Conceptos Básicos de Termodinámica y Combustibles

Introducción a los Sistemas Térmicos.

Conceptos y leyes Fundamentales relativas a la materia.

Concepto físico de MATERIA
En física, se llama materia a cualquier tipo de entidad física que es parte del universo observable, tiene energía asociada, es capaz de interactuar, es decir, es medible y Ocupa un lugar en el Espacio. Clásicamente se consideraba que la materia tiene tres propiedades que juntas, la caracterizan: que ocupa un lugar en el espacio y que tiene masa y duración en el tiempo.

MASA: La masa es una propiedad general de la materia, es decir, cualquier cosa constituida por materia debe tener masa. Además es la propiedad de la materia que nos permite determinar la cantidad de materia que posee un cuerpo. Aunque no es lo mismo, el peso y la masa son proporcionales, de forma que al medir uno se puede conocer la otra y, de hecho, en el lenguaje corriente, ambos conceptos se confunden.

La masa puede medirse en muchas unidades, lo que depende no sólo de la nación, sino de la profesión. Así, los joyeros miden la masa de las piedras preciosas en quilates, los ingleses miden la masa en libras, etc. En el Sistema Internacional (SI), que es usado por los científicos y técnicos de todo el mundo y en la mayoría de los países, la masa se mide en kilogramos, aunque también es muy empleado el gramo.
Dependiendo de la masa a medir se emplean, en lugar del kilogramo o el gramo, alguno de sus múltiplos, de forma que los números obtenidos sea más fácil de usar.

VOLUMEN: Además de masa, los cuerpos tienen una extensión en el espacio, ocupan un volumen. El volumen de un cuerpo representa la cantidad de espacio que ocupa su materia y que no puede ser ocupado por otro cuerpo.
El volumen también es una propiedad general de la materia y, por tanto, no permite distinguir un tipo de materia, una sustancia, de otra, ya que todas tienen un volumen. Cuando un cuerpo está hueco o posee una concavidad, ésta puede rellenarse con otra sustancia. Así una botella o un vaso se pueden llenar de un líquido o de aire. El volumen de líquido que puede contener se llama capacidad.

Volumen =m-dm3-cm3-mm3

1 m3= 1000 lt.

En general en este caso la sustancia de trabajo es un Fluido. Para nuestro caso los fluidos importantes y que ocupan Volumen son: El aire y agua.

Concepto de sistema.
Es una sustancia que ocupa un volumen.

esquema de un sistema

TEMPERATURA: Aunque de forma subjetiva, podemos definir la temperatura como aquella propiedad de los cuerpos que nos permite determinar su grado de calor o frío, pero teniendo presente que calor y temperatura son cosas distintas.
Todos los cuerpos están formados por átomos y moléculas y dichos átomos y moléculas están en constante movimiento, bien desplazándose (en los líquidos y gases) bien vibrando (en los sólidos). Puesto que se mueven, estas moléculas están dotadas de una velocidad. La temperatura de un cuerpo está relacionada con la velocidad de las moléculas que la forman y, así, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad de sus moléculas.

Otra Definición: Condición de los cuerpos en Virtud de la cual pueden Intercambiar Calor

La T° SE MIDE EN:
°C(Celsius) – Kelvin- °F (Fahrenheit.)

Conversión y Equivalencia de Unidades
F= 1,8°C *32F
°F = 1.8 °C + 32 = 9/5 °C + 32
°C = 5/9 (°F – 32) = (°F -32) /1.8

a) Si los grados F son bajo Cero (0), se suma 32 y se divide el total por 1,8 dando el equivalente en °C BAJO CERO.
Ósea: (F + 32) : 1,8 = °C bajo Cero.
b) Si los grados F, son entre 0 y 32 Dedúzcanse de 32 y se divide el resto por 1,8. El resultado son grados Celsius bajo Cero.
Ósea: (32-F): 1,8 = °C.
c) Si los grados Fahrenheit son superiores a 32°F, dedúzcase 32 de dicho valor y se divide el resto por 1,8 y se obtiene los grados Celsius equivalentes.
(F – 32): 1,8 = °C sobre CERO.
GRADOS KELVIN K= 1°C +273

