Fisica aplicada 2

3000 m �� 89°C

1000 m �� 97°C

SISTEMAS DE REFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADOSISTEMAS DE REFRIGERACION Y AIRE ACONDICIONADOUnidad 1Física Aplicada

0 m �� 100°C

1000 m �� 97°C

La olla a presión es un recipientehermético para cocinar que no permite lasalida de aire o líquido por debajo de unapresión establecida. Debido a que elpunto de ebullición del agua aumenta


punto de ebullición del agua aumentacuando se incrementa la presión, lapresión dentro de la olla permite subir latemperatura de ebullición por encima de100 °C (212 °F), en concreto hasta unos130 °C.




Definición : Es una forma de energía producida por la vibraciónrápida de las moléculas que constituyen los cuerpos, y se transmite deun cuerpo a otro, mediante diferencias de temperaturas.El frio no es una forma de energía, corresponde a un termino quedenota la ausencia de energía, como la oscuridad es la ausencia de luz.

Calor

denota la ausencia de energía, como la oscuridad es la ausencia de luz.La teoría del calor se define como movimiento molecular,termodinámicamente se define como la energía en transito de uncuerpo a otro, como resultado de la diferencia de temperatura.Este movimiento continuo de moléculas, produce choques entre ellas agran velocidad, estos choques moleculares generan energía calórica onormalmente como la llamamos calor.

(Molécula: Es un conjunto de átomos unidos unos con otros por enlacesfuertes.)


Cuanto mas energético resulta dicho movimiento, mayor es el calorcontenido en el cuerpo, y al liberar este calor, disminuye el movimientode las moléculas, pero no desaparece hasta el cero absoluto -273,18°C,de esta manera todo cuerpo a una temperatura mayor que el ceroabsoluto contiene energía calórica.


absoluto contiene energía calórica.

Unidad Sistema Internacional : Joule, símbolo (J).Unidad Sistema Técnico Ingles : Btu, símbolo (btu).

Equivalencia unidades : 1 btu = 0,001055 J o 1,05587 kJ.1 kJ = 0,94708 btu.1 kcal = 3,968 btu.1 kcal = 4,186 kj.

Definición : Es la consecuencia de la vibración molecular de uncuerpo (energía calórica), pero no cuantifica la energía.Ejemplo para diferenciar el calor y la temperatura:

Temperatura


hh

El volumen de agua en un estanque representa la cantidad de calor. Laaltura h representa solo el nivel de agua, entregando una estimación demucha o poca agua, o la presencia de esta. La temperatura en este casoentrega la misma apreciación, indica la presencia de calor, sincuantificar la cantidad de energía.

Para determinar los puntos de referencia, se considera la temperaturade fusión del hielo 0°C y la ebullición del agua 100°C (presión nivel delmar)Dividiendo el espacio comprendido entre ambos puntos en cien partes,a cada una de ellas le corresponderá un grado centígrado o Celsius


a cada una de ellas le corresponderá un grado centígrado o Celsius(°C).

En el sistema internacional se utiliza como unidad el Kelvin (K), laescala Kelvin, la fusión del hielo se sitúa en 273 y la ebullición del aguaen 373, cada uno de ellos es equivalente a un grado Celsius.La escala Fahrenheit (°F) coloca los mismos puntos en 32 y 212respectivamente, y divide el intervalo en 180 partes.




Estados de agregación de la materia

Para cualquier sustancia o elemento material, modificando suscondiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintosestados o fases, denominados estados de agregación de la materia, enrelación con las fuerzas de unión de las partículas que la constituyen.


A bajas temperaturas, los materiales se presentan como cuerposde forma compacta y precisa; y sus átomos a menudo se entrelazanformando estructuras cristalinas definidas, lo que les confiere lacapacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente.

Si se incrementa la temperatura el sólido va perdiendoforma hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzandoel estado líquido. Característica principal: la capacidad defluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene.


fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene.En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos delcuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos.

Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estadogaseoso. Las moléculas del gas se encuentranprácticamente libres, de modo que son capaces dedistribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos.


La calor absorbido por las moléculas aumenta la energía, hasta separarlas fuerzas de atracción que las unen, adquiriendo una posición maslibre.La vaporización puede ocurrir por dos caminos:a) Evaporación.

Vaporización

a) Evaporación.b) Ebullición.La evaporación de un liquido ocurre en la superficie libre del liquido ypuede presentarse a temperaturas por debajo de la saturación.Por otra parte la ebullición se presenta tanto en la superficie libre delliquido como dentro del cuerpo del mismo y solamente se presenta a latemperatura de saturación, de acuerdo a la presión.


