Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108

Capítulo 1

Termodinámica y transmisión de calor

1. Introducción

La termodinámica es una rama de la física que trata el estudio de las transformaciones energéticas y las relaciones existentes entre las diferentes propiedades físicas de las sustancias que sufren dichas transformaciones. El origen de esta ciencia se remonta al uso del calor para la creación de trabajo, mediante las llamadas máquinas térmicas.

Aunque la termodinámica es una ciencia que puede entenderse sin un conocimiento muy profundo de física, a lo largo del capítulo se expondrán conceptos básicos tales como unidades, sistemas de conversión, escalas termométricas, etc.

Para establecer la eficiencia energética de un sistema, es necesario el estudio de la termodinámica desde un punto de vista práctico, que nos permita relacionar conceptos teóricos aplicados a una instalación. De la aplicación de los principios termodinámicos, debemos ser capaces de calcular, a través de las mediciones obtenidas de una instalación existente, la eficiencia de la misma, además de evaluar la posibilidad de la mejora en el rendimiento de los procesos y la disminución de las pérdidas.

2. Conceptos básicos de termodinámica

Para estudiar un proceso termodinámico de una instalación, deben establecerse los límites del sistema. El sistema termodinámico es la parte del espacio que se encuentra separado del resto del entorno mediante un límite definido, aunque pueda permitir el intercambio de energía y materia.

Ejemplo

Una tubería es un ejemplo de sistema termodinámico, ya que en una sección de esta, las paredes de la tubería aíslan el interior respecto del entorno; sin embargo, estas pueden intercambiar materia (agua, gas, aceite...) y energía (calor) con el entorno.

El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos. Los límites pueden permitir el intercambio de materia y energía. Clases de sistemas:

1 Cerrado: donde la masa o materia es constante y solo se intercambia energía.

2 Abierto: donde, además de energía, también se intercambia materia con el entorno.

3 Aislado: entre el sistema y el entorno no se produce intercambio de materia ni energía.

Actividades

1. Busque en su entorno tres ejemplos distintos de sistemas, diferencie cuáles son sus límites e identifique de forma razonada de qué clase de sistema se trata.

2.1. Unidades y conversión

El estado de un sistema se determina por el conocimiento de una serie de propiedades expresadas en unidades. Estas propiedades pueden relacionarse entre ellas, por lo que es necesario establecer sistemas de conversión.

Definición

Estado de un sistema

Es la situación termodinámica en la que se encuentra dicho sistema en el momento de estudio.

Mediante las propiedades, podemos calcular los cambios de energía que se producen en un sistema. Se pueden encontrar dos clases de propiedades:

1 Las que dependen de la masa: propiedades extensivas.

2 Las que no dependen de la masa del sistema: propiedades intensivas.

Presión

La presión es una propiedad intensiva de un sistema termodinámico, cuya unidad en el Sistema Internacional (SI) se expresa mediante Pascales (Pa). Presión es el resultado de aplicar una determinada fuerza (Newton), en una superficie (m2).

Donde:

 P = Presión (Pa).

 F = Es la fuerza aplicada para ejercer dicha presión (N).

 A = Es la superficie de aplicación de la presión (m2).

Aunque siempre se deben expresar las unidades en SI, existen situaciones en las que resulta más cómodo convertirlas a otras unidades equivalentes.

Por otra parte, una atmósfera (atm) es igual a:

1 atm = 101.325 Pa = 760 mmHg

Donde mmHg es la presión medida en milímetros de Mercurio.

