Unidades de Ingeniería

Una visión general de las unidades de medida utilizadas en el Circuito de Vapor y Condensado, incluyendo temperatura, presión, densidad, volumen, calor, trabajo y energía.

A lo largo de las industrias de ingeniería, se han propuesto y utilizado muchas definiciones y unidades diferentes para propiedades mecánicas y térmicas.

Los problemas que esto causó llevaron al desarrollo de un sistema internacional acordado de unidades (o unidades SI: Système International d’Unités). En el sistema SI hay siete unidades base bien definidas de las cuales se pueden derivar las unidades de otras propiedades, y estas se utilizarán a lo largo de esta publicación.

Las unidades base SI incluyen longitud (en metros), masa (en kilogramos), tiempo (en segundos) y temperatura (en kelvin). Las tres primeras esperablemente no necesitan mayor explicación, mientras que la última se discutirá con más detalle más adelante.

Las otras unidades base SI son corriente eléctrica (en amperios), cantidad de sustancia (en moles) e intensidad luminosa (en candelas). Estas pueden ser familiares para los lectores con experiencia en electrónica, química y física respectivamente, pero tienen poca relevancia para la ingeniería de vapor ni para el contenido del Circuito de Vapor y Condensado.

La Tabla 2.1.1 muestra las unidades derivadas que son relevantes para este tema, todas las cuales deberían ser familiares para aquellos con cualquier formación general en ingeniería. Estas cantidades han sido asignadas con nombres especiales después de famosos pioneros en el desarrollo de la ciencia e ingeniería.

Tabla 2.1.1 Cantidades con nombre en unidades SI derivadas.

Hay muchas otras cantidades que se han derivado de las unidades base SI, que también serán de importancia para cualquier persona involucrada en la ingeniería de vapor. Estas se proporcionan en la Tabla 2.1.2.

Tabla 2.1.2 Otras cantidades en unidades SI derivadas

Múltiplos y submúltiplos

La Tabla 2.1.3 proporciona los prefijos SI que se utilizan para formar múltiplos y submúltiplos decimales de las unidades SI. Permiten evitar valores numéricos muy grandes o muy pequeños. Un prefijo se adjunta directamente al nombre de una unidad, y un símbolo de prefijo se adjunta directamente al símbolo de una unidad.

En resumen: mil metros pueden mostrarse como 1 km, 1 000 m o 10³ m.

Tabla 2.1.3 Múltiplos y submúltiplos utilizados con unidades SI

Abreviaciones especiales utilizadas en aplicaciones de medición de flujo de vapor

Por razones históricas, la Norma Internacional ISO 5167 (que sustituye a BS 1042) que se refiere a la medición de flujo, utiliza las siguientes abreviaciones en la Tabla 2.1.4.

Tabla 2.1.4 Símbolos utilizados en aplicaciones de medición de flujo

STP - Temperatura y presión estándar

Estas son las condiciones estándar para la medición de las propiedades de la materia. La temperatura estándar es el punto de congelación del agua pura, 0 °C o 273.16 °K. La presión estándar es la presión ejercida por una columna de mercurio (símbolo Hg) de 760 mm de altura, a menudo designada 760 mm Hg. Esta presión también se llama una atmósfera y es igual a 1.01325 x 106 dinas por centímetro cuadrado, o aproximadamente 14.7 lb por pulgada cuadrada. La densidad (masa por volumen) de un gas generalmente se reporta como su valor a STP. Las propiedades que no pueden medirse a STP se miden bajo otras condiciones; generalmente los valores obtenidos se extrapolan matemáticamente a sus valores a STP.

Símbolos

La Tabla 2.1.5 muestra los símbolos y unidades típicas utilizados en el Circuito de Vapor y Condensado.

Tabla 2.1.5 Símbolos y unidades de medida utilizados en el Circuito de Vapor y Condensado

Subíndices utilizados con prop​iedades​

Al usar entalpía, entropía e interna, se utilizan subíndices como se muestra a continuación para identificar la fase, por ejemplo:

• Subíndice f = Estado de fluido o líquido, por ejemplo hf: entalpía del líquido
• Subíndice fg = Cambio de estado de líquido a gas, por ejemplo hfg: entalpía de evaporación
• Subíndice g = Total, por ejemplo hg: entalpía total Tenga en cuenta que, por convención, el calor total en el vapor recalentado se designa con h. También es habitual, por convención, designar cantidades de muestra en mayúsculas, mientras que las cantidades unitarias se designan en minúsculas. Por ejemplo: Entalpía total en una muestra de vapor recalentado H kJ Entalpía específica del vapor recalentado h kJ/kg

