Un gas ideal se define como uno en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no hay fuerzas de atracción intermoleculares. Ingenieria termal
¿Qué es un gas ideal?
Un gas ideal se define como uno en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no hay fuerzas de atracción intermoleculares . Un gas ideal puede visualizarse como una colección de esferas perfectamente duras que chocan pero que, de lo contrario, no interactúan entre sí. En realidad, ningún gas real es como un gas ideal y, por lo tanto, ningún gas real sigue completamente la ley o ecuación del gas ideal . A temperaturas cercanas al punto de ebullición de gases , aumenta la presiónprovocará la condensación y una disminución drástica del volumen. A presiones muy altas, las fuerzas intermoleculares de un gas son significativas. Sin embargo, la mayoría de los gases están en acuerdo aproximado a presiones y temperaturas superiores a su punto de ebullición. Los ingenieros que trabajan con gases utilizan la ley de los gases ideales porque es simple de usar y se aproxima al comportamiento real de los gases.
JR Lamarsh, Introducción a la teoría del reactor nuclear, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la Ingeniería Nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
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pV = nRT. En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, a saber, R = 8.31 J / mol K. Ingeniería térmica
Constante universal de gas
Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se llama ecuación de estado . La ecuación de estado más simple y mejor conocida para las sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado del gas ideal . Émile Clapeyron lo declaró por primera vez en 1834 como una combinación de la ley empírica de Boyle, la ley de Charles y la ley de Avogadro. Esta ecuación predice el comportamiento pvT de un gas con bastante precisión para gases diluidos o de baja presión. En un gas ideal, las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la ley de los gases ideales, la presión varía linealmente con la temperatura y la cantidad , e inversamente con el volumen .
pV = nRT
dónde:
p es la presión absoluta del gas
n es la cantidad de sustancia
T es la temperatura absoluta
V es el volumen
R es la constante de gas ideal, o universal,igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro,
En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante de gas universal que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8.31 J / mol K.
El poder de la ley del gas ideal está en su simplicidad . Cuando se dan dos de las variables termodinámicas, p, v y T , se puede encontrar fácilmente la tercera . Muchas condiciones físicas de gases calculadas por los ingenieros se ajustan a la descripción anterior. Quizás el uso más común del comportamiento del gas estudiado por los ingenieros es el proceso de compresión y el proceso de expansión utilizando aproximaciones ideales del gas.
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La segunda ley de Joule establece: La energía interna de una masa fija de un gas ideal depende solo de su temperatura (no de presión o volumen). Ingenieria termal
Segunda ley de Joule
Para cualquier gas cuya ecuación de estado esté dada exactamente por pV = nRT(o pv = RT ), la energía interna específicadepende solo de la temperatura. Esta regla fue encontrada originalmente en 1843 por un físico inglés James Prescott Joule experimentalmente para gases reales y se conoce como la segunda ley de Joule :
La energía interna de una masa fija de un gas ideal depende solo de su temperatura (no de presión o volumen).
La entalpía específica de un gas descrita por pV = nRT también depende solo de la temperatura. Tenga en cuenta que la entalpía es la cantidad termodinámica equivalente al contenido de calor total de un sistema. Es igual a la energía interna del sistema más el producto de presión y volumen. Por lo tanto, en variables intensivas, la segunda ley de Joule viene dada por h = h (T) = u (T) + pv = u (T) + RT.
Estas tres ecuaciones constituyen el modelo de gas ideal, resumido de la siguiente manera:
pv = RT
u = u (T)
h = h (T) = u (T) + RT
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El modelo de gas ideal se usa para predecir el comportamiento de los gases y es uno de los modelos de sustancias más útiles y comúnmente utilizados jamás desarrollados. Ingenieria termal
Modelo de gas ideal
El modelo de gas ideal se usa para predecir el comportamiento de los gases y es uno de los modelos de sustancias más útiles y comúnmente utilizados jamás desarrollados. Se descubrió que si confinamos muestras de 1 mol de varios gases en un volumen idéntico y mantenemos los gases a la misma temperatura , entonces sus presiones medidas son casi las mismas . Además, cuando confinamos gases a densidades más bajas, las diferencias tienden a desaparecer. Se descubrió que tales gases tienden a obedecer la siguiente relación, que se conoce como la ley de los gases ideales :
R es la constante de gas ideal, o universal,igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro. El poder de la ley del gas ideal está en su simplicidad. Cuandose dandos de las variables termodinámicas , p, v y T, se puede encontrar fácilmente la tercera.
El modelo de gas ideal se basa en los siguientes supuestos:
La presión, el volumen y la temperatura de un gas ideal obedecen la ley del gas ideal .
