Fundamentos de Termodinámica Aplicada en Procesos Industriales

Conceptos Fundamentales de Termodinámica en Procesos Industriales

A continuación, se detallan conceptos clave relacionados con el trabajo y la energía en sistemas termodinámicos, esenciales para la comprensión de procesos industriales.

Tipos de Trabajo en Sistemas Termodinámicos

• Trabajo de rozamiento (Wr): También conocido como rozamiento interno, este tipo de trabajo solo produce calentamiento al ser aplicado al sistema. Siempre es aportado al sistema y nunca puede ser extraído.
• Trabajo útil (Wu): Representa la diferencia entre el trabajo interno y el trabajo atmosférico (debido a la presión atmosférica, P_atm).
• Trabajo efectivo (Wef): Es la diferencia entre el trabajo útil y el trabajo de rozamiento mecánico.
• Trabajo técnico: O trabajo cedido en el eje (Wr), es el trabajo que se extrae del eje de una máquina que es atravesada por un sistema abierto.

Energía y Procesos Termodinámicos

• Energía de un flujo: Se define como la suma de sus energías interna, cinética, de presión y potencial.
• Capacidad calorífica: Es el cociente entre la energía térmica recibida (o cedida) por un sistema y su variación de temperatura.

Clasificación de Procesos Termodinámicos

Procesos Reversibles e Irreversibles

• Proceso reversible: Aquel en el que tanto el trabajo de rozamiento interno como el trabajo de rozamiento mecánico son cero. Para que una transformación sea reversible, basta con que el trabajo de rozamiento interno sea cero.
• Proceso irreversible: Aquel en el que se provoca una destrucción de exergía, transformándola en anergía. La exergía destruida se manifiesta en forma de calor que se disipa en el ambiente.

Procesos Equivalentes

• Proceso equivalente: Dos procesos que realizan la misma transformación termodinámica son equivalentes cuando generan la misma energía y tienen el mismo grado de irreversibilidad.

Conceptos Relacionados con la Exergía

• Exergía destruida: Es igual al incremento de anergía de un sistema o energía generada. Se puede calcular multiplicando la entropía generada por la temperatura ambiente (T_ambiente).
• Exergía de un sistema cerrado: Representa el máximo trabajo que se puede obtener de un sistema a temperatura ambiente sin la intervención de otro sistema.
• Rendimiento exergético: Es el cociente entre la exergía contenida en la unidad deseada del equipo analizado y la exergía empleada para conseguirla.

Máquinas y Componentes Termodinámicos

Motores Térmicos

• Motor térmico: Es una máquina térmica que transforma calor en trabajo. Un fluido realiza un ciclo recibiendo calor de un foco a elevada temperatura, extrayendo trabajo de ese calor y cediendo calor a un foco con menor temperatura (generalmente la temperatura ambiente). Si el proceso es reversible, separa la exergía de la anergía cuando la temperatura ambiente es la del foco frío.
• Motor térmico reversible: Para que un motor térmico sea reversible, la reversibilidad interior, exterior y térmica debe ser cero. Esto requiere cesiones de calor a través de procesos isotérmicos y que el paso de una isoterma a otra se realice mediante un proceso adiabático (ciclo de Carnot).

Componentes de Flujo

• Tobera: Es una conducción de sección variable en la que un fluido que circula por ella aumenta su velocidad y disminuye su presión.
• Estado de remanso: Es el estado que se obtiene si el fluido es decelerado isoentrópicamente hasta alcanzar una velocidad cero. Constituye el estado de referencia para la evaluación de propiedades en procesos de derrame.
• Proceso de derrame: Es un proceso termodinámico estacionario en un sistema abierto en el que el trabajo técnico es nulo (ejemplos: toberas, difusores, intercambiadores de calor).