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Termodinámica
I.Q. Ramiro E. Domínguez Danache
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Termodinámica
• ¿Qué es la
Termodinámica?
• ¿Para qué sirve?
• ¿Donde la
encuentro?
• ¿Donde la estudio?
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Termodinámica
• Parte de la Fisicoquímica que
estudia la materia, la energía y
sus transformaciones.
• Las transformaciones de la
energía de un tipo de energía en
otro están regidas por las...
Leyes de la Termodinámica.
La Termodinámica es...
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La Termodinámica se puede estudiar
desde dos enfoques...
• Termodinámica Clásica
•Fenomenológica (empírica)
• Termodinámica Estadística
•Microscópica (modelos)
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Leyes de la Termodinámica:
• Ley Cero: Equilibrio Térmico
• 1a. Ley: Conservación de la Energía DU = Q + W
• 2a. Ley: Permite predecir la dirección
natural de cualquier proceso y pronosticar
la situación de equilibrio.
• 3a. Ley: La entropía de una sustancia
pura y perfectamente cristalina es cero,
en el cero absoluto de temperatura.
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Termodinámica ¿Donde la encuentro?
• En la Casa
• En la Oficina
• En la Escuela
• En el Transporte
• En la Industria
• En el Campo
• En el Mar
• En la Tierra
• En el Espacio
• En el Universo
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Telescopio
Espacial
Hubble
NASA
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Lenguaje Termodinámico:
• Sistema
• Alrededores
• Universo
• Paredes – Rígidas, Flexibles
– Diatérmicas, Adiabáticas
– Porosas
• Propiedades – Intensivas
• Densidad
• Presión
• Temperatura
– Extensivas
• Masa (g)
• Cantidad de materia (mol)
• Volumen
• Capacidad térmica
• U (Energía interna)
• H (Entalpía)
• S (Entropía)
• Energía libre: – A (Helmholtz),
– G (Gibbs).
(Extensiva/Extensiva) = Intensiva P.ej. r =(m/V)
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Lenguaje Termodinámico:
Energía
Trabajo
Temperatura
Calor
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Lenguaje Termodinámico: Expresiones coloquiales
• ¿Esta haciendo, o tengo mucho calor...? – Ni tengo ni hace calor...
• Creo que tengo temperatura... – Hasta los cadáveres tienen
temperatura...
• Creo que estoy muy caliente... – Comparado con qué...
• ¿Tengo o hace frío?... – Ni tengo ni hace frío...
• El termómetro indica 40°C, ¿eso es frío o caliente?
• Depende...
• Un refresco... – estará caliente
• Una taza de café... – estará “tibia”
• Un horno para pan... – estará frío
• Caliente y frío son conceptos relativos
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Termodinámica: Calor y Trabajo
• Calor: Forma de
transferencia de
energía debido a una
diferencia de
temperaturas
– Conducción
– Convección
– Radiación
• Trabajo: Forma de
transferencia de
energía debido a la
acción de una fuerza
– Trabajo mecánico
– Trabajo de expansión
– Trabajo eléctrico
Tanto el calor como el trabajo son formas de
transferencia de la energía (o energía en tránsito)
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Termodinámica: Temperatura
• Propiedad de los sistemas que permite: – Comparar el “grado de
calentamiento” de dos cuerpos
– Decir si dos cuerpos se encuentran en Equilibrio térmico.
– Decir de “donde” a “donde” fluye la energía
térmica (Calor)
– Ley cero de la Termodinámica
• Escalas termométricas – Relativas
• Celsius y Fahrenheit
– Absolutas • Kelvin y Rankine
373 K 100 °C 212 °F
273 K 0 °C 32 °F
0 K - 273 °C -460 °F
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Termodinámica: Procesos
• Exotérmicos • Endotérmicos
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Termodinámica: Clasificación de los Sistemas
• El cuerpo humano es un
Sistema Abierto que
intercambia energía tanto en
forma de calor como de trabajo
• Un Sistema Cerrado puede
intercambiar Energía pero no
Masa
• Un Sistema Aislado no
permite el intercambio de
materia ni de Energía
¿Y esta olla...?
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Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?
• En la casa:
– En la cocina: estufa, olla Express, refrigerador, batidora, licuadora, lavadora de platos.
– En el baño: regadera, lavabo, boiler, secadora de pelo.
– En las habitaciones: aire acondicionado, calentadores ambientales
– En lugares muy extremosos las “paredes” son “aislantes” (adiabáticas).
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Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?
• En la oficina:
– En la Cafetera, base
térmica para taza
– En el baño
– En el aire acondicionado y
calentadores ambientales
– En lugares muy
extremosos las “paredes”
son “aislantes”
(adiabáticas).
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Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?
• En el Transporte
• En la Escuela
• En el Campo
• En la Industria
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Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?
