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Termodinámica Básica
2.1
Definiciones
2
básicas
Masa: es la cantidad de materia de un cuerpo, siendo una propiedad inherente al
cuerpo, independientemente de donde se encuentre (un cuerpo tendrá la misma
masa en la Tierra que en la Luna). Se representa por la letra m, y su unidad de
medida básica en el Sistema Internacional (SI) es el kilogramo (kg), empleándose
también los múltiplos y submúltiplos.
Peso: magnitud derivada de la anterior, correspondiente a la fuerza con que un
cuerpo de masa (m) es atraído, en nuestro caso, por la Tierra. El peso y la masa
son proporcionales según la expresión: P = m · g
En donde g es el factor de aceleración de la gravedad, que en el caso de la Tierra
equivale a 9,81 m/s2
La unidad de medida básica del peso (o la fuerza) en el SI es el newton (N).
En el Sistema Técnico se emplea el kilopondio (kp) o kilogramo-fuerza (kgf),
correspondiente al peso (o la fuerza) para una masa de 1kg en la superficie
terrestre. La equivalencia entre N y kp es:
1 kp = 1 kg · 9,81 m/s2 = 9,81 N
En el Sistema Cegesimal (CGS) se emplea el gramo (g) como unidad de masa y la
dina (dyn) como unidad de peso o fuerza. En el sistema inglés, la unidad de masa
es la libra (lb) y la unidad de fuerza la libra-fuerza (lbf).
Temperatura: se define como la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo.
Se mide en el Sistema Internacional de unidades en K (Kelvin). Comúnmente se
utiliza la escala centígrada º C y para la transformación de una unidad a otra la
siguiente expresión: º C = K - 273,15.
En climatización se utilizan los términos temperatura seca y temperatura de rocío.
Temperatura de rocío cuando para cada composición de aire húmedo, si se
mantiene constante la presión de vapor, tenemos una temperatura, en la que se
produce saturación de vapor de agua.
Densidad: Se define como la proporción de masa de un objeto con respecto a su
volumen. Se expresa con la letra ρ y su unidad en el Sistema Internacional es kg/m3.
2 Termodinámica Básica
Se entiende por temperatura seca, la temperatura del aire húmedo ya que sus
componentes son el aire seco y el vapor de agua que contiene.
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Presión: se define como la relación entre la fuerza y la superficie (P = F/A). Su
unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa), siendo esta unidad muy
pequeña utilizaremos el kPa.
Energía: se define como la capacidad para realizar un trabajo. Su unidad en el
Sistema Internacional es el Julio (J) que se define como el trabajo realizado por 1
Newton cuando se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza.
2.2
Calor
y transmisión de calor
Hemos definido el calor como una forma de energía cuya manifestación externa
es la temperatura.
Supongamos dos recipientes idénticos separados y conteniendo ambos 1 litro de
agua a 20ºC; si calentamos el primer recipiente mediante una llama, el agua
contenida en éste irá captando el calor transmitido e incrementado su temperatura.
La mayor o menor capacidad para captar o ceder energía en forma de calor es
una propiedad intrínseca del material. A nivel cotidiano, todos podemos observar
que si suministramos una misma cantidad de calor a dos cantidades idénticas pero
sustancias diferentes, la temperatura final no será la misma. Esta diferencia de
capacidad para la variación de temperatura depende de la naturaleza del material
y viene determinada por el calor específico (ce), definido como la cantidad de
calor que será necesario suministrarle a la unidad de masa del material para
incrementar en una unidad su temperatura.
De este modo, y recordando la definición de kcal, para el caso del agua (sustancia
patrón), el calor específico (ce) es 1 kcal/kg ºC.
Así, la cantidad de calor cedida al agua del ejemplo será proporcional a su calor
específico, a la masa de sustancia que estamos calentando y a la diferencia de
temperatura generada.
donde:
Q = m · ce · ΔT
Q; cantidad de calor transmitido (kcal)
m; masa del cuerpo (kg)
ce; calor específico del material (kcal/kg ºC)
ΔT; diferencia de temperatura (ºC)
Las unidades indicadas corresponden a las del Sistema Técnico, pero podemos
emplear las del SI (kW, kg, ºC) u otras, siempre que sean coherentes entre ellas.
