Tema 2 - Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental, Apuntes de Ingeniería Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos (URJC)
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Asignatura: Introdución a la IA, Profesor: Juan Ángel Botas Echevarría, Carrera: Ingeniería Ambiental, Universidad: URJC
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Microsoft PowerPoint - Tema 2 - Sistemas y Procesos en Ing Amb 2016-17.pptx

TEMA 2: SISTEMAS Y PROCESOS EN INGENIERÍA AMBIENTAL

Asignatura: Introducción a la Ingeniería Ambiental

Curso: Semestre: Titulación: Grado en Ingeniería Ambiental

Índice

• Sistemas y procesos ambientales • Magnitudes y unidades • Análisis dimensional

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Múltiples interrelaciones:  flujos de materia y energía

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Environmental systems are • complex • dynamic • spatially distributed • highly non-linear

Coupled processes on a multitude of scales, processes not directly observable, effects of interventions are delayed. This makes environmental systems difficult to:

• observe • understand • predict • control

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Las propiedades del sistema completo no se deducen de las de sus componentes.

“El todo es más que la suma de las partes”

Un árbol es un elemento de un bosque, un sumidero de CO2 y el hábitat de aves.

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

In natural systems we are concerned with understanding and describing changes in constituent concentrations and other quality parameters, while in engineered systems we are concerned with the selection of conditions required to effectively accomplish specific changes in concentrations and quality parameters.

• Natural aquatic system: how a waste discharge containing a biologically degradable organic substance will change dissolved oxygen levels

• Biological treatment operation to reduce the oxygen-consuming properties of a waste prior to its discharge to a surface water

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

At the most elementary level we distinguish the character of a system on the basis of its scale. By character we mean the properties of a system and the nature of the changes that occur within it. By scale we mean the size (spatial scale) of the system and the time (temporal scale) that together determine the boundaries within and over which the changes of interest occur.

The behaviors of such macroscale systems are often markedly dependent on processes that occur at the microscale.

All the systems are comprised by subsystems, and governed by the same molecular phenomena.

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Sistema: es un conjunto de componentes que interaccionan entre ellos para alcanzar un objetivo común. Pueden ser tanto sistemas físicos como abstractos.

Un sistema está caracterizado por:

1. Componentes (subsistemas)

2. Relaciones

3. Límites

4. Utilidad

5. Entorno

6. Entrada/s

7. Salida/s

8. Interfase/s

9. Restricciones

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Los Sistemas en los que se aplican las ecuaciones de conservación de materia y energía a escala macroscópica (temas 3 y 4) están constituidos por un volumen finito, cuyos límites o fronteras se encuentran claramente diferenciados.

Antes de plantear las ecuaciones macroscópicas de conservación es preciso seleccionar el sistema, fijando sus límites y fronteras que lo separan de los alrededores.

Ejemplos de Sistemas en los que se pueden plantear las ecuaciones macroscópicas de conservación de materia y energía:

1. Un equipo de una planta de depuración

2. La totalidad de la planta de depuración

3. Un tramo de una corriente natural de agua

4. Un lago

5. El volumen de aire existente sobre una ciudad

6. La totalidad de nuestro planeta Sistema

Alrededores

1. Sistemas y procesos ambientales

Clasificación de los Sistemas

Un sistema físico viene definido por un conjunto de variables o parámetros característicos que determinan el estado del sistema

Los sistemas físicos pueden clasificarse en función de su relación con los alrededores (características de las entradas y salidas del sistema):

Aislados: No intercambian materia o energía (poco interés práctico) – Cerrados: No intercambian materia aunque si energía – Abiertos: Intercambian materia o energía

También pueden clasificarse en función de su evolución con el tiempo (la variación del valor de sus propiedades con el tiempo):

Estado no estacionario (dinámico o transitorio): algunas varían con el tiempo – Estado estacionario: no varían con el tiempo

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Las variables del cualquier sistema pueden clasificarse como: – Intensivas: no dependen de la cantidad del sistema (ej. Temperatura) – Extensivas: dependen de la cantidad del sistema (ej. Volumen)

1. Sistemas y procesos ambientales

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Clasificación de los Procesos de depuración

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Definiciones básicas

- Magnitud: Toda propiedad o cualidad física que puede ser medida y por lo tanto puede ser expresada cuantitativamente.