• En el Mar – Plataformas marinas para
extracción de petróleo
– Evaporación de agua
• En la Tierra – Manantiales de agua caliente
(geotermia), termoeléctricas, nucleoeléctricas
• En el Aire – Condensación de la humedad,
formación de nubes (agua y hielo), lluvia, tormentas, ciclones
• En el Espacio – Globos aerostáticos, aviones,
Transbordadores espaciales, Satélites
• ¿En otros planetas?
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Termodinámica: ¿Donde la encuentro...?
• ¿En donde encuentran ustedes a la
Termodinámica?
• ¿Podrían dar algunos ejemplos de
sistemas donde se vea a la
Termodinámica?
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Mars Pathfinder rover, Sojourner
NASA and NSSDC
Después de décadas de uso
en la tierra, los sistemas
fotovoltaicos se usaron pro
primera vez en otro planeta
en 1997 cuando el Sojourner
exploró Marte. Las celdas
solares proporcionaron 16
watts bajo pleno sol.
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Combustibles Fósiles
Líneas Eléctricas de transmisión enfrente de una
planta operada con carbón (2002)
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Combustibles fósiles
• Tampa Electric Company's Polk Power Station, en Lakeland, Florida es una de las plantas operadas con carbón más limpias
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Energía geotérmica
Planta de Vapor Flash en el sur de California. Programa de Energía
Geotérmica. Actualmente las plantas operadas con agua caliente son
la principal fuente de energía geotérmica en el mundo entero
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Energía geotérmica
Los géiseres son una importante fuente de energía geotérmica
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Energía geotérmica
Glenwood Springs, Colorado, usando un sistema intercambiador de calor,
se aprovecha la energía geotérmica para mantener calientes las albercas,
proveer de agua caliente de uso doméstico y para fundir la nieve.
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Energía Solar
• El Cid Mega Resort Mazatlán usa un sistema Solar
Heliocol para calentar 5 albercas y proveer al sistema
de agua caliente fuera de temporada alta.
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Combustibles Fósiles
Refinería de Petróleo
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Energía a partir de Etanol de maíz
El etanol se puede producir a partir de almidón de maíz. También se está
desarrollando la tecnología para obtener el alcohol a partir del material
fibroso (celulosa y hemicelulosa)
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Termodinámica: Biomasa (Termoquímica)
Productos plásticos hechos con aceite de pirolisis
obtenido a partir de desechos de madera.
Actualmente se trabaja en la
industria para desarrollar
tecnologías aceptables económica
y ambientalmente, para utilizar
desechos industriales y domésticos
para convertirlos en combustibles.
También se han desarrollado
procesos para hacer adhesivos y
resinas a partir de desechos de
madera. Estas resinas pueden
reemplazar a las resinas hechas a
base de petróleo y en el moldeado
para fabricación de diversos
materiales plásticos como los que
se muestran
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Termodinámica: Biomasa (Termoquímica)
Planta productora de etanol a partir de tallos de la planta de de arroz, cerca
de Sacramento California. El proyecto contempla 8 millones de galones de
etanol por año y 40 millones de ácido cítrico. Debido a que los tallos de arroz
tienen una alto contenido de silica, se planea co-producir silica precipitada. - Michael McCoy, "Biomass Ethanol Inches Forward," Chemical & Engineering News, December 7, 1998,
pp. 29 - 32.
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Termodinámica: Biomasa (Termoquímica)
La nueva tecnología de alta
eficiencia permite la
generación de electricidad
con biomasa.
El gasificador Batelle en
Burlington, Vermont provee
combustible gaseoso para
sistemas modernos de
potencia que pueden
alcanzar eficiencias del doble
de los equipos actuales.
Gasificador de biomasa Batelle en Burlington, Vermont. USA
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Termodinámica:
Biomasa
Termoquímica
Torres de destilación
de Etanol a partir de
Biomasa.
Compañía de energía
Pekin.
Instalaciones en
Illinois
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Termodinámica:
Geotermia
Sistema Geotérmico de
“Bombeo de Calor”.
Circulan agua a través
de intercambiadores
geotérmicos de calor.
Bomba de tamaño
comercial
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Celdas de combustible
• Pila de combustible, también
llamada célula de combustible
o celda de combustible, es un
dispositivo electroquímico en el
cual un flujo continuo de
combustible y oxidante sufren
una reacción química
controlada que da lugar a los
productos y suministra
directamente corriente eléctrica
a un circuito externo.
«Fuel cell NASA p48600ac». Publicado bajo la licencia Dominio público vía Wikimedia Commons -
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_cell_NASA_p48600ac.jpg#/media/File:Fuel_cell_NASA
_p48600ac.jpg.
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Celdas de combustible
• Una celda de combustible convierte
hidrógeno y oxígeno en agua,
produciendo electricidad y calor en el
proceso.
• Tiene dos electrodos, al ánodo
negativo y el cátodo positivo,
separados por un electrolito que sólo
permite el flujo de iones específicos.
• El combustible va en el ánodo y el
oxígeno va a l cátodo
http://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/fuel_cells.html
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Locomotora de Trevithick.