Si calentamos el primer recipiente del ejemplo hasta una temperatura de 100ºC,
la cantidad de calor aportada al agua será de:
Q = m · ce · ΔT = 1 kg ·1 kcal/kg·(100-20)ºC = 80 kcal
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1L
1L
H2O
H2O
20ºC
20ºC
1L
80 kcal
1L
H2O
H2O
100ºC
40
al
kc
1L
20ºC
H2O
60ºC
1L
H2O
60ºC
Este calor, que al ser aplicado provoca
un aumento de temperatura o bien que
se transmite debido a una diferencia
de temperaturas, es conocido como
calor sensible (calor que se nota).
Si ahora ponemos los dos recipientes
en contacto directo, y suponemos que
se trata de un sistema ideal en el cual
no existe cesión de calor al exterior,
se establecerá un paso de calor desde
el primer recipiente al segundo,
debido a la diferencia de temperatura
de ambos.
El líquido del primer recipiente cederá
calor al segundo hasta llegar a un
estado de equilibrio en que ambos
estén a la misma temperatura.
Fig. 2.1 Transmisión de calor sensible
En contraposición al calor sensible
tenemos el calor latente, calor
necesario que hay que aportar para que haya un cambio de fase sin que aumente
la temperatura mientras se realiza este cambio.
Tomando como ejemplo los cambios de fase del agua, vemos que el calor transmitido
en el paso de sólido a líquido y de líquido a vapor no se emplea en modificar la
temperatura, que se mantiene constante a 0 y 100ºC respectivamente
0ºC
100ºC
0ºC
Calor latente de
fusión 80 kcal/kg
Calor sensible
100ºC
Calor latente de
vaporización 540 kcal/kg
2.3
Diagrama
Mollier)
del ciclo de refrigeración
(Diagrama
de
El conocimiento del ciclo de compresión de vapor requiere un estudio intenso no
sólo del proceso individual, sino también de las relaciones que existen entre los
diversos procesos que componen el ciclo completo.
2 Termodinámica Básica
Fig. 2.2 Calor sensible y calor latente
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Los procesos termodinámicos que tienen lugar en las instalaciones frigoríficas
necesitan para su cálculo numerosas fórmulas y tablas de datos. El ingeniero
alemán Richard Mollier (1836-1935) elaboró un diagrama de estado que permite
representar las magnitudes más importantes de los fluidos frigorígenos y los
procesos correspondientes de una manera clara y fácil.
Las cantidades de calor, trabajo y las diferencias de presión aparecen de forma
medible, lo que facilita considerablemente el cálculo, aproximado, de las magnitudes
de los procesos y, también, el dimensionado de los elementos que entran en las
instalaciones frigoríficas. Estas ventajas han hecho a estos diagramas de entalpía–
presión una herramienta valiosa dentro de la técnica del frío.
Cada refrigerante tiene su diagrama, pero la configuración exterior es prácticamente
la misma. Esto quiere decir que el diagrama de cada refrigerante tiene su propia
forma y dimensiones y no puede utilizarse uno cualquiera para todos los casos,
sino que debe utilizarse el específico del refrigerante.
En general, el diagrama de Mollier muestra los estados físicos de una sustancia en
función del aporte de calor y de presión.
La entalpía, como ya se ha comentado, representa la energía total y es designada
por la letra h.
La presión, la mayoría de las veces, viene expresada por su logaritmo (log p).
k
a Línea de fusión
lg p
b Línea de solidificación
c Línea de ebullición
a b
d Línea de vapor saturado
c
e Línea triple
r
f
Línea de desublimación
g Línea de sublimación
e
g
f
i
Calor de fusión y de solidificación
r
Calor de vaporización y de condensación
k
Punto crítico
h
Fig.2.3 Ilustración esquemática del diagrama , log p-h
Para la técnica del frío se ha seleccionado una zona restringida del diagrama de
Mollier, donde no hay más que las fases “líquida” y “vapor” así como sus mezclas.
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