Ejemplo

Vamos a estudiar dos métodos para convertir unidades:

1 ¿Cuántos Pascales son 350 · 10-5 N/mm2?Partiendo de 1 Pa = 10-6 N/mm2 Multiplicamos en cruz: 10-6 N/mm2 = 1 Pa 350 · 10-5 N/mm2 = X PaPartiendo de 1 Pa = 1 N/m2 y de 1 m2 = 1.000.000 mm2 = 1 · 106 mm2 Convertimos los N/mm2 en N/m2 350 · 10-5 N/mm2 = 350 · 10-5 N * 106 mm2Donde los mm2 se anulan y nos queda: 3500 N/m2 = 3500 Pa

2 ¿Cuántos Pascales son 0,052 mmHg? Partiendo de 760 mmHg = 101.325 Pa 0,052 mmHg = X Pa

Temperatura

La temperatura es un parámetro que nos permite cuantificar la variación de calor que sufre un determinado sistema. Al igual que la presión, se trata de una propiedad intensiva y sus unidades se expresan en grados Kelvin (°K).

Densidad

La densidad es una propiedad termodinámica de carácter intensiva. La densidad es la cantidad de masa existente en un sistema dentro del volumen determinado por el mismo, sus unidades en el SI son Kg/m3.

Volumen

Se entiende por volumen el espacio encerrado dentro de un sistema termodinámico. Al contrario que las magnitudes anteriormente estudiadas, el volumen es una propiedad extensiva, es decir, depende directamente de la masa existente en el sistema. En el SI el volumen se expresa en m3.

Sabía que...

La ecuación del gas ideal P · V = n · R · T relaciona magnitudes intensivas y extensivas de un sistema termodinámico.

Energía interna, entalpía y entropía

Además de las propiedades anteriormente estudiadas, la energía interna de un sistema, su entalpía y su entropía son también parámetros característicos que definen un determinado estado del sistema.

2.2. Concepto de energía y calor

La energía es el motor que produce el cambio en cualquier sistema, además la energía presenta sus variaciones del sistema en distintas formas, por ejemplo: energía mecánica, energía calorífica, energía química, energía eléctrica, etc.

Caldera de un tren de vapor

La unidad de la energía en el SI es el Julio (J); aunque también podemos encontrar la energía expresada en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), siendo su equivalencia: 1 cal = 4,18 J.

Energía en un sistema termodinámico

Los sistemas termodinámicos se basan en el intercambio de energía, tales como energía mecánica, energía química, calor, etc. Dentro de un mismo sistema termodinámico podemos encontrar los siguientes tipos:

1 Energía mecánica. La energía mecánica se descompone en energía cinética (Ec) y energía potencial (Ep). La energía cinética se genera cuando un sistema está en movimiento o produce una variación del mismo.La energía potencial puede ser gravitatoria, eléctrica o magnética. En el caso de los sistemas termodinámicos, esta suele ser gravitatoria.Donde: m = la masa del sistema medida en kilogramos (kg). g = es la gravedad (en el caso de la tierra, g = 9,8 m/s2). h = es la diferencia de altura del sistema estudiado, medida en metros (m).

2 Energía interna. Es la energía que presenta toda masa contenida dentro de un sistema debido al movimiento de sus átomos y moléculas. Ejemplo: si calentamos un recipiente que contiene agua, las moléculas de esta comenzarán a moverse, produciéndose un mayor rozamiento entre las moléculas e incrementando, por tanto, su energía interna.

Variación de la energía interna de un líquido

Para que se produzcan cambios energéticos en un sistema, este debe interactuar con el entorno. Estas interacciones se pueden producir de tres formas distintas:

1 Intercambio de masa. Se realiza cuando un sistema y un entorno intercambian masa (solido, líquido y/o gas).

2 Intercambio mecánico. Se produce cuando la aplicación de fuerzas genera desplazamientos o movimientos entre el sistema y el entorno. La interacción mecánica se conoce por “trabajo” (W), cuyas unidades en SI se expresan en J y que también equivalen a J = N · m.

3 Intercambio térmico. El calor es el intercambio térmico o diferencia de temperatura existente entre el sistema y el entorno.

Calor

El calor (Q) es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos sistemas están en contacto el calor de ambos tiende a igualarse, dando como resultado un equilibrio térmico. El calor es una energía y por tanto sus unidades son el Julio.