Temperatura

La escala de temperatura se utiliza como indicador de equilibrio térmico, en el sentido de que cualquier sistema en contacto con otro con el mismo valor está en equilibrio térmico. La escala Celsius (°C) Esta es la escala más comúnmente utilizada por el ingeniero, ya que tiene un cero de temperatura conveniente (pero arbitrario), correspondiendo a la temperatura a la cual el agua se congela. La escala absoluta o K (kelvin) Esta escala tiene los mismos incrementos que la escala Celsius, pero tiene un cero correspondiente a la temperatura mínima posible cuando todo movimiento molecular y atómico ha cesado. Esta temperatura se conoce frecuentemente como cero absoluto (0 K) y es equivalente a -273.16 °C.

Las dos escalas de temperatura son intercambiables, como se muestra en la Figura 2.1.1 y se expresa en la Ecuación 2.1.1.

La unidad SI de temperatura es el kelvin, que se define como 1 ÷ 273.16 de la temperatura termodinámica del agua pura en su punto triple (0.01 °C). Una explicación del punto triple se proporciona en el Módulo 2.2. La mayoría de las ecuaciones termodinámicas requieren que la temperatura se exprese en kelvin. Sin embargo, la diferencia de temperatura, como se usa en muchos cálculos de transferencia de calor, puede expresarse en °C o K. Dado que ambas escalas tienen los mismos incrementos, una diferencia de temperatura de 1 °C tiene el mismo valor que una diferencia de temperatura de 1 K.

Presión

La unidad SI de presión es el pascal (Pa), definido como 1 newton de fuerza por metro cuadrado (1 N/m²).

Como Pa es una unidad tan pequeña, kPa (1 kilonewton/m²) o MPa (1 Meganewton/m²) tienden a ser más apropiados para la ingeniería de vapor. Sin embargo, probablemente la unidad métrica más comúnmente utilizada para la medición de presión en ingeniería de vapor es el bar. Este es igual a 105N/m², y se aproxima a 1 atmósfera. Esta unidad se utiliza en toda esta publicación. Otras unidades que se utilizan frecuentemente incluyen lb/in² (psi), kg/cm², atm, in H2O y mm Hg. Los factores de conversión están fácilmente disponibles de muchas fuentes.

Presión absoluta (bar a) Esta es la presión medida desde el datum de un vacío perfecto, es decir, un vacío perfecto tiene una presión de 0 bar a. Presión manométrica (bar g) Esta es la presión medida desde el datum de la presión atmosférica. Aunque en realidad la presión atmosférica dependerá del clima y la altura sobre el nivel del mar, a menudo se utiliza un valor generalmente aceptado de 1.013 25 bar a (1 atm). Esta es la presión promedio ejercida por el aire de la atmósfera terrestre a nivel del mar. Presión manométrica = Presión absoluta - Presión atmosférica Las presiones por encima de la atmosférica siempre producirán una presión manométrica positiva. A la inversa, un vacío o presión negativa es la presión por debajo de la atmosférica. Una presión de -1 bar g corresponde estrechamente a un vacío perfecto. Presión diferencial Esta es simplemente la diferencia entre dos presiones. Al especificar una presión diferencial, no es necesario usar los sufijos ‘g’ o ‘a’ para denotar presión manométrica o presión absoluta respectivamente, ya que el punto de referencia de presión se vuelve irrelevante. Por lo tanto, la diferencia entre dos presiones tendrá el mismo valor ya sea que estas presiones se midan en presión manométrica o presión absoluta, siempre que ambas presiones se midan desde el mismo datum. Densidad y volumen específico La densidad (ρ) de una sustancia puede definirse como su masa (m) por unidad de volumen (V). El volumen específico (vg) es el volumen por unidad de masa y por lo tanto es el inverso de la densidad. De hecho, el término ‘específico’ se usa generalmente para denotar una propiedad de una unidad de masa de una sustancia (ver Ecuación 2.1.2).

Las unidades SI de densidad (ρ ) son kg/m³, por el contrario, las unidades de volumen específico (vg) son m³/kg.

Otro término utilizado como medida de densidad es la gravedad específica. Es una relación entre la densidad de una sustancia (ρs) y la densidad del agua pura (ρw) a temperatura y presión estándar (STP). Esta condición de referencia generalmente se define como a presión atmosférica y 0°C. A veces se dice que es a 20°C o 25°C y se denomina temperatura y presión normal (NTP).

La densidad del agua en estas condiciones es aproximadamente 1 000 kg/m³. Por lo tanto, las sustancias con una densidad mayor que este valor tendrán una gravedad específica mayor que 1, mientras que las sustancias con una densidad menor tendrán una gravedad específica menor que 1.