LicuaciónLicuación es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasadel estado gaseoso al liquido, por aumento de presión.Condensación es el cambio de estado que ocurre cuando una sustanciapasa del estado de vapor a liquido, por disminución de la temperatura.El gas licuado (combustible) cuando compramos un encendedor o un


El gas licuado (combustible) cuando compramos un encendedor o uncilindro, es contenido dentro de cualquiera de ellos, en estado líquido.Para que el gas pueda envasarse en estado líquido debió ser sometido apresión, mediante el proceso denominado LICUACIÓN.El vapor de agua choca con una superficie mas fría, disminuye sutemperatura, y vuelve al estado líquido original, este proceso se llamacondensación.

Calor sensibleDefinición : Se llama calor sensible al calor que puede serapreciado mediante le sentido del tacto, su instrumento de medición esel termómetro.El calor sensible es la cantidad de calor que gana o pierde un cuerpo,reflejado en una variación de temperatura si experimentar una


reflejado en una variación de temperatura si experimentar unavariación en su estructura molecular, es decir no cambia de fase.Si agregamos energía al agua a presión atmosférica (nivel del mar)desde 10°C hasta 99°C, toda la energía aplicada se utilizara como calorsensible, ya que el agua a 99°C y presión a nivel del mar, aun semantiene como liquido, pero de manera evidente contiene mas calor.

Calor latenteDefinición : Es la cantidad de calor necesario para que a una

presión especifica, cambie de estado un cuerpo sin alterar sutemperatura.Siguiendo con el ejemplo anterior, cuando tenemos el agua a 99°Ccontinuamos aplicando energía alcanzara los 100°C, el agua entrara en


continuamos aplicando energía alcanzara los 100°C, el agua entrara enebullición si incrementar su temperatura, ya que, 100°C corresponde ala temperatura de saturación del agua a presión atmosférica, la energíaaplicada al agua, genera un cambio de estado a temperatura constante.El concepto latente existe y no se manifiesta, no se podrá medir con untermómetro.

+T (°C)Qs

Presión Atmosférica a nivel del Mar

Líquido Líquido + VaporD

Liquido+

Vapor

Vapor

Qs Ql

Liquido

Vapor

CB

A

100 °C

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+Q


Calor especificoDefinición : Cantidad de calor necesaria, para que la unidad depeso, aumente en un grado su temperatura, el calor especifico de fluidodepende de su naturaleza.


Unidad Sistema Internacional : J/ kg * K.Unidad Sistema Técnico Ingles : btu/ lb * °F.

Usualmente lo podemos encontrar : kcal/ kg * °C


Calor sensibleQs (kcal) = m (kg) * Ce (kcal/kg * °C) * ( Tf (°C) – Ti (°C))Donde:Qs = Calor sensible.m = Masa.Ce = Calor especifico.Tf = Temperatura final.Ti = Temperatura inicial.


Calor latenteQl (kcal) = m (kg) * Cce (kcal/kg) Donde:Ql = Calor latente.m = Masa.Cce = Calor cambio de estado..

Ejercicios en ClasesI.- Transformar las siguientes unidades:

a) 450232 P a psi =

b) 4 bar a psi =

c) 752432 P a bar =


c) 752432 P a bar =

d) 25 °C a °F =

e) -40 °F a °C =

f) 32 °F a K =

Ejercicios en ClasesII.- Desarrollar los siguientes problemas:

a) Calcular la presión ejercida por una fuerza de 100 N sobre unasuperficie de 3 m2.

b) Calcular la energía necesaria para calentar 2 kg de agua, desde


b) Calcular la energía necesaria para calentar 2 kg de agua, desde20°C hasta 80°C.

c) Calcular la energía necesaría para llevar 5 kg de hielo a -20°CHasta vapor a 100°C. (Calor especifico del hielo 0,5 kcal / kg * °C)

Ejercicios en Clases

d) Calcular potencia frigorífica para equipo de aireacondicionado, de acuerdo a la siguiente Información:

Entrada Aire Salida Aire


Entrada Aire Salida AireTemperatura 25°C. Temperatura 12 °C.Velocidad promedio 12 m/s.Superficie entrada 0,25 m2.Densidad aire 1 kg/m3.Calor especifico 0,24 kcal/kg * °c.

Resultados en kcal/hr, btu/hr, TR.