Primera Locomotora usada
exitosamente. La caldera fue hecha
de acero con una cámara de
combustión interior. Los productos de
la combustión estaban dirigidos
directamente a una chimenea
localizada en la boca de la cámara.
La máquina de vapor, es decir, el
cilindro con el pistón estaba
dispuesto verticalmente, y las barras
de conexión (de transmisión) iban
conectadas al eje del motor.
Termodinámica: Máquinas de vapor
¿Qué tal ahora?
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Termodinámica:
Trabajo y máquinas
2000 Ford Ranger
Esta camioneta pickup producida por Ford esta impulsada por etanol.
Desde 1999, Ford ha producido esta versión de consumo versátil de
combustibles con motor de 3.0 litros. La camioneta puede funcionar con
cualquier combinación de gasolina y etanol.
Un sensor mide el contenido de etanol y gasolina en el combustible y
ajusta los inyectores de combustible mientras opera. El combustible ya
preparado (conocido como E85), se vende en algunas gasolineras (USA),
mezclado con 15% de gasolina. La gasolina sirve para desnaturalizar al
etanol y proveer la presión de vapor necesaria para arrancar el motor en
ambientes fríos, ya que ésta tiene una presión de vapor mayor que la del
etanol.
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Termodinámica: Celdas de Combustible
(Termoquímica)
Este vehículo, usa un motor eléctrico energizado por una celda de
combustible y una batería. Impulsado sólo por el hidrógeno puro
comprimido, tiene una velocidad de más de 95 millas por hora y una
independencia de más de 180 millas.
Vehículo
Toyota de
Celdas de
combustible
(Hidrógeno)
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Termodinámica: (Termoquímica)
Orion II
Prototipo híbrido
eléctrico.
Manufacturado por
Bus Industries of
America.
Autobús prototipo. Eléctrico e impulsado por gas natural.
Opera silenciosamente con emisiones extremadamente bajas.
2002
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Termodinámica
Superconductores
Caracterización de
Materiales
Superconductores
Determinación de los
niveles de resistencia
de Superconductores
de “alta” temperatura
de transición.
(Baño de nitrógeno
líquido)
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Energía Nuclear
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País UNID MW (net)
1. Estados Unidos 104 101.216
2. Francia 58 63.236
3. Japón 55 47.348
4. Rusia 32 23.084
5. Alemania 17 20.339
6. R. Corea 20 17.716
7. Ucrania 15 13.166
8. Canadá 18 12.679
9. R. Unido 19 11.035
10. China 12 9.624
11. Suecia 10 9.399
12. España 8 7.448
13. Bélgica 7 5.943
14. India 19 4.183
15. R. Checa 6 3.686
País UNID MW (net)
16. Suiza 5 3.252
17. Finlandia 4 2.721
18. Bulgaria 2 1.906
19. Brasil 2 1.901
20. Hungría 4 1.880
21. Sudáfrica 2 1.842
22. Eslovaquia 4 1.760
23. México 2 1.310
24. Rumanía 2 1.310
25. Argentina 2 935
26. Eslovenia 1 696
27. Países Bajos 1 485
28. Pakistan 2 400
29. Armenia 1 376
Energía Nuclear
Fuente: Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA)-agosto 2010
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Centrales
nucleares
(2013)
País UNID MW (net)
1. Estados Unidos 104 102.136
2. Francia 58 63.130
3. Japón 44 44.215
4. Rusia 33 23.643
5. Alemania 9 12.068
6. R. Corea 23 20.739
7. Ucrania 15 13.107
8. Canadá 20 14.135
9. China 17 12.860
10. Reino Unido 18 9.938
11. Suecia 10 9.395
12. España 8 7.560
13. Bélgica 7 5.927
14. India 20 4.391
15. R. Checa 6 3.804
16. Suiza 5 3.278
17. Finlandia 4 2.752
18. Bulgaria 2 1.906
19. Hungría 4 1.889
20. Brasil 2 1.884
21. Sudáfrica 2 1.860
22. Eslovaquia 4 1.816
23. México 2 1.530
http://www.minetur.gob.es/energia/nuclear/centrales/mundo/paginas/centrales_mundo.aspx
Consultada el 1 de febrero de 2016
Fuente:
Organismo
Internacional de
Energía Atómica
(OIEA)
Febrero de 2016
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Energía
Nuclear
• Laguna Verde 1 Laguna Verde, Veracruz, Mexico
Boiling Water Reactor (BWR)
Salida Neta: 654 MWe
Operable. Initial criticality: 11/1988. Commercial start: 07/1990.
• Laguna Verde 2 Laguna Verde, Veracruz, Mexico
• Boiling Water Reactor (BWR)
Net Output: 654 MWe
Operable. Initial criticality: 07/1994. Commercial start: 06/1995.
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Laguna Verde
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Energía Nuclear
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Diagrama de un reactor nuclear
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¿Qué nos toca a nosotros?
• Se aceptan propuestas…