La energía interna específica es solo una función de la temperatura: u = u (T)
La masa molar de un gas ideal es idéntica a la masa molar de la sustancia real.
Los calores específicos – c p y c v – son independientes de la temperatura, lo que significa que son constantes.
Desde el punto de vista microscópico se basa en estos supuestos:
Las moléculas del gas son esferas pequeñas y duras .
Las únicas fuerzas entre las moléculas de gas son aquellas que determinan las colisiones puntuales .
Todas las colisiones son elásticas y todo movimiento es sin fricción .
La distancia promedio entre las moléculas es mucho mayor que el tamaño de las moléculas.
Las moléculas se mueven en direcciones aleatorias.
No hay otra fuerza atractiva o repulsiva entre estas moléculas.
Validez de la Ley del Gas Ideal
Dado que el gas ideal se define como aquel en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no existen fuerzas de atracción intermoleculares, en la naturaleza no existe un gas realmente ideal. Por otro lado, todos los gases reales se acercan al estado ideal a bajas presiones (densidades) . A bajas presiones, las moléculas están lo suficientemente separadas como para que no interactúen entre sí.
En otras palabras, la Ley del Gas Ideal es precisa solo a presiones relativamente bajas (en relación con la presión crítica p cr ) y altas temperaturas (en relación con la temperatura crítica T cr ). En estos parámetros, el factor de compresibilidad, Z = pv / RT , es aproximadamente 1 . El factor de compresibilidad se usa para explicar la desviación de la situación ideal. Este factor de corrección depende de la presión y la temperatura de cada gas considerado.
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Formas de energia. La energía existe en muchas formas. Las formas de energía comunes incluyen energía mecánica que se divide clásicamente en energía cinética y energía potencial. Ingenieria termal
Qué es energía
El Sol genera su energía por fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno por segundo.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
El término energía es muy amplio y tiene muchas definiciones. Técnicamente, la energía es una cantidad física escalar que está asociada con el estado de uno o más objetos. La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor . A veces es como la “moneda” para realizar el trabajo. Debes tener energía para realizar el trabajo. Para hacer 1 kilojulio de trabajo, debe gastar 1 kilojulio de energía. Debe agregarse, esta interpretación puede ser engañosa porque la energía no está necesariamente disponible para hacer el trabajo.
Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro. Además, cuando se transforma de un tipo a otro y se transfiere de un objeto a otro, la cantidad total de energía es siempre la misma . Es una de las propiedades elementales del universo.
Por ejemplo, quemar gasolina para impulsar automóviles es un proceso de conversión de energía en el que confiamos. La energía química en la gasolina se convierte en energía térmica , que luego se convierte en energía mecánica que hace que el automóvil se mueva. La energía mecánica se ha convertido en energía cinética . Cuando usamos los frenos para detener un automóvil, esa energía cinética se convierte por fricción en calor o energía térmica .
Formas de energia
La energía existe en muchas formas. Las formas de energía comunes incluyen energía mecánica que se divide clásicamente en energía cinética y energía potencial . La energía cinética está relacionada con la velocidad de un objeto en movimiento . La energía potencial está relacionada con la posición de un objeto en un campo de fuerza (gravitacional, eléctrico o magnético). La tensión en un resorte o tensión superficial de la película son otras formas de energía mecánica potencial (energía elástica). Existen muchas otras formas de energía, incluida la energía eléctrica, magnética, química y nuclear .
En termodinámica, el concepto de energía se amplía para tener en cuenta otros cambios observados. La termodinámica trata con otro tipo de energía llamada ” energía térmica ” o ” energía interna “. Las únicas formas en que se puede cambiar la energía de un sistema cerrado son mediante la transferencia de energía por trabajo o por calor . Además, según los experimentos de Joule y otros, un aspecto fundamental del concepto de energía es que la energía se conserva. Este principio se conoce como la primera ley de la termodinámica . En general, la energía es un concepto fundamental de la termodinámica y uno de los aspectos más significativos del análisis de ingeniería.
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Las fuentes de energía secundaria, también llamadas portadores de energía, se derivan de la transformación de las fuentes de energía primaria. Mueven energía de forma utilizable de un lugar a otro. Ingenieria termal
Fuentes de Energía Secundarias – Portadores de Energía
Las fuentes de energía secundaria , también llamadas portadores de energía , se derivan de la transformación de las fuentes de energía primaria. Se llaman portadores de energía, porque mueven energía de una forma utilizable de un lugar a otro. Los portadores de energía conocidos son:
Electricidad
Gasolina
Hidrógeno
Electricidad e hidrógeno a partir de fuentes de energía primaria como el carbón, el gas natural, la energía nuclear, el petróleo y las fuentes de energía renovables. La electricidad es particularmente útil ya que tiene baja entropía (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente. Simplemente, no podemos decir que el hidrógeno tenga potencial para compensar los combustibles fósiles.