PRESION.
Los fluidos se mueven si se produce una diferencia de presión.
Es el cociente entre o resultante de una fuerza que actúa sobre una unidad de superficie.
En otras palabras es el ESFUERZO NORMAL sobre una Superficie.
Presión = Fuerza /Superficie
F= masa * aceleración
Presión en los FLUIDOS: ESTA es MULTIDIRECCIONAL, quiere decir que va en distintas direcciones.
Presión en los SOLIDOS: es UNIDIRECCIONAL.

Porque si en una piscina, colocados en posición vertical nos hundimos, en la horizontal podemos flotar?
Respuesta: si bien el peso de nuestro cuerpo es el mismo, en el primer caso este actúa sobre una superficie menor y en el segundo la superficie de contacto es mayor.

TIPOS DE PRESION.
Presión Atmosférica o Barométrica:

“Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre”
“La presión atmosférica disminuye con la altura”
Ejemplo.

presión atmosférica

 

Presión Relativa:
“Es la diferencia de presión entre un recinto y la atmosfera circundante”

Unidades de Presión.
La presión atmosférica se suele expresar en mm de mercurio (milímetros de mercurio) o Torricelli, diciéndose que  la presión normal, a nivel del mar es de 760 mm de Hg. Este valor se llama también una atmósfera. Sin embargo, los “hombres del tiempo” suelen utilizar otra unidad para medir la presión: el milibar.
En cualquiera de las unidades, la presión que se considera normal a nivel del mar tiene un valor de:

RELACIONES DE PRESION.
1 atmósfera (Atm) = 760 mm de Hg ó 1.012,9 milibares= 10,33 mH20=14,696 PSI = 1,01325 BAR

medidas de presión

Por lo tanto:
Presión Relativa se divide en Presión Manométrica (+) y Vacuometrica (-)
Presión Absoluta: es la presión atmosférica más la presión relativa.
P. Atm + P. Relativa = Presión Absoluta.

 

DENSIDAD: Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir lo pesado o liviano de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.
La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Es decir, se calcula dividiendo la masa de un cuerpo entre su volumen.

formula densidad

La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la gasolina, de densidad más baja.

Aunque los barcos, especialmente los mayores, se construyan con acero y éste tenga una densidad mayor que el agua, flotan porque no son macizos: La mayor parte del barco es espacio vacío, aire. Así, aunque la densidad del acero es mayor que la del agua, la densidad del barco no lo es, es más pequeña, flotando sobre ella.

Unidades de Densidad:
Kg/m3; litros/m3: gr/ m3

Algunas densidades.

Densidad del aire:
1,2 Kg/m3 a Presión atmosférica y T° de 20°C
“La densidad del aire varia con la Temperatura” 

Energía
Históricamente los conceptos de Calor y Trabajo anteceden el concepto de
Energía. Hoy estamos acostumbrados a decir que Calor y Trabajo son formas de
Energía. Dado que energía es un concepto más amplio, la definición no es tan sencilla.
Se acostumbra a decir que:

“Energía es la capacidad de realizar trabajo”

 El concepto de energía surge cuando se constata que existe equivalencia. Entre calor y trabajo. Es decir cuando se disipa una cierta cantidad de trabajo, siempre se origina la misma cantidad de calor.

Calor
El concepto de Calor está asociado a la energía contenida en la materia. A nivel molecular, uno puede decir que el calor tiene que ver con la energía Cinética de las moléculas que constituyen el sistema.
El calor pasa siempre del cuerpo más caliente al másfrio, o atraves de todo objeto.
Existen tres métodos de transmisión del calor.

