionar hacia un estado de máxima entropía, en cuyo momento alcanza el equilibrio.
La palabra entropía fue utilizada Por Clausius para medir el grado de desorden de un sistema.
En resumen, la entropía desempeña un papel crítico en la comprensión del funcionamiento y la eficiencia de las máquinas térmicas, al limitar la cantidad de energía térmica que puede convertirse en trabajo útil y al establecer restricciones fundamentales en los procesos termodinámicos.
En un mundo donde la búsqueda de la eficiencia y la sostenibilidad se entrelazan, la Termodinámica se alza como una herramienta esencial para entender y optimizar los procesos que dan forma a nuestro entorno. Uno de estos procesos cruciales es el comportamiento del aire húmedo, un elemento fundamental en la ingeniería de sistemas de climatización y acondicionamiento ambiental. Desde oficinas y hospitales hasta hoteles e instalaciones industriales, la regulación de la humedad y la temperatura del aire no solo influye en el confort humano, sino que también impacta en la eficiencia energética y en el medio ambiente de manera significativa.
Fig. Aire Húmedo
En este blog, nos adentraremos en el emocionante mundo en el que la Termodinámica se encuentra con el aire húmedo. Exploraremos cómo los principios termodinámicos se aplican para comprender y controlar las propiedades del aire en diferentes situaciones, enfocándonos en su papel crucial en sistemas de aire acondicionado. Desde la perspectiva de edificios comerciales hasta instalaciones industriales, analizaremos cómo el conocimiento termodinámico puede transformar la manera en que diseñamos, operamos y mantenemos estos sistemas esenciales.
Pero la historia no se detiene ahí. A medida que avanzamos en busca de soluciones más sostenibles, también examinaremos el impacto medioambiental de los sistemas de climatización y aire acondicionado. La eficiencia energética se convierte en un factor determinante en la reducción de la huella de carbono, y aquí es donde la Termodinámica entra en juego una vez más, guiándonos hacia enfoques más inteligentes y responsables.
Prepárate para sumergirte en el apasionante viaje donde la ciencia de la Termodinámica se une a la ingeniería del aire húmedo para dar forma a un futuro más confortable, eficiente y ecológico. Juntos descubriremos cómo estas disciplinas se entrelazan para mejorar nuestra comprensión del mundo que nos rodea y, en última instancia, para construir un mañana donde la tecnología y el respeto por la naturaleza caminen de la mano. ¡Bienvenidos a la exploración de la Termodinámica en el contexto del aire húmedo y su crucial impacto medioambiental en los sistemas de climatización!
La principal aplicación del estudio del aire húmedo es el acondicionamiento de aire o aire acondicionado, un ejemplo practico es el siguiente video que muestra cuales son las principales partes y como funcionan.
El aire está compuesto por una mezcla de
algunos gases(Nitrógeno, Oxígeno, Argón, otros...) y vapor de agua. Todos los constituyentes básicos del aire,
excepto el vapor de agua se encuentra en la misma proporción y forma gaseosa,
(debido a las temperaturas y presiones en que se desarrolla el proceso); es por
lo que generalmente se considera el aire húmedo compuesto por dos únicos
componentes, el vapor de agua y el aire seco.(Ref. J M Pinazo Ojer "Manual de Climatización Tomo I Transformaciones sicrométricas " Universidad Politécnica de Valencia SPUPV.95.819)
Fig. 1 Carta Psicrométrica ASHRAE a 1 atm de presión total. (usada con permiso de la American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditionig Engineers)
El aire seco
La composición del aire seco en volumen es:
Nitrógeno (N2) … 78.084
%
Oxígeno (O2)… 20.9476
%
Argón Ar)… 0.934 %
CO2, CO,
SO2, SO3 … 0.03 %
Xenón,
Kriptón … trazas
Pudiéndose definir una masa molar del aire
seco a partir de sus componentes, teniendo en cuenta que 28 kg de Nitrógeno
ocupan 22.4 m3 a condiciones normales, 32 kg de oxígeno ocupan 22.4
m3 (C.N), etc.
Mas = 0.78084*28 + 0.209476*32
0.00934*39.9 + 0.003*44.01
= 28.965 kg/kmol
El comportamiento del aire seco a la presión y
temperatura a la que se encuentra en la atmósfera se puede considerar como la
de un gas perfecto, por lo que consideraremos el comportamiento de gas ideal
para el vapor de agua (H2O) y el peso molecular de 18.015 kg/km
Relaciones
y definiciones
Presión Total
Por tratarse de una mezcla de gases, según la
ley de Dalton, la presión total será la suma de las presiones parciales del
aire seco mas la presión del vapor de agua.
Pt = Pas + Pv
( Presión atmosférica)
Pt = Presión absoluta total (101325 Pa a nivel
del mar)
Pas = Presión absoluta del aire seco Pa.