Ejemplo: Distancia entre dos puntos Espacio que ocupa un determinado objeto

- Dimensión: Nombre que se proporciona a cualquier magnitud. Ejemplo: Longitud (L)

Volumen (V)

- Unidad: Nombre arbitrario que especifica la variación de cada dimensión. De esta definición surgen los sistemas de unidades.

Ejemplo: Longitud: metros, pies, millas, pulgadas Volumen: metros cúbicos, galones, pintas

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

 Las propiedades físicas están relacionadas entre sí por leyes.

 El número de magnitudes necesarias es limitado.

 Tipos de Magnitudes:

◦ Magnitud fundamental: Magnitudes elegidas arbitrariamente. Tienen como dimensión la propia magnitud.

◦ Magnitud derivada: Derivan de las anteriores como funciones potenciales. Sus dimensiones se determinan teniendo en cuenta las leyes físicas que las relacionan con las fundamentales.

◦ Magnitud suplementaria: Son independientes y completan a las fundamentales.  Del conjunto global derivan los Sistemas de Magnitudes.

Magnitudes fundamentales: o Longitud (L) o Tiempo (t) o Temperatura (T) o Masa (M) o Peso fuerza (F)  Relacionadas por el 1er principio de la dinámica.

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Sistemas de unidades

- Sistema Internacional de Unidades (SI): El más usado. Sus unidades básicas son: el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin, la candela y el mol. Las demás unidades son derivadas del Sistema Internacional.

- Sistema métrico decimal: Primer sistema unificado de medidas.

- Sistema cegesimal (CGS): Sus unidades básicas son el centímetro, el gramo y el segundo.

- Sistema natural: En el cual las unidades se escogen de forma que ciertas constantes físicas valgan exactamente 1.

- Sistema MKS (práctico o de Giorgi): Sus unidades básicas son el metro, el kilogramo y el segundo.

- Sistema anglosajón de unidades (FPS o inglés): Utilizado en algunos países anglosajones, aunque muchos lo están reemplazando por el SI (pie, ft; libra, lb; ºF)

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

SISTEMAS ABSOLUTOS

SISTEMAS DE UNIDADES

Magnitudes fundamentales

CGS MKS (Práctico)

FPS (Inglés)

Longitud (L) cm m pie (ft)

Masa (M) g kg libra (p, lb)

Tiempo (t) s s (h) s (h)

Temperatura (T) ºC ºC ºF

Magnitudes derivadas

Fuerza (MLt-2) g cm s-2 (dina)

kg m s-2 (Newton)

lb ft s-2 (Poundal)

Energía (ML2t-2) g cm2 s-2 (ergio)

kg m2 s-2 (Julio)

lb ft2 s-2

SISTEMAS TÉCNICOS

SISTEMAS DE UNIDADES

Magnitudes fundamentales

Métrico Inglés

Longitud (L) m pie (ft)

Fuerza (F) kilogramo-fuerza (kgf) libra-fuerza (lbf)

Tiempo (t) s (h) s (h)

Temperatura (T) ºC ºF

Magnitudes derivadas

Masa (MLt-2) ó (F L-1 t2) kgf·m-1·s2 (UTM) lbf·ft-1·s2 (slug)

Energía (ML2t-2) ó (F L) kgf·m lbf·ft

Sistemas de unidades Conjunto reducido de unidades elegidas arbitrariamente que permite medir todas las magnitudes. - Dependiendo de las variables fundamentales, los sistemas de magnitudes se clasifican:

- Absolutos - Técnicos - Ingenieriles

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

SISTEMAS INGENIERILES

SISTEMAS DE UNIDADES

Magnitudes fundamentales Métrico Inglés

Longitud (L) m pie (ft)

Masa (M) kg (kgm) libra (lbm)

Fuerza (F) kilogramo-fuerza (kgf) libra-fuerza (lbf)

Tiempo (t) s (h) s (h)

Temperatura (T) ºC ºF

Factor de corrección de la ley fundamental de la dinámica (gc)

gc·F = M·a 9,81 kgm·m·s-2·kgf-1 32,17 lbm·ft·s-2·lbf-1

Sistemas de unidades Conjunto reducido de unidades elegidas arbitrariamente que permite medir todas las magnitudes. - Dependiendo de las variables fundamentales, los sistemas de magnitudes se clasifican:

- Absolutos - Técnicos - Ingenieriles

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Sistema Internacional de Unidades (SI)

 Sistema absoluto derivado del sistema MKS, práctico o de Giorgi.