Sabía que...

¿Es correcto decir en verano la expresión “tengo calor”?

Según la termodinámica, el calor es energía en constante movimiento, transfiriéndose de un sistema o cuerpo a otro. Por lo tanto, un objeto o sistema no posee calor, sino una temperatura diferente que puede ser comparada con otro sistema, como la temperatura ambiente.

Actividades

2. Llene un vaso de agua directamente del grifo hasta la mitad y mida su temperatura con un termómetro. A continuación, coloque el vaso en la nevera y, transcurrido un tiempo, vuelva a realizar la medición. ¿A qué se debe el cambio en la lectura de la medida? ¿Cuál es el entorno y cuál el sistema? ¿Será la misma temperatura que midió al principio si llena el resto del vaso con agua del grifo nuevamente?

2.3. Escalas termométricas

Como ya se ha estudiado, la temperatura debe expresarse en el SI en grados Kelvin; sin embargo, en la actualidad existen varias escalas termométricas que, dada su importancia en diferentes campos de la ciencia, siguen manteniéndose como válidas. Es por ello indispensable conocer las distintas escalas y tener la capacidad de convertir los valores a cada una de ellas.

La ciencia que se encarga del estudio de la variación térmica es la termometría, y el instrumento empleado para ello es el termómetro.

Termómetro de mercurio

La existencia de las distintas escalas gráficas o termómetros se debe a que cada uno de ellos parte desde distintas ideas de sus creadores y, por tanto, desde distintos puntos de medición. La transformación de valores entre las distintas escalas es posible porque todos guardan una misma relación, la medición de la variación térmica de un cuerpo respecto de otro, lo que significa que si tratamos de medir la temperatura de un cuerpo, la variación térmica que se produzca entre el entorno y el cuerpo o sistema será siempre la misma, independientemente de la escala empleada.

La construcción de un termómetro es posible gracias al Principio Cero de la Termodinámica, enunciado por Ralph H. Fowler, quien expuso que “si un sistema A está en equilibrio con otro sistema B y este a su vez está en equilibrio con un sistema C, entonces los sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí”.

Proceso de medición de temperatura mediante un termómetro

Ejemplo

Supongamos que tenemos un termómetro, que es un sistema y queremos medir agua en un vaso que procede de la nevera, que en este caso sería otro sistema “B”. Si se introduce el termómetro en el vaso, ambos sistemas se equilibrarían rápido y al ser la masa del termómetro menor que la del vaso obtendría rápidamente el valor de la temperatura sin producir alteración. No obstante, a medida que vaya pasando el tiempo, la temperatura del agua irá equilibrándose con la del entorno o sistema “C”, y finalmente tanto el agua como el termómetro y el entorno tendrán la misma temperatura.

Además del principio cero de la termodinámica, un termómetro debe presentar las siguientes características:

1 Una masa muy pequeña con respecto al sistema a medir, de esta forma se evita la alteración de la medida por culpa del propio termómetro.

2 Facilidad de variación, para obtener unos valores lo más rápido posible.

3 Capacidad de dilatación termométrica del material empleado como medidor.

Tipos de escalas termométricas

Aunque existe una gran variedad de escalas termométricas, las más empleadas son las siguientes.

Escala Celsius o centígrada

Recibe el nombre de escala Celsius en honor a su creador, Anders Celsius, quien empleó como valor cero (0 °C) el punto de fusión del agua a 1 atm de presión, es decir, la temperatura a la cual el agua pasa de estado sólido a líquido bajo una presión de 1 atm, y como valor 100 °C el punto de ebullición del agua.

Escala Fahrenheit

La escala Fahrenheit (°F) está muy extendida en los países anglosajones por su utilización en meteorología. Esta escala tiene como punto de partida (0 °F) la mezcla de sal de amonio con hielo, y como referencia superior el punto de ebullición del agua fijado a 212 °F.