Inxeñería Termodinámica: Fundamentos e Principios
Os fundamentos da termodinámica de enxeñaría xogan un papel importante no camiño cara a un mundo mellor, a través da mellora do rendemento das instalacións, equipos e o seu deseño xeral.
Os factores críticos para avaliar o rendemento do equipo son elementos como a produción final, o consumo de materias primas, o custo de produción e a valoración do efecto no medio ambiente. Os enxeñeiros hoxe utilizan o concepto de termodinámica para examinar e reinventar cousas destinadas á seguridade e comodidade humana.
A ciencia da termodinámica existe desde o século XIX. Desde entón, científicos e enxeñeiros teñen un esforzo constante e continuo para facela o máis amigable posible.
Fundamentos da Termodinámica
A palabra "termodinámica" deriva do grego "theme" (que significa calor) e "dynamics" (que significa forza). Os profesionais de enxeñaría están interesados en estudar sistemas e as súas interaccións co seu entorno.
Os conceptos ou definicións utilizados nesta sección son útiles para os lectores na comprensión do concepto de termodinámica de enxeñaría (a veces referida como Enxeñaría de Calor-Potencia)
Sistema, Entorno e Universo
Un sistema é algo que queremos estudar e no que estamos interesados, polo que o primeiro paso é definir precisamente o obxectivo do estudo do sistema. O obxectivo do estudo do sistema pode ser mellorar a eficiencia do sistema ou reducir as perdas, etc. Un exemplo de sistema pode ser analizar o ciclo de refrigeración nunha planta de almacenamento frío ou analizar o ciclo de Rankine nunha central eléctrica.
Un sistema defínese como unha masa determinada de substancia pura limitada por unha superficie cerrada ou flexible; similarmente, a composición da materia dentro do sistema pode ser fixa ou variable dependendo do ciclo.
As dimensións do sistema non son necesariamente constantes (como o aire en un compressor comprimido por un pistón) poden ser variables (como un balón inflado). A materia que interactúa co sistema externamente chámase Entorno e o Universo é o resultado do sistema e o entorno.
O elemento que separa o sistema do seu entorno chámase fronteira. A fronteira do sistema pode ser fixa ou en movemento.
A interacción entre o sistema e o entorno produce-se ao cruzar a fronteira e, así, xoga un papel moi importante na termodinámica (é dicir, enxeñaría de calor e potencia).
Tipo de Sistemas na Termodinámica
Hai dous tipos básicos de sistemas na termodinámica:
Sistema Cerrado ou Masa Controlada: está asociado con unha cantidade determinada de materia. A diferenza dun sistema aberto, nun sistema cerrado, non ocorre ningún fluxo de masa a través da fronteira do sistema. Tamén hai un tipo especial de sistema cerrado que non interactúa e está aislado do entorno, chamado sistema aislado.
Volume de Control (Sistema Aberto): O volume de control está limitado a unha rexión do espazo a través da cal a masa e a enerxía poden fluir e cruzar a fronteira do sistema. A fronteira dun sistema aberto chámase superficie controlada; esta superficie controlada pode ser real ou irreal.
Exemplos de volume de control son tipos de equipos que implican o fluxo de masa para cruzar a fronteira do sistema, como o fluxo de auga a través de bombas, o fluxo de vapor en turbinas e o fluxo de aire a través de compresores de aire.
Termodinámica Microscópica
O enfoque microscópico na termodinámica tamén se chama termodinámica estatística e está asociado coa estrutura da materia e o obxectivo da termodinámica estatística é caracterizar o comportamento medio das partículas que forman o sistema de interese e, a seguir, usar esta información para observar o comportamento macroscópico do sistema.
Propiedade, Estados e Proceso Termodinámicos
Propiedade Termodinámica
Unha propiedade termodinámica é unha característica macroscópica dun sistema. O valor dunha propiedade pode asignarse en calquera momento dado sen o coñecemento do valor anterior e o seu comportamento.
