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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL  
E SCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNIC A  
Y ELÉCTRICA “UNIDAD ZACATENCO”  
 
 
 
 
DESARROLLO DE UNA APLICACIÓN VIRTUAL PARA LA 
ENSEÑANZA DE PROCESOS TÉRMICOS 
 
 
 
T  E  S  I  S 
PARA OBTENER EL GRADO DE INGENIERÍA EN 
CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
 
 
 
 
PRESENTA  
 
 
CARRILLO BRISEÑO CARLOS DAMIÁN 
LEÓN FERNÁNDEZ JUAN CARLOS 
MARTÍNEZ CAMARGO MIGUEL ALEJANDRO 
 
 
 
DIRECTOR DE TESIS:  
D R. FLORENCIO SÁNCHEZ SILVA  
M. C. RENE TOLENTINO ESLAVA  
 
 
 
 
 
 
 
 
México D.F.  JUNIO DEL 2011 
 
 
 
1  
 
BIBLIOGRAFÍA  
 
Índice 
Resumen 
Introducción 
Capitulo 1. Laboratorios de procesos térmicos 
1.1 Los laboratorios convencionales 1 
1.2 Los laboratorios virtuales 3 
1.2.1 Estudios previos de laboratorios virtuales 4 
1.3 Leyes de la termodinámica 8 
1.3.1 Primera ley de la termodinámica 8 
1.3.2 Segunda ley de la termodinámica 10 
1.3.3 Sistema 12 
1.3.4 Transformación: estado inicial y estado final, transformación infinitesimal 12 
1.3.5 Transformaciones reversibles e irreversibles 13 
1.3.6 Calor 14 
1.3.7 Entalpia 14 
1.3.8 Ley de Hess 15 
1.3.9 Estado y equilibrio 15 
1.4 Conservación de la masa 16 
1.4.1 Balance de energía en sistemas cerrados 18 
1.5 Propiedades del agua 20 
1.5.1 Propiedades físicas del agua 21 
1.5.2 Capacidad calorífica 21 
1.5.3 Viscosidad dinámica 22 
1.5.4 Viscosidad cinemática 22 
1.5.5 Características del agua 22 
BIBLIOGRAFÍA  
 
1.5.6 Conductividad térmica 23 
Capitulo 2. Operación del proceso a realizar 
2.1 Esquema del sistema a simular 25 
2.2 Descripción del proceso del sistema 25 
2.3 Descripción del funcionamiento del sistema 30 
Capitulo 3. Desarrollo de la aplicación virtual 
3.1 Esquema del control 34 
3.2 Desarrollo del algoritmo 35 
3.3 Diseño del interfaz 42 
3.3.1 Elementos de la interfaz grafica (aplicación virtual) 42 
3.4 Programación de las funciones 48 
3.5 Funcionamiento del interfaz 50 
Capitulo 4. Análisis de resultados 
4.1 Pruebas generales 54 
4.1.1 Prueba A 54 
4.1.2 Prueba B 55 
4.1.3 Prueba C 57 
4.1.4 Prueba D 59 
4.1.5 Prueba E 61 
4.1.6 Prueba F 63 
4.2 Análisis técnico-económico 66 
4.3 Discusión de resultados 68 
Conclusiones y recomendaciones 
Bibliografía 
 
INTRODUCCIÓN  
 
Resumen 
El presente trabajo aborda los procedimientos para la realización de un montaje virtual, 
para la enseñanza de procesos térmicos. Además de proponer una manera de cómo 
desarrollar laboratorios de este tipo, por medio de la programación en la plataforma 
Labview, haciendo del conocimiento que no es el único programa con estas cualidades. 
El desarrollo necesito comprender conceptos de los procesos térmicos así como las 
diferencias de los laboratorios térmicos convencionales y los virtuales, sus ventajas y 
desventajas con respecto uno del otro. 
Se utiliza un sistema virtual el cual consta de dos entradas de fluido (agua en ambas 
tuberías) a diferentes temperaturas y son depositadas en un tanque el cual retiene la mezcla 
hasta que se llegue a una temperatura seleccionada. 
Para la manufactura del sistema mencionado se utilizo el programa Labview gracias a sus 
múltiples funciones y con ello llegar a nuestro resultado esperado. 
Finalmente se presentan los procedimientos y se evalúan los resultados del sistema 
operando en diferentes condiciones. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN  
 