 Se acuerda en París, XI conferencia General de Pesas y Medidas (1960).

 En España es aceptado en 1967 como sistema oficial.

 Particularidades:

◦ Normativa única y racional ◦ Distinción entre magnitud fundamental, derivada y suplementaria ◦ Creación de unidades fundamentales adicionales ◦ Nomenclatura en minúscula salvo nombres propios ◦ Fija la norma para nombrar múltiplos y submúltiplos con prefijos

determinados

◦ Elimina distinción entre diferentes tipos de energías (toda la energía se expresa en Julios)

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Fundamentales

Magnitud Nombre

Longitud metro m

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s

Intensidad de corriente eléctrica ampere A

Temperatura kelvin K

Cantidad de sustancia mol mol

Intensidad luminosa candela cd

Suplementarias

Magnitud Nombre

Ángulo plano Radián rad

Ángulo sólido Estereorradián sr

Algunas magnitudes derivadas

Magnitud Nombre Unidades SI

Frecuencia hertz Hz s-1

Fuerza newton N m·kg·s-2

Presión pascal Pa m-1·kg·s-2

Energía, trabajo, cantidad de calor joule J m

2·kg·s-2

Potencia watt W m2·kg·s-3

Cantidad de electricidad carga eléctrica

coulomb C s·A

Potencial eléctrico fuerza electromotriz volt V m

2·kg·s-3·A-1

Resistencia eléctrica ohm W m2·kg·s-3·A-2

Capacidad eléctrica faraday F m-2·kg-1·s4·A2

Flujo magnético weber Wb m2·kg·s-2·A-1

Inducción magnética tesla T kg·s-2·A-1

Inductancia henry H m2·kg s-2·A-2

Sistema Internacional de Unidades (SI)

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Sistema Internacional de Unidades (SI) ◦ Prefijos de múltiplos y submúltiplos

Factor Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo

1024 yotta Y 10-24 yocto y

1021 zetta Z 10-21 zepto z

1018 exa E 10-18 atto a

1015 peta P 10-15 femto f

1012 tera T 10-12 pico p

109 giga G 10-9 nano n

106 mega M 10-6 micro µ

103 kilo k 10-3 mili m

102 hecto h 10-2 centi c

101 deca da 10-1 deci d

2. Magnitudes y unidades

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

Conversión de Unidades  Diferentes sistemas de unidades coexistentes.

 La interconversión de unidades entre diferentes sistemas puede ser clave

Factor de conversión: Número de unidades de una magnitud de un sistema de unidades contenidas en una unidad de la misma magnitud de otro sistema.

EQUIVALENCIAS IGUALDADES

1000 g <> 1 kg (nº de gramos) = 1000 · (nº de kilos)

0,3048 m <> 1 ft (nº de metros) = 0,3048 · (nº de pies)

0,4536 kg <> 1 lb (nº de kilos) = 0,4536 · (nº de libras)

1,8 ºF <> 1ºC (nº de ºF) = 1,8 · (nº de ºC)

2. Factores de conversión al Sistema Internacional

Tema 2: Sistemas y Procesos en Ingeniería Ambiental

2. Magnitudes y unidades

Temperatura

Hay dos tipos de escalas: Absolutas y Arbitrarias

Escalas absolutas: Establecen como cero de temperaturas el cero absoluto. (No existen valores negativos)

Escalas arbitrarias: Establecen origen de temperaturas arbitrariamente. (Pueden ser negativas)

Escalas más habituales: Celsius (Arbitraria)

0 ºC – Fusión del agua 100 ºC – ebullición del agua

Kelvin (Absoluta) 0 K es el cero absoluto Igual unidad de medida que Celsius

Fahrenheit (Arbitraria) 32 ºF – Fusión del agua 212 ºF – ebullición del agua

Rankine (Absoluta) 0 R es cero absoluto Igual unidad de medida que Fahrenheit

2. Magnitudes y unidades

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