Pv = Presión parcial del vapor de agua Pa.
Presión parcial del aire seco.
La presión parcial del aire seco se puede
determinar mediante la ley de los gases ideales:
mas = Masa del aire seco en el
recinto (kg)
Mas = Masa molecular del aire
seco = 28.965kg/kmol
V=Volumen del recinto en (m3)
R = 8314.4 J/kg K Constante universal de
los gases ideales
Ts = Temperatura de bulbo seco (K)
Presión parcial del vapor de agua.
Por
considerarse a bajas presiones como un gas ideal, también se puede aplicar la ecuación
de los gases ideales
mv = Masa del vapor de agua en el recinto (kg)
Mv = Masa molecular del agua = 18.015 kg/kmol
V=Volumen del recinto en (m3)
R = 8314.4 J/kg K Constante universal de los gases ideales
Ts = Temperatura de bulbo seco (K)
Humedad específica o absoluta.
Se define la humedad específica como la
relación de masa de vapor y la masa de aire seco que existe en el aire húmedo,
esto es:
Y para una presión total de una atmósfera
a nivel del mar:
Grado de saturación (GS)
Se define como el cociente entre la
cantidad de agua presente en el aire y la cantidad de agua a condiciones de saturación.
Pvs = Presión de saturación a Ts
La presión de saturación para el agua es
una variable muy estudiada, y cuyos valores se pueden obtener mediante la
siguiente ecuación.
Humedad
relativa (φ)
La humedad relativa se define como la relación
entre la fracción molar del vapor de agua en el aire (Xv) respecto a la
fracción molar del vapor de agua a la misma temperatura y presión total (Xvs),
expresado en %.
Xv = Fracción molar de vapor de
agua en el aire..
Xvs = Fracción del vapor de agua en aire
saturado.
Teniendo en cuenta que la fracción molar es el
“n” de moles de un componente respecto
al “n” total de moles de la mezcla y aceptando que se comporta como un gas
ideal, se tiene:
Por lo que:
Haciendo uso de esta última ecuación, el
grado de saturación puede transformarse en:
Despejando a la humedad relativa se tiene:
Temperatura de bulbo seco (TBS)
Es la temperatura normal que conocemos,
medida en un termómetro común conocida también como temperatura seca Ts.
Fig. 2 Temperaturas de bulbo seco (TBS) y bulbo húmedo (TBH)
Temperatura de bulbo húmedo (TBH)
Es la temperatura de saturación
adiabática del aire, la cual se mide al colocar una gasa humedecida en el bulbo
de un termómetro al cual se le hace circular una corriente de aire, la
temperatura registrada, será inferior a la temperatura de bubo seco (TBS).
ws* = Humedad específica de saturación
Temperatura
de roció (Tr)
La temperatura de punto de rocío, se define como la temperatura en la cual
aparece la primera gota de condensación, si el aire se enfría a presión
constante. Tr es la temperatura de saturación del agua correspondiente a la
presión de vapor Pv.
Fig. 3 Temperatura de punto de roció Tr a Pv
La temperatura de rocío Tr únicamente depende de
la presión parcial de vapor Pv en el aire húmedo, en consecuencia, esta se
puede determinar mediante.
Entalpía del aire seco (Has)
Para el aire seco la entalpía se determina,
teniendo en cuenta que la presión es constante y que el punto de referencia se
establece en 0°C. La entalpía se puede
calcular mediante.
Has = Cpas
(TBS - Tref)
Cpas = Calor específico del aire seco = 1.005 kJ/kg
°C
TBS = Tempera tura de
bulbo seco del aire en °C
Tref = Temperatura de
referencia = 0°C
Has =
1.005*(TBS – 0°C) KJ/kg°C as
Entalpía del vapor de
agua (Hv)
En este caso se tomará
la referencia de 0°C, considerando al agua en estado líquido, por lo tanto, la entalpía
de 1 kg de agua a temperatura de bulbo seco TBS, nserá.
Hv = Cf +
Cpv*(TBS -Tref)
Siendo:
Cf = Calor de cambio de
fase de vapor a líquido a 0 °C = 2501 kJ7kg.
Cpv = Calor específico
del vapor de agua = 1.806 kJ/kg °C
TBS = Temperatura de
bulbo seco del aire en °C
Tref = Temperatura de
referencia = 0°C
Por lo tanto:
Hv = 2501 + 1.806*TBS kJ/kg vapor
Entalpía del aire húmedo
(h)
La entalpía del air húmedo
se define con respecto a 1 kg de aire seco existente en la mezcla, así:
Volumen
específico del aire húmedo (v)
El volumen
específico del aire húmedo se define por kg de aire seco, haciendo uso de la
ecuación de gas ideal, se tiene:
.jpg)
