Operaciones unitarias

1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA AGROPECUARIA DE MANABÍ
“MANUEL FÉLIX LÓPEZ”
CARRERA AGROINDUSTRIA
SEMESTRE: SEPTIMO PERÍODO: OCT. - MARZ. /2017
OPERACIONES UNITARIAS II
TEMA:
CONCEPTO LEYES Y DEFINICIONES DE LA
TERMODINAMICA
AUTOR:
RODRÍGUEZ GIA JOSE LUIS
FACILITADOR:
ING. LENIN ZAMBRANO VELASQUEZ
CALCETA, OCTUBRE 2016

2. 1. INTRODUCCIÓN
En este trabajo trata de clarificar como se han construido los conocimientos
termodinámicos y se han aplicado en la vida diaria. La termodinámica se ocupa
de la conservación de la energía, y las direcciones en que esta puede
transferirse de un lugar o de una parte de los casos en situaciones de
equilibrio. La transferencia de calor nos permite determinar, con respecto al
tiempo, la energía transferida provocada por un desequilibrio de temperaturas.
Desde algún punto de observación la termodinámica nos interesa, básicamente
en las trasferencia de energía total, hacia o desde un sistema ejemplo; calor,
trabajo, o cualquier otra forma de producir locomoción y energía puede ser en
el estudio de ciclos de la energía calórica que va al sistema, el trabajo, y la
eficiencia resultante.
La termodinámica se fundamenta en cuatro leyes que forman la base
axiomática. Las leyes son definidas de modo cuantitativo mediante funciones
termodinámicas tales como se mencionó anteriormente la temperatura, calor,
trabajo, entropía, etc. Las cuatro leyes son: la ley cero que define que define el
equilibrio termodinámico; la primera ley o ley de la conservación de la energía;
la segunda ley es el hecho de que si mezclamos partes iguales de dos gases
nunca los encontraremos separados de forma espontánea en un instante
posterior y la tercera ley que establece que todos los procesos cesan cuando la
temperatura se aproxima cero.
Los ingenieros en la actualidad utilizan los principios de la termodinámica y
otras ciencias de la ingeniería, tales como la mecánica de fluidos y la
transferencia de calor y masa, para analizar y diseñar objetivos propuestos a
satisfacer las necesidades humanas a esto almacena algunas áreas en las
que la termodinámica técnica es importante. Los ingenieros buscan
perfeccionar los diseños y mejorar el rendimiento, para obtener como
consecuencia el aumento en la producción de algún producto deseado, la
reducción del consumo de un recurso escaso, una disminución en los costos
totales o un menor impacto ambiental.

3. 2. MARCO TEORICO
2.1. TERMODINAMICA
(Gratton, 2003)Menciona que la Termodinámica es el estudio de las
propiedades de sistemas de gran escala en equilibrio en las que la temperatura
es una variable importante.
En la Termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de
modo de negar la posibilidad de ciertos procesos.
La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una
máquina produzca trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir
niega la posibilidad de lo que se suele llamar “máquina de movimiento perpetuo
de primera especie”.
La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera
sin una discusión previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas
definiciones se deben dar todavía, podemos decir que la Segunda Ley
establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina realice
trabajo intercambiando calor con una única fuente térmica. Una tal máquina
(inexistente) sería una “máquina de movimiento perpetuo de segunda especie”.
Un problema típico entre aquellos que se tratan en Termodinámica consiste en
calcular un conjunto de propiedades de un sistema a partir de otro conjunto de
propiedades, y como consecuencia de la imposibilidad de los procesos de
movimiento perpetuo que acabamos de mencionar.
Estos procedimientos indirectos son muy eficientes, pero no hay que olvidar
que su fundamento reside en las dos leyes básicas.
La Termodinámica se ocupa de estudiar procesos y propiedades
macroscópicas de la materia y no contiene ninguna teoría de la materia. Por lo
tanto no nos dice nada acerca de la estructura de la materia.

4. 2.2. TRANFERENCIA DE CALOR
Según (Incropera & DeWitt, 1996) Nos recalca que el estudio de la
termodinámica se categoriza que la energía se puede transferir mediante las
interacciones de un sistema con su alrededor. Estas interacciones se
denominan trabajo y calor. Sin embargo, la termodinámica trata de los estados
finales del proceso durante el cual ocurre una interacción y no proporciona
información alguna con respecto a la naturaleza de esta información o la
rapidez con la que esta se produce.
El objetivo de este tema es ampliar el análisis termodinámico a través del
estudio de los modos de transferencia de calor y por medio del desarrollo de
relaciones matemáticos para calcular velocidades de transferencia de calor.
Transferencia de calor es la energía en tránsito debido a una diferencia de
temperaturas.
 Las leyes de la termodinámica tratan de la transferencia de energía,
pero sólo se aplican a sistemas que están en equilibrio (pueden
utilizarse para predecir la cantidad de energía requerida para modificar
un sistema de un estado de equilibrio a otro), pero no sirven para
predecir la rapidez (tiempo) con que pueden producirse estos cambios.
 La transferencia de calor, complementa los principios termodinámicos,
proporcionando métodos de análisis que permitan predecir esta
velocidad de transferencia térmica.
EJEMPLO
El calentamiento de una barra de acero inmersa en agua caliente, los principios
termodinámicos se pueden utilizar para predecir las temperaturas finales una
vez los dos sistemas hayan alcanzado el equilibrio y la cantidad de energía
transferida entre los estados de equilibrio inicial y final, pero nada nos dice
respecto a la velocidad de la transferencia térmica o la temperatura de la barra
al cabo de un cierto tiempo, o del tiempo que haya que esperar para obtener
una temperatura determinada en una ciertaposición de la barra.

