Guía didáctica de Termodinámica

Termodinámica

Fundamentación

La Termodinámica es una de las ciencias más antiguas que el hombre ha utilizado para el análisis y evaluación de procesos que conllevan el uso de calor y trabajo. Su origen se remonta a 1824 cuando Carnot publica su obra trascendental sobre la potencia motriz del fuego. A partir de aquí, descubrimientos relacionados con procesos con gases, calor y trabajo empezaron a presentarse, constituyendo parte de esta ciencia. Hoy en día, el estudio de los sistemas termodinámicos es fundamental en procesos donde se requiere analizar la influencia de una fuente de calor en la generación de trabajo; máquinas térmicas, motores de combustión interna, ciclos de potencia y ciclos de refrigeración, son sólo algunos de los elementos más representativos de la Termodinámica.

En esta UDA se revisarán los fundamentos básicos para analizar sistemas energéticos mediante el uso de herramientas específicas como Tablas Termodinámicas y Ecuaciones de Estado.

Esta UDA se imparte en la licenciatura en ingeniería mecatrónica en la División de Ingenierías Campus Irapuato Salamanca y la pueden cursar estudiantes que hayan aprobado las materias de Cálculo Integral y Ecuaciones Diferenciales en el mismo programa. La UDA está relacionada con otras tres con temas de Transferencia de Calor, Fuentes no Convencionales de Energía, Aire Acondicionado y Refrigeración, Turbomáquinas y Equipos Térmicos, Plantas Térmicas y Uso Racional de la Energía, cuyo contenido básico es la de Termodinámica, por lo que la importancia de esta UDA reside entre otras cosas, en que servirá como prerrequisito para las UDA antes mencionadas.

Competencia general

Analiza los fundamentos básicos de la Termodinámica con el objetivo de resolver problemas relacionados con balances de masa y energía, en procesos en la industria que implican el uso de ciclos termodinámicos, usando principalmente fluidos tanto reales como ideales, lo anterior mediante la aplicación correcta de herramientas específicas para el tratado de gases en general.

Contenidos temáticos

1. Introducción

    1.1 Modelado de fenómenos físicos
    1.2 Método para la solución de problemas

2. Cinemática y dinámica

    2.1 Sistema
    2.2 Propiedades y estados
    2.3 Procesos

3. Primera ley de la termodinámica y energía

    3.1 Sistema de peso
    3.2 Definición de la primera ley de la termodinámica
    3.3 Consecuencias de la primera ley de la termodinámica (energía y balance de energía)

4. Estabilidad del equilibrio, segunda ley de la termodinámica y entropía

    4.1 Tipos de estados termodinámicos
    4.2 Problema de estabilidad
    4.3 Definición de la segunda ley de la termodinámica
    4.4 Consecuencias de la segunda ley de la termodinámica (disponibilidad adiabática, energía disponible, entropía y balance de entropía)

5. Principio de estado de equilibrio estable

    5.1 Principio de estado y la relación fundamental
    5.2 Temperatura
    5.3 Presión
    5.4 Potenciales totales

6. Interacciones de energía

    6.1 Trabajo y calor
    6.2 Balance de energía con interacciones de energía en forma de trabajo y calor

7. Sistemas con volumen como único parámetro y sistemas simples

    7.1 Propiedades independientes y función característica
    7.2 Implicaciones de una partición
    7.3 Propiedades intensivas y extensivas
    7.4 Dependencia de las propiedades intensivas

8. Regla de fase y propiedades termofísicas de sustancias puras

    8.1 Fases y regla de las fases de Gibbs
    8.2 Resultados experimentales
    8.3 Propiedades específicas, peso molecular y calores latentes específicos
    8.4 Mezcla de dos fases
    8.5 Tablas y gráficas de propiedades termodinámicas
    8.6 Calores específicos y ecuación de estado

9. Gases ideales, líquidos, sólidos, y ecuaciones de estado

    9.1 Comportamiento de gas ideal y gas perfecto
    9.2 Factor de compresibilidad y ecuaciones de estado
    9.3 Comportamiento incompresible ideal (líquidos y sólidos)

10. Flujo de masa y volúmenes de control

    10.1 Definición de flujo de masa
    10.2 Balance de energía con interacciones de energía en forma de trabajo, calor y masa
    10.3 Balance combinado de energía y entropía

11. Dispositivos de conversión de energía

    11.1 Tuberías, toberas y difusores
    1.1.2 Turbinas, bombas y compresores
    11.3 Válvulas de estrangulación
    1.1.4 Intercambiadores de calor

12. Ciclos termodinámicos

     12.1 Ciclos de vapor (ciclo Rankine)
     12.2 Ciclos de gas (ciclo Brayton, ciclo otto, ciclo Diesel, ciclo dual standard)
     12.3 Ciclos de refrigeración y bombas de calor

Metodología de trabajo

Para el trabajo presencial:

• Se realizarán ejercicios en clase utilizando la teoría revisada en las notas de cada tema en específico.
• Para cada tema, habrá ecuaciones que serán de utilidad para resolver ejercicios, así como conceptos que se deberán aplicar al momento del planteamiento de un problema.
• Se aprenderá a utilizar tablas termodinámicas.
• Se realizarán por parte del estudiantado exposiciones de temas específicos.
• El alumnado desarrollará en clase, un producto integrador donde se apliquen conceptos de termodinámica clásica.

Para el trabajo a distancia.

Mediante la plataforma de educación se deberá considerar lo siguiente:

• Materiales: se encontrarán en el ambiente digital de aprendizaje referencia a lecturas, videos y otros recursos didácticos complementarios.
• Interacción en plataforma: se podrán utilizar herramientas de comunicación como foros para el análisis de las temáticas planteadas.
• Actividades: se establecerán consignas en cada clase que servirán de evidencia de los aprendizajes del estudiante.
• Seguimiento del participante: el seguimiento será constante, con el objetivo de acompañar y sostener el aprendizaje.

Criterios de evaluación

Los criterios de evaluación son los siguientes:

• Claridad en la expresión evitando sobre y malos entendidos.
• Se observará el nivel de pertinencia del participante, sus posibilidades para aportar conceptos, dudas y comentarios.
• Se prestará especial interés al nivel de disposición a la tarea y compromiso con el aprendizaje.
• La evaluación mantendrá un enfoque holístico que involucre lo cuantitativo y cualitativo.
• El 100% de la calificación se basará en el desempeño, entregables y las pruebas de conocimiento.

Para aprobar es necesario cumplir en tiempo y forma los siguientes requisitos durante el desarrollo de la unidad de aprendizaje:

• Lectura reflexiva de los materiales.
• Participación activa y pertinente en las actividades que así lo especifiquen.
• Resolución de las pruebas teóricas que apliquen.

Las ponderaciones en el proceso de evaluación se basarán en los siguientes porcentajes:

Cronograma

Créditos