Propiedade Extensiva
As propiedades que dependen da masa chámense propiedades extensivas e o seu valor para o sistema global é a suma dos seus valores para as partes nas que se divide o sistema. Exemplos de propiedade extensiva son Volume, Enerxía e Masa. A propiedade extensiva depende do tamaño do sistema e pode cambiar con o tempo.
Propiedade Intensiva
Ao contrario da propiedade extensiva, unha propiedade intensiva non depende da masa e é non aditiva e non depende do tamaño total do sistema. Pode variar en diferentes lugares dentro do sistema en calquera momento. Exemplos de propiedade intensiva son a presión e a temperatura.
Estado Termodinámico
Un estado define como a condición dun sistema que se describe mellor polas súas propiedades. A masa encerrada nun sistema pode atoparse en varias condicións únicas, chamadas estado. Hai relacións entre as propiedades dun sistema, pero o estado pode especificarse proporcionando o valor dun subconxunto das propiedades.
Proceso Termodinámico
Os procesos termodinámicos son a conversión dun estado a outro estado. Se o valor da propiedade macroscópica do sistema en dous momentos diferentes son idénticos, entón o sistema está no mesmo estado nese momento. A condición de estado estable do sistema alcanzáse se ningunha das súas propiedades cambia respecto ao tempo.
Ciclo de Equilibrio do Sistema
Un sistema termodinámico ciclo de equilibrio é un proceso secuencial que comeza e remata coa condición do mesmo estado. Cando o ciclo completa, todas as súas propiedades teñen o mesmo valor que tiveron no inicio. Todos os ciclos que se repeten regularmente xogan un papel vital en moitas áreas de aplicación, como a circulación de condensado nunha central termoeléctrica executa un ciclo.
Substancia de Traballo
A teoría da materia é útil para comprender o concepto de enerxía. A materia é coñecida pola súa masa, volume e espazo e, independentemente da súa estrutura e natureza, ten certas características como consistencia e fiabilidade. A materia está feita de gran número de partículas chamadas moléculas. Pode atoparse materia sólida, líquida ou gasosa en calquera lugar.
Na materia sólida, as moléculas están próximas unas ás outras e fortemente ligadas e non poden moverse libremente. Así, requiren unha forza grande para cambiar a súa forma.
As moléculas na materia líquida non están firmemente unidas e, así, unha forza moi pequena é suficiente para manter as moléculas xuntas.
No estado gaseoso, as moléculas movéronse aleatoriamente e libremente como se estivesen nun estado desligado, movéndose moi rápido independentemente das súas moléculas adxacentes. A compressibilidade está asociada aos gases, que teñen moitos espazos baleiros entre as moléculas conectadas. A enerxía é a razón pola que a materia existe en diferentes fases.
Substancia Pura
Material de estrutura química única ou homoxeneidade en estrutura química variante coñécense como substancias puras. O material pode existir en unha soa fase como líquido ou tamén pode existir en máis dunha fase en equilibrio entre si. Unha mezcla uniforme de gases con composición química semellante tamén se denomina substancia pura.
A importancia da substancia pura está na determinación das propiedades da substancia de traballo en diferentes condicións de presión e temperatura.
Exemplo: Para unha substancia pura como a auga, pode describirse completamente por dúas propiedades intensivas soberanas denominadas presión e temperatura. Outra substancia pura é o aire no estado gaseoso. Pero para unha substancia non homoxénea, son necesarias máis de dúas propiedades para describir o estado.
Equilibrio Termodinámico
En mecánica, di-se que se alcanzou o equilibrio cando igualamos as forzas opostas. Pero o significado do equilibrio termodinámico é diferente e máis amplio, xa que implica un acto de equilibrio para moitas outras influencias (entre o sistema e o entorno) alem de equilibrar as forzas opostas). Para lograr o equilibrio completo dentro dun sistema, é necesario cumprir a condición de equilibrio mecánico, térmico, de fase e químico.
Nesta sección, limitamos a nosa discusión ao equilibrio termodinámico. A ênfase na existencia de estados de equilibrio e o