Se utilizan fuentes de energía secundarias, porque su uso es más fácil que el uso de una fuente de energía primaria. Por ejemplo, usar electricidad para encender es más seguro que usar petróleo en velas o lámparas de queroseno.
Por otro lado, cualquier conversión de energía primaria en portador de energía está asociada con alguna ineficiencia. Por lo tanto, cuando se trata de una fuente de energía secundaria, siempre debemos considerar la forma, cómo se hizo el portador.
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La fuente de energía primaria (PE) es un recurso energético encontrado en la naturaleza que no ha sido sometido a ningún proceso de conversión o transformación. Ingenieria termal
Fuentes de energía primaria
Indicadores clave para 1993, 2011 y predicción para 2020.
Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013
utilizada con permiso del Consejo Mundial de Energía
La energía primaria (PE) es un recurso energético que se encuentra en la naturaleza y que no ha sido sometido a ningún proceso de conversión o transformación. Es la energía contenida en los combustibles crudos y otras formas de energía recibida como entrada a un sistema. Las fuentes de energía primaria toman muchas formas, incluida la energía nuclear, la energía fósil, como el petróleo, el carbón y el gas natural, y las fuentes renovables como la eólica, solar, geotérmica e hidroeléctrica. Estas fuentes primarias se pueden convertir en una fuente de energía secundaria, los llamados portadores de energía . Las fuentes de energía primaria se pueden dividir en:
Fuentes no renovables
Combustibles fósiles
Petróleo
Carbón
Gas natural
Combustibles minerales
Uranio natural
Torio natural
Recursos renovables
Energía solar
Energía eólica
Hidro y energía de marea
Energía geotérmica
Energía de biomasa (si se explota de forma sostenible)
Suministro total de energía primaria por recurso 1993, 2011 y predicción para 2020. Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013 Utilizado con permiso del Consejo Mundial de Energía
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Las fuentes de energía siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. Tenemos que distinguir las fuentes de energía primaria y las fuentes de energía secundaria. Ingenieria termal
Fuentes de energia
Suministro total de energía primaria por recurso 1993, 2011 y predicción para 2020.
Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013
Utilizado con permiso del Consejo Mundial de Energía
Las fuentes de energía siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. Desde la revolución industrial, la energía ha sido una fuerza impulsora para el desarrollo de la civilización moderna. El desarrollo tecnológico y el consumo de energía primaria , junto con el aumento de la población mundial, son interdependientes. En los últimos 20 años, el mundo que nos rodea ha cambiado significativamente. La tecnología se ha convertido en uno de los principales impulsores del desarrollo económico y social. El rápido avance de la tecnología de la información (TI) en todo el mundo ha transformado no solo nuestra forma de pensar, sino también nuestra forma de actuar. Cabe señalar que prácticamente todas las tecnologías funcionan con energía eléctrica y, por lo tanto, la proporción de electricidad aumenta rápidamente, más rápido queSuministro total de energía primaria (TPES – la suma de la producción y las importaciones restando las exportaciones y los cambios de almacenamiento).
En la actualidad, el combustible fósil sigue siendo la fuente de energía predominante en el mundo y su extracción, producción y uso no se consideran eficientes, independientemente de las nuevas tecnologías disponibles para mejorar su uso y extracción. Al estudiar los recursos energéticos, tenemos que distinguir las fuentes de energía primaria y las fuentes de energía secundaria .
Fuentes de energía primaria
Indicadores clave para 1993, 2011 y predicción para 2020. Fuente: World Energy Resources – Encuesta 2013 utilizada con permiso del Consejo Mundial de Energía
La energía primaria (PE) es un recurso energético que se encuentra en la naturaleza y que no ha sido sometido a ningún proceso de conversión o transformación. Es la energía contenida en los combustibles crudos y otras formas de energía recibida como entrada a un sistema. Las fuentes de energía primaria toman muchas formas, incluida la energía nuclear, la energía fósil, como el petróleo, el carbón y el gas natural, y las fuentes renovables como la eólica, solar, geotérmica e hidroeléctrica. Estas fuentes primarias se pueden convertir en una fuente de energía secundaria, los llamados portadores de energía . Las fuentes de energía primaria se pueden dividir en:
Fuentes no renovables
Combustibles fósiles
Petróleo
Carbón
Gas natural
Combustibles minerales
Uranio natural
Torio natural
Recursos renovables
Energía solar
Energía eólica
Hidro y energía de marea
Energía geotérmica
Energía de biomasa (si se explota de forma sostenible)
Fuentes de Energía Secundarias – Portadores de Energía
Las fuentes de energía secundaria , también llamadas portadores de energía , se derivan de la transformación de las fuentes de energía primaria. Se llaman portadores de energía, porque mueven energía de una forma utilizable de un lugar a otro. Los portadores de energía conocidos son:
Electricidad
Gasolina
Hidrógeno
Electricidad e hidrógeno a partir de fuentes de energía primaria como el carbón, el gas natural, la energía nuclear, el petróleo y las fuentes de energía renovables. La electricidad es particularmente útil ya que tiene baja entropía (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente. Simplemente, no podemos decir que el hidrógeno tenga potencial para compensar los combustibles fósiles.