Objetivo General 
Desarrollar una aplicación virtual para la enseñanza de los procesos térmicos en una 
Escuela de Ingeniería. 
Objetivos específicos 
o Desarrollo del modelo matemático del proceso especifico. 
o Desarrollo del algoritmo de control para el proceso. 
o Desarrollo de las interfaces gráficas del proceso. 
o Programación del comportamiento del proceso obtenido en el modelado. 
o Desarrollo de las pruebas necesarias para que funcione el prototipo. 
o Desarrollo de un manual de usuario del equipo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN  
 
Justificación 
Dentro de los laboratorios de muchas escuelas de ingeniería se carece de espacio suficiente 
y sobre todo de laboratorios adecuadamente equipados, debido a que como en el caso de 
nuestra escuela ESIME Zacatenco, hace casi 30 años los pocos equipos que se 
proporcionabana la escuela eran nuevos y era lo que se ocupaba en la industria de la época, 
sin embargo, en la actualidad muchos de esos equipos ya no funcionan o solo sirven para 
ver su principio de funcionamiento. 
Lo que se desea realizar como ingenieros y como egresado de la ESIME, es que las 
generaciones venideras puedan simular mediante un laboratorio virtual el funcionamiento 
de un equipo, comprender el principio físico, variar los parámetros del equipo, que en 
nuestro caso es un sistema térmico, en el cual se rige por medio de las leyes de la física que 
para muchos es complicado visualizar y comprender. 
Se considero que los alumnos dentro de un salón de clases comprender mejor los 
fundamentos teóricos con la práctica y no solo con verlo a través de ecuaciones, sabemos 
también que solo algunas escuelas cuentan con laboratorios equipados y novedosos, pero 
siempre bajo el esquema de tener instalado el equipo en un espacio con instalaciones 
costosas. 
Sin embargo, siempre es más fácil montar un laboratorio de cómputo que un laboratorio de 
control de sistemas térmicos, tanto por la inversión como por el espacio que ocupan. En una 
aplicación virtual los alumnos podrán manipular esa aplicación de manera individual, ya 
que en la mayoría de las escuelas que cuentan con sistemas térmicos solo algunos alumnos 
pueden manipularlos, y los demás solo observan. 
Se considero que este tipo de laboratorios son necesarios para las nuevas generaciones, y 
además puede ser implementado en muchas más instituciones que tengan este tipo de 
problemática y que quieran actualizarse constantemente. 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN  
 
Introducción 
El desarrollo económico de un país se basa normalmente en su capacidad de generar capital 
humano altamente capacitado en todas las áreas productivas. Así encontramos que un país 
desarrollado posee personal muy capacitado en las áreas técnicas para desarrollar nuevos 
productos y servicios con un valor agregado importante basado en el conocimiento. Por esa 
razón se preocupan y ocupan de que la formación de su personal sea de la más integral 
posible, desde una base teórica sólida como una práctica que afirme el conocimiento 
adquirido. Por esta razón, tienen escuelas, profesores y laboratorios que garantizan este tipo 
de preparación, esto por supuesto requiere de inversiones importantes pero sobre todo de 
una organización de las actividades económicas con una clara visión de futuro. 
En los países en vías de desarrollo la preparación integral de personal capacitado representa 
un gran reto ya que frecuentemente no se cuenta con los recursos suficientes para equipar 
los laboratorios de enseñanza, o bien se tienen pocos equipos para una población 
importante de estudiantes, con lo que la formación es deficiente, esto sin tomar en cuenta 
que en algunos países incluyendo el nuestro, no hay proyecto claro de lo que se quiere y 
requiere hacer, para desarrollar al país. 
En varias escuelas de la educación pública en México, no hay suficiente equipo académico 
para la enseñanza de la ciencia y la tecnología, por lo que la formación de nuevos cuadros 
para la industria es deficiente. Por esa razón, con el fin de comprender de una manera clara, 
sencilla y económica, los principios de los fenómenos físicos y la forma cómo se aplican en 
los sistemas térmicos, hemos decidido darnos a la tarea de contrarrestar esa situación con el 
desarrollo de un modelo virtual capaz de dar la pauta para realizar un laboratorio virtual 
destinado a la enseñanza de los diferentes equipos que se utilizan en procesos con 
características reales sobre todo manipulables, y de esa manera mejorar la educación 
tecnológica. 
Algunos de los avances realizados en este tema son el desarrollo de software capaz de 
resolver ecuaciones matemáticas que simulan fenómenos con la posibilidad de cambiar los 
parámetros, con el fin de aplicarlos a los propósitos que se buscan en este trabajo, también 
se le adicionarán salidas hacia pantallas de control y animaciones de computadoras. 
En el caso particular de los equipos térmicos, que son muy necesarios para la formación de 
un ingeniero de la rama electromecánica, se necesitan muchos recursos para adquirirlos y 
un espacio relativamente grande para poder instalarlos, lo cual también representa una 
inversión para construir espacios adecuados para la enseñanza. Lo que se pretende con el 
presente proyecto es aplicar los conocimientos de modelado matemático de los procesos, 
con el control y la aplicación de las interfaces graficas para obtener un equipo virtual que 
podrá ser manipulado desde una computadora, por lo tanto, el espacio se reduce 
enormemente y se amplían las posibilidades de aprendizaje. 
INTRODUCCIÓN  
 