5. 2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
(Incropera & De Witt, 1999) Nos indica que la conducción se considera como la
transferencia de energía de las partículas más energéticas a las menos
energéticas de una sustancia debido a las interacciones entre las mimas. El
mecanismo físico de conducción se explica más fácilmente considerando un
gas y usando ideas que le sean familiares, propias de su experiencia en
termodinámica. Desde el punto de vista moderno cabe atribuir que la
transferencia de energía a ondas reticulares en un conductor, la transferencia
de energía también se debe al movimiento de translación de los electrones
libres.
Conducción: es un proceso mediante el cual el calor fluye desde una región de
alta temperatura hasta una región de baja temperatura, dentro de un medio
sólido, líquido o gaseoso, o entre medios diferentes en contacto físico directo
entre las moléculas.
En todo proceso de transferencia de calor por conducción podemos encontrar
tres características fundamentales, que lo diferencian de los procesos de
convección y radiación
• Una diferencia apreciable de temperatura entre las dos zonas en las cuales
fluirá el calor.
• Contacto físico directo entre las zonas de transferencia.
• No existe movimiento apreciable de la materia en la que fluirá el calor.
LEY DE FOURIER
(Marcano, s.f.) La transferencia de calor por conducción sigue la ley de Fourier,
la cual analiza el flujo de calor en todas las dimensiones del espacio.
“la cantidad de calor conducido en la dirección x, a través de un material sólido
homogéneo en un intervalo de tiempo, es el producto entre el área expuesta y
la transmisión de calor normal al eje x, el gradiente de temperatura y una
propiedad del material conocida como conductividad térmica”

6. 2.4. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Es un mecanismo de transporte de energía por acción combinada de
conducción de calor, almacenamiento de energía y movimiento de materia en
grandes grupos de moléculas. Cuando un fluido se mueve sobre una superficie
que se encuentra a otra temperatura, se produce transferencia de calor en las
adyacencias de la frontera cuyo signo dependerá del valor relativo de las
temperaturas. (Marcano, s.f.)
La transferencia de calor por convección involucra el intercambio de energía
entre un fluido y una superficie. Existente la convección libre o natural, en la
que los cambios de densidad provocan el movimiento natural del fluido; y
convección forzada en la que el fluido es forzado a moverse sobre la superficie
de contacto.
𝑄 = ℎ 𝐴 (𝑇.−𝑇𝑏)
A = área normal a la dirección de fluido de calor
h = Coeficiente de superficie de transferencia de calor
T.-Tb = fuerza motriz para la transferencia de calor. Determina en que dirección
se da el flujo de calor (Tb – T.)
Dada la naturaleza de la transferencia, el flujo de calor casi no se escribe en
forma vectorial. Igualmente deben incluirse los efectos de flujo del fluido.

7. 3. EJERCICIO
Una tubería de acero de 2.5 pulgadas conduce vapor desde una caldera hasta
un equipo que se encuentra a 40 m. de ella. Si la temperatura interna del vapor
en el tubo es de 115ºC y la externa es de 90ºC, calcule la perdida de calor a los
alrededores.
Diámetros interno: DI 0.06271 m
Diámetros externo: DE 0.07302 m
Espesor: (DE-DI)/2: 0,001031
Conductividad térmica del acero: k = 43 W/mºC
Longitud de la altura: L= 40 m
Temperatura interior: T1 = 115ºC
Temperatura exterior T2 = 90ºC
DE
𝑅 =
𝐼𝑛(
𝑟2
𝑟1
)
2𝜋𝑘𝐿
=
𝐼𝑛(0.07302/0.06271)
2𝜋 (
43𝑊
𝑚º𝐶
)(40𝑚)
= 1.408𝑥10− 5 º𝐶/𝑊
q =
𝑇1−𝑇2
𝑅
=
(115−90)º𝐶
1.408 𝑥10−5º𝐶/𝑊
= 1775568 𝑊
DI

8. 4. CONCLUSIÓN
La termodinámica es muy utilizada en la ingeniería en este caso la ingeniería
agroindustrial, en los procesos de ciertos productos utilizando temperaturas en las
cuales se involucran transferencia de calor.
En el documento estudiado se comprendió que las dos leyes de la termodinámica que
ocupamos día a día en nuestras vidas, manejo de la primera ley que nos habla de la
ley de la conservación de la energía, y la segunda ley de la entropía nos suena
extraño pero a lo largo de la lectura se pudo analizar que es un sistema cerrado y que
no esté en equilibrio, que tiende a aumentar con el tiempo, hasta alcanzar el equilibrio.
Se entiende que la transferencia de calor es el paso de la energía térmica desde un
cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo por
ejemplo un objeto solido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su
entorno, podemos entender que la trasferencia de energía térmica, también conocida
como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo
y su entorno alcancen equilibrio térmico.
5. BIBLIOGRAFÍA
Gratton, J. (Enero de 2003). Termodinamica . Obtenido de
http://www.lfp.uba.ar/es/notas%20de%20cursos/notastermodinamica/Ter
modinamica.pdf
Incropera, F. P., & De Witt, D. P. (1999). Fundamentos de Transferencia de
Calor. Mexico.
Incropera, F., & DeWitt, D. P. (1996). Fundamentos de Trasferencia de Calor.
En F. Incropera, & D. P. DeWitt. Mexico.
Marcano, R. (s.f.). Trasfeencia de Calor . Obtenido de Conducción - Convecion
- Radiación :
https://marcanord.files.wordpress.com/2013/04/transferencia-de-calor-
rdmc.pdf
Moran, M., & Shapiro, H. (2005). Fundamentos de Termodinámica Técnica. En
M. Moran, & H. Shapiro, Fundamentos de Termodinámica Técnica (pág.
854). Barcelona: Reverte, S. A., 2004.