Se utilizan fuentes de energía secundarias, porque su uso es más fácil que el uso de una fuente de energía primaria. Por ejemplo, usar electricidad para encender es más seguro que usar petróleo en velas o lámparas de queroseno.
Por otro lado, cualquier conversión de energía primaria en portador de energía está asociada con alguna ineficiencia. Por lo tanto, cuando se trata de una fuente de energía secundaria, siempre debemos considerar la forma, cómo se hizo el portador.
Ejemplos de energía de 1 julio
Un julio en la vida cotidiana y en la ciencia corresponde aproximadamente a:
La energía cinética de un objeto con una masa de 1 kg que se mueve a √2 ≈ 1.4 m / s .
La energía cinética de un objeto de 50 kg (p. Ej., Humano) que se mueve muy lentamente, aproximadamente 0,72 km / h .
La energía requerida para levantar una manzana de tamaño mediano ( 100 g ) a 1 metro verticalmente de la superficie de la Tierra.
El calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua por 0,24 ° C .
El calor requerido para evaporar de 0,00044 g de agua líquida a 100 ° C.
La cantidad de electricidad requerida para encender un LED de 1 vatio durante 1 s .
Es liberado por aproximadamente 3.1 ⋅ 10 10 fisión en un reactor nuclear.
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La entropía y la segunda ley de la termodinámica. La entropía se relaciona con la segunda ley, ya que la segunda ley predice que debe producirse cierto rechazo de calor en ciclo cerrado. Ingenieria termal
Diversas declaraciones de la ley
La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.
Antes de estas declaraciones, debemos recordar el trabajo de un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley formando un principio ( también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .
La entropía y la segunda ley
Diagrama Ts del ciclo de Rankine
Una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica es el desarrollo de la propiedad física de la materia, que se conoce como entropía (S) . El cambio en esta propiedad se utiliza para determinar la dirección en la que procederá un proceso determinado. La entropía cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil . Esto se relaciona con la segunda ley, ya que la segunda ley predice que no todo el calor proporcionado a un ciclo puede transformarse en una cantidad igual de trabajo, debe producirse un cierto rechazo de calor.
Según Clausius, la entropía se definió mediante el cambio en la entropía S de un sistema. El cambio en la entropía S, cuando se le agrega una cantidad de calor Q mediante un proceso reversible a temperatura constante, viene dado por:
Aquí Q es la energía transferida como calor hacia o desde el sistema durante el proceso, y T es la temperatura del sistema en grados Kelvin durante el proceso. La unidad SI de la entropía es J / K .
La segunda ley de la termodinámica también se puede expresar como ∆S≥0 para un ciclo cerrado.
En palabras:
La entropía de cualquier sistema aislado nunca disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.
≥S≥0
Debido a que la entropía dice mucho acerca de la utilidad de una cantidad de calor transferida en la realización del trabajo, las tablas de vapor incluyen valores de entropía específica (s = S / m) como parte de la información tabulada.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
Declaración de Kelvin-Planck de la Segunda Ley de la Termodinámica. “Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la producción de trabajo y la transferencia de calor de un solo cuerpo”. Ingenieria termal
Diversas declaraciones de la ley
La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.
Antes de estas declaraciones, debemos recordar el trabajo de un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley formando un principio ( también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .
Declaración de Kelvin-Planck de la Segunda Ley
“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la producción de trabajo y la transferencia de calor de un solo cuerpo”.
Esta declaración opera con el término ” depósito térmico ” o ” depósito único “. Un depósito es un objeto grande, en el que la temperatura permanece constante mientras se extrae la energía. Tal sistema puede ser aproximado de varias maneras: por la atmósfera de la tierra, grandes cuerpos de agua como lagos, océanos, etc.
La declaración de Kelvin-Planck no excluye la existencia de un sistema, que desarrolla una cantidad neta de trabajo de una transferencia de calor extraída de un depósito térmico. Según esta declaración, un sistema que experimenta un ciclo no puede desarrollar una cantidad neta positiva de trabajo de una transferencia de calor extraída de un depósito térmico.
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