Dado que la gravedad específica es una relación de dos densidades, es una variable adimensional y no tiene unidades. Por lo tanto, en este caso, el término específico no indica que sea una propiedad de una unidad de masa de una sustancia. La gravedad específica también se conoce a veces como la densidad relativa de una sustancia. Calor, trabajo y energía La energía a veces se describe como la capacidad de realizar trabajo. La transferencia de energía mediante movimiento mecánico se denomina trabajo. La unidad SI para trabajo y energía es el julio, definido como 1 N m. La cantidad de trabajo mecánico realizado se puede determinar mediante una ecuación derivada de la mecánica newtoniana: Trabajo = Fuerza x Desplazamiento También puede describirse como el producto de la presión aplicada y el volumen desplazado: Trabajo = Presión aplicada x Volumen desplazado Ejemplo 2.1.1 Una presión aplicada de 1 Pa (o 1 N/m²) desplaza un volumen de 1 m³. ¿Cuánto trabajo se ha realizado? Trabajo realizado = 1 N/m² x 1 m³ = 1 N m (o 1 J) Los beneficios de usar unidades SI, como en el ejemplo anterior, es que las unidades en la ecuación realmente se cancelan para dar las unidades del producto. Las observaciones experimentales de J. P. Joule establecieron que existe una equivalencia entre la energía mecánica (o trabajo) y el calor. Encontró que se requería la misma cantidad de energía para producir el mismo aumento de temperatura en una masa específica de agua, independientemente de si la energía se suministraba como calor o trabajo. La energía total de un sistema se compone de la energía interna, potencial y cinética. La temperatura de una sustancia está directamente relacionada con su energía interna (ug). La energía interna está asociada con el movimiento, interacción y enlace de las moléculas dentro de una sustancia. La energía externa de una sustancia está asociada con su velocidad y ubicación, y es la suma de su energía potencial y cinética. La transferencia de energía como resultado de la diferencia de temperatura sola se denomina flujo de calor. El vatio, que es la unidad SI de potencia, puede definirse como 1 J/s de flujo de calor. Otras unidades utilizadas para cuantificar la energía térmica son la Unidad Térmica Británica (Btu: la cantidad de calor para elevar 1 lb de agua en 1 °F) y la kilocaloría (la cantidad de calor para elevar 1 kg de agua en 1 °C). Los factores de conversión están fácilmente disponibles de numerosas fuentes. Entalpía específica Este es el término dado a la energía total, debida tanto a la presión como a la temperatura, de un fluido (como agua o vapor) en cualquier momento y condición dados. Más específicamente es la suma de la energía interna y el trabajo realizado por una presión aplicada (como en el Ejemplo 2.1.1). La unidad básica de medida es el julio (J). Dado que un julio representa una cantidad muy pequeña de energía, es usual usar kilojulios (kJ = 1 000 julios). La entalpía específica es una medida de la energía total de una unidad de masa, y sus unidades son generalmente kJ/kg. Capacidad calorífica específica La entalpía de un fluido es función de su temperatura y presión. La dependencia de la temperatura de la entalpía puede encontrarse midiendo el aumento de temperatura causado por el flujo de calor a presión constante. La capacidad calorífica a presión constante cP, es una medida del cambio en la entalpía a una temperatura particular. De manera similar, la energía interna es una función de la temperatura y el volumen específico. La capacidad calorífica a volumen constante cv, es una medida del cambio en la energía interna a una temperatura particular y volumen constante. Debido a que los volúmenes específicos de sólidos y líquidos generalmente son más pequeños, a menos que la presión sea extremadamente alta, el trabajo realizado por una presión aplicada puede despreciarse. Por lo tanto, si la entalpía puede representarse solo por el componente de energía interna, las capacidades caloríficas a volumen constante y a presión constante pueden considerarse iguales. Por lo tanto, para sólidos y líquidos: cP ≈ cv Otra simplificación para sólidos y líquidos asume que son incompresibles, de modo que su volumen es solo una función de la temperatura. Esto implica que para fluidos incompresibles la entalpía y la capacidad calorífica también son solo funciones de la temperatura. La capacidad calorífica específica representa la cantidad de energía necesaria para elevar 1 kg en 1 °C, y puede considerarse como la capacidad de una sustancia para absorber calor. Por lo tanto, las unidades SI de capacidad calorífica específica son kJ/kg K (kJ/kg °C). El agua tiene una gran capacidad calorífica específica (4.19 kJ/kg °C) en comparación con muchos fluidos, por lo que tanto el agua como el vapor se consideran buenos portadores de calor. La cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una sustancia puede determinarse a partir de la Ecuación 2.1.4.