1.- Radiación: Es un proceso por el cual fluye calor desde un cuerpo a alta temperatura a uno de baja temperatura, cuando estos están separados por un espacio, que incluso puede ser el vacío. Todos los cuerpos emiten calor radiante en forma continua.
La intensidad de esta dependerá de la temperatura y de la naturaleza de la superficie (ejemplo. Color, textura).
2.-CONDUCCION: Es un proceso por el cual fluye calor de una región de alta temperatura a una de baja, dentro de un medio.

La energía se transmite por vibración molecular, sin desplazamiento apreciable de estas.
Q = -k * A * dt/dx enbtu/hr; watt ; Kcal/ hr.

transmisión energía esquema

3. CONVECCION: Proceso de transporte de energía por la acción combinada de la conducción del calor, el almacenamiento de energía y el movimiento de masa. Tiene gran importancia como mecanismo de transferencia de energía entre un sólido, un líquido o un gas.

Qconv.= h * A * / Tw – T∞/

El Calor se puede dividir en el CASO de los FLUIDOS en:
Calor sensible
Cambia de T° pero Conserva la FASE
ECUACION: Q: m * C * DT
Dónde:
Q: CALOR
m : masa o flujo másico
C : Calor especifico(depende del fluido).
Agua Líquida = 1 Kcal/Kg * °C = 4,2 Kjoule/ Kgm * °C

DT: Diferencia de T°(T°Final – T°Inicial)

Calor Especifico: del agua se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura, en un grado Celsius, de un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C•g, que es igual a 4,1840 J/C•g.
“Es la característica que hace que absorba o disipe mayor o menor calor”

Ejemplo: En el caso de agua antes de la ebullición

Calor Específico

equivalencia calórica leñas

Calor latente
Cambia de Fase conserva la T°
Es la cantidad de calor necesario para cambiar el estado de un cuerpo sin alterar su temperatura.
ECUACION: Q: m * (hfg)
Dónde:
Q: CALOR
m : masa o flujo másico
hfg : Diferencia de entalpia
hfg = (hf – hi)
hfg: Diferencia de entalpia (h Final – h Inicial)

“EL FRIO NO EXISTE teóricamente como termino positivo, sino que representa simplemente ausencia de calor.”

Ejemplo: La sensación de frio que se nota al aproximar la mano a un trozo de hielo no obedece a que se desprende frio del hielo, sino el calor que posee la mano se transfiere al hielo, lo cual hace también que se derrita.

PROPIEDADES DE LOS GASES.
El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas.
Podemos decir entonces que el volumen ocupado por un gas (V) depende de la presión (P) y la temperatura (T).

Las propiedades de la materia en estado gaseoso son:

1. Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma la forma de su nuevo recipiente.
2. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión.
Ejemplo de uso : en un COMPRESOR.
3. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus partículas, los gases se esparcen en forma espontánea.
4. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente proporcional a la temperatura aplicada.

Variables que afectan el comportamiento de los gases

1. PRESIÓN: Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los gases esta fuerza actúa en forma uniforme sobre todas las partes del recipiente.
La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie terrestre. Se origina del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire hay por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor.

TEMPERATURA

Es una medida de la intensidad del calor, y el calor a su vez es una forma de energía que podemos medir en unidades de calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno frío, el calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío.
La temperatura de un gas es proporcional a la energía cinética media de las moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor temperatura y viceversa.
La temperatura de los gases se expresa en grados kelvin.

3. CANTIDAD: La cantidad de un gas se puede medir en unidades de masa, usualmente en gramos. De acuerdo con el sistema de unidades SI, la cantidad también se expresa mediante el número de moles de sustancia, esta puede calcularse dividiendo el peso del gas por su peso molecular.

4. VOLUMEN: Es el espacio ocupado por un cuerpo.
5. DENSIDAD: Ya estudiada en unidad anterior.

Tipos de combustibles y coeficientes calóricos.

Se conoce como combustible a toda sustancia orgánica, que al combinarse con el oxígeno produce una reacción de oxidación con desprendimiento de calor. El aporte del oxígeno lo realiza el comburente, que habitualmente es el aire ambiente, en algunos casos es aire caliente, en ocasiones aire enriquecido con oxígeno, y hasta oxígeno puro.