El beneficio más sobresaliente es que se podrá equipar a las escuelas de ingeniería con poca 
inversión, los estudiantes podrán realizar las prácticas cuantas veces quieran, cambiando 
parámetros y lo más importante, pueden representar un nicho para desarrollar una empresa 
constructora y distribuidora de laboratorios virtuales en cualquier área de la ingeniería. 
 
 
 
 
CAPÍTULO I 
LABORATORIO DE 
PROCESOS 
TÉRMICOS 
 
 
 
 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
1 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
1.1 LABORATORIOS CONVENCIONALES 
Un laboratorio es un lugar que se encuentra equipado con los medios necesarios para llevar a 
cabo experimentos, investigaciones o trabajos de carácter científico o técnico. Por lo regular 
en estos espacios, las condiciones ambientales se encuentran controladas y normalizadas 
para evitar que se produzcan influencias extrañas a las previstas que alteren las mediciones y 
para permitir que las pruebas sean repetibles. 
 
Entre las condiciones que un laboratorio intenta controlar y normalizar, se encuentran 
la presión atmosférica (para evitar el ingreso o egreso de aire contaminado), la humedad (la 
intención es reducirla al mínimo para evitar la oxidación de los instrumentos) y el nivel de 
vibraciones (para impedir que se alteren las mediciones). 
 
El laboratorio real o convencional, ha sido el único lugar de experimentación, durante 
mucho tiempo, tanto de estudiantes como de profesores y sobre todo de científicos e 
investigadores de ciencias diversas. Está consensuada en el ámbito académico, la enorme 
importancia que tiene para el aprendizaje, la experimentación directa del alumno en el 
laboratorio convencional. En el aula, el profesor transmite al alumno gran cantidad de 
información teórica en poco tiempo. El Laboratorio convencional es lento en la transmisión 
de información, sin embargo, facilita el planteamiento de problemas que permitan al 
estudiante aplicar sus conocimientos sobre la naturaleza, entrenándose en la aplicación del 
método científico. La principal ventaja del Laboratorio convencional es su alta 
interactividad, al tomar contacto el alumno con el experimento real, la motivación que 
supone observar el experimento, el desarrollo de habilidades cognitivas que se ponen en 
práctica en el mismo, entre otras de menor renombre. 
 
 
 
Figura 1.1 Laboratorio Convencional 
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CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
3 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
1.2 LABORATORIOS VIRTUALES 
 
Durante la última década, ha habido muchas afirmaciones optimistas sobre el potencial de la 
realidad virtual para mejorar la enseñanza de las ciencias de laboratorio y el aprendizaje. De 
hecho, los laboratorios virtuales han demostrado tener un impacto positivo en 
habilidades de los estudiantes en evolución, las actitudes y la comprensión conceptual, hay 
muchas ventajas obvias para el uso de simulaciones por ordenador para la enseñanza de 
laboratorio, a saber, “la portabilidad, seguridad, costo-eficiencia, la minimización del error, 
ampliación o reducción de las dimensiones temporales y espaciales, flexibilidad, rapidez y 
dinamismo de muestreo de datos". 
 
