Influencia De La Altura En La Termodinamica

INFLUENCIA DE LA ALTITUD EN LA TERMODINÁMICA

Como sabemos, nuestro planeta no está completamente nivelado existen distintas alturas con respecto a la superficie del mar, tenemos el Monte Everest, Nepal-Tíbet, China con 8848 msnm y el punto más bajo en las orillas del Mar muerto,Israel-Jordania con -411 msnm y no todos esos lugares tienen las mismas características y por ende todos los procesos termodinámicos no son iguales en todas las zonas.

A continuación se mostrará la influencia que tiene la altitud en distintas zonas geográficas sobre la termodinámica, analizándolo capítulo por capítulo.

Sustancia Pura

En el capítulo de sustancia pura se aprendió a utilizar las tablas termodinámicas, en las cuales pudimos notar que a cada presión le corresponde una temperatura de saturación (temperatura de ebullición) y que a cada temperatura de saturación le correspondía una presión de saturación.

En la figura de la campana termodinámica podemos notar una línea de color rojo, esa línea representa una presión de saturación y su correspondiente temperatura de saturación.

A cada presión le corresponde únicamente una temperatura de saturación y viceversa.

Sabemos por conocimientos de ciencia previos, que el agua hierve al llegar a los 100°C, ¿pero es esto totalmente cierto?

Como se dijo anteriormente, a cada presión le corresponde únicamente una temperatura y a cada temperatura, una presión. Entonces, ¿será correcto decir que el agua hierve a 100°C? En parte es cierto, hierve a 100°C, pero a una determinada presión.

Por tablas termodinámicas determinaremos a qué presión le corresponde la temperatura de 100°C.

En la tabla termodinámica del agua, encontramos que a una temperatura de saturación de 100°C le corresponde un presión de saturación de 101.35 kPa.

Dicha presión hallada corresponde solo a una latitud, una latitud de 0 m; esto quiere decir que estamos hablando del nivel del mar, el nivel del mar es el único punto donde podemos tener una presión de 101.35 kPa y una temperatura de saturación de 100°C.

Entonces, podemos llegar a la burda conclusión de que la temperatura de ebullición está en función de la presión atmosférica.

¿Y cómo puede hallarse la presión atmosférica para distinta altitud?

Para responder esta interrogante, podemos recurrir a la ECUACIÓN ALTIMÉTRICA DE LA PRESIÓN.

Donde:

P: presión atmosférica a hallar

Po: presión atmosférica a nivel del mar

H: altitud

Para Arequipa la altura es de 2335 msnm, y reemplazando en la ecuación:

Con esta presión, recurrimos a tablas termodinámicas nuevamente.

Interpolando:

(99.63-91.78)/(100-75)=(T_sat- 91.78)/(75.67578079-75)

T_sat=91.9922 °C

Esta es la temperatura de ebullición del agua para la ciudad de Arequipa.

Luego de haber realizado estas observaciones, podemos concluir que:

A mayor altitud, menor presión atmosférica.

Cuando la presión atmosférica disminuye, la temperatura de ebullición del agua también disminuye.

La pasteurización se realiza a los 100°C, así que lo recomendable es dejar el calentador o recipiente, que se utilice para hacer hervir el agua, unos minutos más en el fuego luego de haber hervido.

NOTA: Esta observación es válida únicamente para sistemas abiertos a la atmósfera.

Trabajo y Calor

Para analizar la influencia de la altitud en el trabajo, podemos encontrar un claro ejemplo en las máquinas; toda máquina reduce su eficiencia a mayor altitud, cuando están al nivel del mar tenemos el mejor desempeño.

Como vimos anteriormente, a mayor altura sobre el nivel del mar existe una menor presión atmosférica y menor concentración de oxígeno en el aire, por lo que la combustión resultante es más pobre. En los motores turbo-cargados y/o super-cargados, el efecto es mucho menor debido a que estos dispositivos inyectan aire a presión en los cilindros logrando un mejor llenado de éstos.

El llenado de los cilindros es mas lento,en los vehiculos diesel el problema es aun mayor por el alto régimen de compresión los que van a la altura por lo general son turbo diesel, por que como es sabido a mayor altura menor presión atmosférica. En vehículos a nafta los equipados con carburador sufrían más este problema que los de inyección.

En los autos de carburador, esta falta de aire se compensa adelantando el tiempo del motor, por eso, cuando bajas un auto de la cuidad de Arequipa al nivel del mar, cascabelea, condición que se corrige atrasando el tiempo.

Esto no sucede en autos de inyección y computadora justamente porque la misma se encarga de corregir la curva de avance y tiempo; tampoco en motores turboalimentados o con soplador por que la entrada de aire es a presión.

Se han hecho muchos estudios al respecto y a la fecha se tiene calculado que un motor aspirado pierde un 2% de su potencia por cada 100 metros de elevación sobre el nivel del mar. Dado este cálculo, por ejemplo, en la Ciudad de Arequipa, que está situada a 2335 m.s.n.m. la potencia que pierde un motor atmosférico es de un 46.7%, por lo que la potencia aprovechable de ese motor es apenas del 53.3%

Primera Ley

En la primera ley, se relaciona el calor con el trabajo; si el calor varía su valor, hará que el trabajo también varíe; y viceversa.

Un motor industrial genera calor debido a las pérdidas internas (roces, pérdidas Joule, pérdidas de fierro, pérdidas varias, etc), y necesita traspasar este calor hacia el ambiente, por lo que precisa de una masa de aire frío que actúe como vehículo de esta transferencia de calor. Si tenemos un motor de inducción autoventilado, con un ventilador acoplado al eje del rotor, la potencia que se gasta en impulsar una masa de aire externo hacia el interior de la máquina es:

Donde K es un factor que depende de la geometría del ventilador, ρ aire es la densidad del aire, y n, la velocidad de giro del rotor.

Se observa que esta expresión indica que existe proporcionalidad en la potencia requerida para ventilar una cierta masa

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