Esta ecuación muestra que para una masa dada de sustancia, el aumento de temperatura está linealmente relacionado con la cantidad de calor proporcionado, asumiendo que la capacidad calorífica específica es constante en ese rango de temperatura. Ejemplo 2.1.2 Considere una cantidad de agua con un volumen de 2 litros, elevada desde una temperatura de 20 °C a 70 °C. A presión atmosférica, la densidad del agua es aproximadamente 1 000 kg/m³. Como hay 1 000 litros en 1 m³, entonces la densidad puede expresarse como 1 kg por litro (1 kg/l). Por lo tanto, la masa del agua es 2 kg. La capacidad calorífica específica del agua puede tomarse como 4.19 kJ/kg °C sobre rangos bajos de temperatura. Por lo tanto: Q = 2 kg x 4.19 kJ/kg °C x (70 - 20) °C = 419 kJ Si el agua se enfriara entonces a su temperatura original de 20 °C, también liberaría esta cantidad de energía en la aplicación de enfriamiento. Entropía (S) La entropía es una medida del grado de desorden dentro de un sistema. Cuanto mayor sea el grado de desorden, mayor será la entropía. Las unidades SI de entropía son kJ/kg K (kJ/kg °C). En un sólido, las moléculas de una sustancia se organizan en una estructura ordenada. A medida que la sustancia cambia de sólido a líquido, o de líquido a gas, la disposición de las moléculas se vuelve más desordenada a medida que comienzan a moverse más libremente. Para cualquier sustancia dada, la entropía en la fase gaseosa es mayor que la de la fase líquida, y la entropía en la fase líquida es mayor que en la fase sólida. Una característica de todos los procesos naturales o espontáneos es que proceden hacia un estado de equilibrio. Esto puede verse en la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor no puede pasar de un cuerpo más frío a uno más cálido. Un cambio en la entropía de un sistema es causado por un cambio en su contenido de calor, donde el cambio de entropía es igual al cambio de calor dividido por la temperatura absoluta promedio, Ecuación 2.1.5.

Cuando se realizan cálculos de unidad de masa, los símbolos de entropía y entalpía se escriben en minúsculas, Ecuación 2.1.6.

Para ver esto con más detalle, considere los siguientes ejemplos: Ejemplo 2.1.3 Un proceso eleva 1 kg de agua de 0 a 100°C (273 a 373 K) bajo condiciones atmosféricas. Entalpía específica a 0°C (hf) = 0 kJ/kg (de tablas de vapor) Entalpía específica del agua a 100°C (hf) = 419 kJ/kg (de tablas de vapor) Calcular el cambio en entropía específica Dado que este es un cambio en entropía específica del agua, el símbolo ‘s’ en la Ecuación 2.1.6 toma el sufijo ‘f’ para convertirse en sf.

Ejemplo 2.1.4 Un proceso cambia 1 kg de agua a 100°C (373 K) a vapor saturado a 100°C (373 K) bajo condiciones atmosféricas. Calcular el cambio en entropía específica de evaporación Dado que esta es la entropía involucrada en el cambio de estado, el símbolo ‘s’ en la Ecuación 2.1.6 toma el sufijo ‘fg’ para convertirse en sfg. Entalpía específica de evaporación del vapor a 100°C (373 K) (hfg) = 2 258 kJ/kg (de tablas de vapor) Entalpía específica de evaporación del agua a 100°C (373 K) (hfg) = 0 kJ/kg (de tablas de vapor)

El cambio total en entropía específica de agua a 0 °C a vapor saturado a 100 °C es la suma del cambio en entropía específica para el agua, más el cambio de entropía específica para el vapor, y toma el sufijo ‘g’ para convertirse en el cambio total en entropía específica sg.

Por lo tanto

Ejemplo 2.1.5 Un proceso recalienta 1 kg de vapor saturado a presión atmosférica a 150°C (423 K). Determine el cambio en entropía.

Como la entropía del agua saturada se mide desde un datum de 0.01 °C, la entropía del agua a 0 °C puede, para propósitos prácticos, tomarse como cero. El cambio total en entropía específica en este ejemplo se basa en una temperatura inicial del agua de 0 °C, y por lo tanto el resultado final resulta ser muy similar a la entropía específica del vapor que se observaría en las tablas de vapor en la condición final del vapor a presión atmosférica y 150 °C.

La entropía se discute con mayor detalle en el Módulo 2.15, Entropía - Una Comprensión Básica, y en el Módulo 2.16, Entropía - Su Uso Práctico.