Los combustibles se clasifican en:
Combustibles sólidos: carbón, residuos sólidos urbanos, Biomasa, pellet
Combustibles líquidos: fuelóleo, gasóleo.
Combustibles gaseosos: GLPs, gas natural, biogás…

Combustibles Gaseosos: Los combustibles gaseosos están formados por hidrocarburos en sus moléculas, que son, compuestos moleculares que contienen carbono e hidrógeno. Las propiedades y características de los diferentes gases dependen del número y disposición de los átomos de carbono e hidrógeno. Todos estos gases son inodoros en estado puro, por eso es necesario añadir compuestos de azufre como odorizantes que sirven para advertir un escape en las tuberías o en los aparatos de gas.

En el caso de los combustibles gaseosos se clasifican en tres(3) Familias.

a.- Primera familia: constituidas por los gases manufacturados, cuyo principal constituyente es el gas de ciudad, el que se distribuye mediante una red de tuberías, desde la fábrica de gas hasta los domicilios de los consumidores en algunas ciudades. También pertenecen a esta familia el aire butanado o propanado para mejorar sus características.

b.- Segunda familia: la formada por los gases naturales y las mezclas equivalentes de otros gases (aire butanado y propanado) con mayor proporción de los gases butano y propano, que en las mezclas de la primera familia.

c.- Tercera familia: la formada por el propano y el butano, como productos derivados de la destilación del petróleo y que se conservan en forma líquida en depósitos (aparte de una pequeña fracción en forma gaseosa) y de lo cual se deducen las siglas que los identifican: G.L.P. (gases licuados de petróleo).

Combustibles sólidos

La leña.

Ventajas de la leña como Combustible.

  • Es una energía local. Casi siempre se produce y comercializa en la misma región donde se utiliza. No dependemos de otros países para su abastecimiento.
  • Es una energía renovable. Los bosques crecen todos los años y si se extrae de ellos una cantidad inferior a su crecimiento, se podrá aprovechar esta energía en forma indefinida.
  • Es económica. Calefaccionarse con leña es hasta 6 veces más barato que con electricidad, 5 veces más que con gas y 4 veces más económico que con petróleo.

Ventajas de la leña certificada

  • Es leña de calidad: seca, con mayor poder calorífico y menos contaminante.
  • Es un producto legal: cumple con la normativa vigente.
  • Proviene de bosques bien manejados y no representa una amenaza para su conservación.
  • Incorpora información veraz al consumidor: contenido de humedad, especie y unidad de venta.
  • Está respaldada por el Sistema Nacional de Certificación de Leña (SNCL) , que vela porque todo lo anterior se cumpla.

contenido energético en base al volumen leñas

tabla costo combustibles

tabla combustibles

 

Pellet como combustibles

Calderas de pellets
Características generales
El pellet es un combustible de madera virgen seca y prensada en pequeños cilindros, sin aditivos. El peso específico del pellet a granel es de aproximadamente 6-700 kg/m3, mucho más alto que el de otros combustibles no prensados de madera (astillas). El poder calorífico alcanza las 4.200 kcal/kg, con una densidad energética de 3000 – 3.400 KWh/m3.
A causa de la forma cilíndrica y lisa y del tamaño pequeño, el pellet tiende a portarse como un fluido, lo que facilita el movimiento del combustible y la carga automática de las calderas. El transporte puede realizarse con camiones cisterna, desde los cuales se bombea directamente en el depósito de almacenamiento del sistema. La alta densidad energética y la facilidad de movimiento hacen del pellet el combustible vegetal más indicado para sistemas de calefacción automáticos de todos los tamaños. El pellet de madera puede utilizarse en las calderas de astillas o en calderas proyectadas especialmente para pellet. Es posible incluso utilizar el pellet en algunos modelos de calderas de gasóleo, a través de quemadores especiales.