Aplicación de la primera ley de la termodinamica en la industria

APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN LA INDUSTRIA

RESUMEN

La termodinámica es una ciencia y, quizá la herramienta más importante en la ingeniería, ya que se encarga de describir los procesos que implican cambios en temperatura, la transformación de la energía, y las relaciones entre el calor y el trabajo. De esta definición básica parte gran cantidad de aplicaciones en el vasto mundo de la ingeniería. Es impresionante ver cómo la termodinámica es un pilar fundamental para muchos de los procesos que se llevan a cabo en la industria química, y más aun en procesos de ingeniería de Alimentos. Mencionar algunos ejemplos de aplicación como lo es en turbinas, unidades de refrigeración en donde se emplea el propano, de igual manera en la compresión de gases; entre otros.

Palabras claves: termodinámica, industria, primera ley.

ABSTRAC

Thermodynamics is a science, and perhaps the most important tool in engineering, since it is responsible for describing the processes that involve changes in temperature, energy transformation, and the relationship between heat and work. Part of this basic definition wide range of applications in the vast world of engineering. It is impressive to see how thermodynamics is an essential pillar for many of the processes that take place in the chemical industry, and even more in Food engineering processes. Mention some examples of application such as turbines, refrigeration units where propane is used, just as in the compression of gases, among others.

Keywords: thermodynamics, industry, the first law.

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INTRODUCCION

La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.

Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.

OBJETIVOS

Aplicaciones de la Primera Ley

• Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene intercambio de masa con el resto del universo termodinámico. También es conocido como masa de control.

El sistema cerrado puede tener interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo a través de su frontera.

La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial y teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico) es:

ΔU = Q − W

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema, W es el trabajo total e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

• Sistemas abiertos2

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.

La ecuación general para un sistema abierto en un intervalo de tiempo es:

O igualmente:

Q − W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔEsistema

in out

Donde:

in representa todas las entradas de masa al sistema. Out representa todas las salidas de masa desde el sistema. θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende la entalpía, energía potencial y energía cinética:

La energía del sistema es:

La variación de energía del sistema en el intervalo de tiempo considerado (entre t0 y t) es:

• Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que el balance de energía queda:

• Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior2

APLICACIONES TERMODINAMICAS EN INGENIERIA

Podemos empezar por ver las turbinas, bien sean accionadas con vapor o turbinas de gas. Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor o los gases de combustión entran por las toberas y se expanden hasta una presión más baja. Al hacerlo la corriente de vapor/gas, adquiere una gran velocidad. Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los alabes de la tur-bina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica. Adicionalmente, la turbina puede ir unida, bajo un mismo eje con un compresor; este se conoce como integración energética en la que el trabajo generado por la turbina lo emplea el compresor para comprimir el gas a la presión que se necesita. Es mas, en varias plantas de proceso, específicamente en una de LPG he visto como se hace todo un estudio completo de ingeniería para poder implementar la integración energética entre corrientes de proceso mediante el uso de inter-cambiadores de calor (feedbottom, feedeffluent, etc...). La integración energética anteriormente mencionada es un ejemplo real de cómo se manejan las plantas turboexpander para la recuperación de los licuables de una corriente de gas de alta presión. 1

Las unidades de refrigeración son otro ejemplo de la termodinámica aplicada a la industria, sobre todo en las plantas mencionadas se emplean sistemas de refrigeración con propano para los sistemas de enfriamiento, que generalmente son chillers donde el propano se bombea por la coraza y se evapora completamente con el fin de enfriar o condensar la corriente de proceso; estas unidades utilizan el principio de enfriamiento por evaporación, son intercambiadores tipo kettle debido al alto porcentaje de vaporización del propano.1

Una pregunta muy común es qué pasa cuando un fluido a alta presión, específicamente un gas, pasa por una válvula y se despresuriza, qué pasa con la temperatura antes y después, qué pasa con la entalpía antes y después de la válvula?, estas preguntas se responden empleando

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