SobrecalentamientoDefinición : El sobrecalentamiento se refiere al aumento detemperatura (calor sensible) de un vapor, sobre la temperatura desaturación que corresponde a su presión particular.


Sub.enfriaminetoDefinición : El sub.enfriamiento se refiere a la disminución detemperatura (calor sensible) de un liquido, bajo la temperatura desaturación que corresponde a su presión particular.


RadiaciónDefinición : La radiación es la transferencia de calor por mediode ondas electromagnéticas, no se requiere de un medio para supropagación. Ejemplo, se puede intercambiar entre la superficie solar yla superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición.


ConducciónDefinición : La conducción de calor, es un mecanismo detransferencia entre dos sistemas basado en el contacto directo de suspartículas ,en función de una diferencia de temperatura.


ConvecciónDefinición :La convección es una de las tres formas detransferencia de calor y se caracteriza porque se produce porintermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonascon diferentes temperaturas.La transferencia de calor se clasifica de acuerdo con la naturaleza del


La transferencia de calor se clasifica de acuerdo con la naturaleza delflujo. Se habla de convección forzada cuando el flujo es causado pormedios externos, tales como: ventilador, bomba o vientos atmosféricos.Por otra parte, en la convección natural (o libre) el flujo es inducido porfuerzas de empuje que surgen a partir de la diferencia de densidadocasionada por la variación de la temperatura en los fluidos.


Conductividad térmicaDefinición : Es la propiedad física de cualquier material quemide la capacidad de conducción del calor a través del mismo.Numéricamente, de acuerdo a sus unidades, la cantidad de calornecesario por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de


m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C detemperatura entre las dos caras.

Usualmente lo podemos encontrar : kcal/ hr * m * °Ckcal/ hr * m * KW/ m * °CW/ m * K


Conductancia térmicaDefinición : El coeficiente de conductancia térmica indica lacantidad de calor que fluye cada hora por 1 m2 de material, de unespesor d en metros (diferente a 1), dada una diferencia de temperaturade 1°C entre las dos superficies.La conductancia térmica depende del espesor d del material, mientras


La conductancia térmica depende del espesor d del material, mientrasla conductividad se refiere a la unidad de espesor del material ( 1metro).Usualmente lo podemos encontrar : W/ m2 * °C

W/ m2 * K

Coeficiente de convecciónDefinición :El coeficiente de película o coeficiente de convección,representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de laspropiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se producetransferencia de calor por convección.


Usualmente lo podemos encontrar : W/ m2 * °CW/ m2 * K


Coeficiente global de transferencia de calorDefinición : En los procesos de transferencia de calor desarrolladosen intercambiadores y paredes planas, existe una contribución de lasdiferentes capas de material, la existencia de convección y radiación en


diferentes capas de material, la existencia de convección y radiación enuna resistencia térmica global del sistema, y con su inversa definir elcoeficiente global de transferencia de calor, así:

Usualmente lo podemos encontrar : W/ m2 * °CW/ m2 * K

Primera Ley de la TermodinámicaDefinición : Se trata de la ley de conservación de la energía, quepodemos enunciar así:


«La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma»

la energía total permanece constante; es decir, la energía total es lamisma antes y después de cada transformación.

Unas formas de energía pueden transformarse en otras. En estastransformaciones la energía se degrada. En toda transformación, parte dela energía se convierte en calor o energía calorífica.

Primera Ley de la Termodinámica


Ciclo frigorífico


Evaporador• Retira calor del medio a enfriar.

• Ocurre la evaporación del

refrigerante, cambio de estado de

liquido a vapor.


liquido a vapor.

• En un ciclo ideal, el proceso de

evaporación ocurre a una presión

constante denominada presión de

evaporación.

Condensador• Libera calor al ambiente o medio

externo.

• Ocurre la condensación del




vapor a liquido.

• En el ciclo ideal, el proceso de

condensación ocurre a una presión

constante denominada presión de

condensación.

Compresor• Responsable por la compresión y

circulación del refrigerante.

• Comprime el vapor, aumentando

su presión y temperatura.


su presión y temperatura.

• Sólo debe comprimir vapor.

Dispositivo de expansión•Realiza la caída de presión en el ciclo,

desde la presión de condensación hasta la

presión de evaporación.

• Promueve la expansión del líquido a

líquido + vapor, controlando el caudal de


líquido + vapor, controlando el caudal de

refrigerante en el evaporador en función

del sobrecalentamiento (dispositivos de

expansión termostáticos).

• Sólo debe expandir liquido.

Fisica aplicada 2

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