En contraste con la popularidad y las posibles ventajas que los laboratorios virtuales podría 
contribuir a la experimentación de laboratorio, algunos investigadores afirman que el uso de 
los laboratorios virtuales en algunos dominios de la ciencia puede privar a los estudiantes de 
las experiencias concretas que implican y la manipulación de materiales físicos, que son 
esenciales para el aprendizaje en los dominios. Por lo general, el uso de la máquina virtual es 
defendida por la mayoría de los educadores de la ciencia sólo en ciertas condiciones (ver 
tabla 1.1). 
 
 
Tabla 1.1 Sustitución de los Laboratorios Reales por los Laboratorios Virtuales en la Rama de las Ciencias. 
 
Algunas condiciones del material físico que puede ser sustituido por los 
laboratorios virtuales. 
(I) un laboratorio real no está disponible al 100%, es demasiado caro o 
demasiado complicado. 
(II) El experimento que se lleva a cabo puede ser peligroso. 
(III) Las técnicas que están involucradas son demasiado complejas para los 
estudiantes. 
(IV) Hay graves limitaciones de tiempo. 
(V) El objetivo del trabajo de laboratorio es familiarizarse con el aspecto 
teórico de la materia y no hacer hincapié en su aspecto práctico. 
 
 
En otras palabras, los laboratorios virtuales se consideran como un "sustituto de realidad de 
los laboratorios convencionales”, nadie considera que la máquina virtual sea un método 
viable de la experimentación en sí mismo de manera total (Figura 1.3). 
 
Una de las principales razones por la que los investigadores y educadores discriminan a los 
laboratorios virtuales se debe a que consideran que cuando se utiliza los laboratorios 
virtuales, están pidiendo a sus estudiantes aprender de una manera fundamentalmente 
diferente a lo que los científicos originalmente trabajaron en los temas correspondientes. Por 
otro lado, otros investigadores afirman que es la manipulación, en lugar de lo físico, como 
tal, que puede ser el aspecto importante de la instrucción o aprendizaje. 
 
CAPIT
 
TESIS
 
1.2.1
 
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CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
5 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
conceptos de calor y la temperatura más que los estudiantes que experimentaron con los 
laboratorios reales. 
 
Sin embargo, no existe un marco que describa cómo los laboratorios virtuales y los 
laboratorios reales deben integrarse dentro de un plan de estudios de la educación en 
ciencias, tanto en términos de qué enseñar y cómo enseñarlo todo en los cursos de 
laboratorio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.4 Laboratorio Convencional en Comparación con un Laboratorio Virtual 
Un laboratorio virtual es un sistema computacional que pretende aproximar el ambiente de 
un laboratorio convencional. Los experimentos se realizan paso a paso, siguiendo un 
procedimiento similar al de un laboratorio convencional: se visualizan instrumentos y 
fenómenos mediante objetos dinámicos, imágenes o animaciones. Se obtienen resultados 
numéricos y gráficos, tratándose éstos matemáticamente para la obtención de los objetivos 
perseguidos en la planificación de la enseñanza. 
 
A continuación se destacan algunas ventajas importantes de los laboratorios virtuales: 
 
• Acerca y facilita a un mayor número de alumnos o practicantes, la realización de 
experiencias, aunque este y el laboratorio no coincidan en el espacio. El estudiante 
accede a los equipos del laboratorio a través de un navegador, pudiendo 
experimentar sin riesgo alguno y, además, se flexibiliza el horario de prácticas y la 
experimentación en lugares remotos e inclusive en casa. 
 
• Reducen el costo del acoplamiento experimental y mantenimiento de los laboratorios 
convencionales, siendo una alternativa barata y eficiente, donde el estudiante simula 
los fenómenos a estudiar como si los observase en el laboratorio convencional. 
 
• Es una herramienta de auto aprendizaje, donde el alumno altera las variables de 
entrada, configura nuevos experimentos, aprende el manejo de instrumentos, 
personaliza el experimento, entre otras cosas. 
 
• La simulación en el laboratorio virtual, permite obtener una visión más intuitiva de 
aquellos fenómenos que en su realización manual no aportan suficiente claridad 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
6 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
gráfica. El uso de laboratorio virtual da lugar a cambios fundamentales en el proceso 
habitual de enseñanza, en el que se suele comenzar por el modelo matemático. 
 
La simulación interactiva de forma aislada posee poco valor didáctico, ésta debe ser 
embebida dentro de un conjunto de elementos multimedia que guíen al alumno 
eficazmente en el proceso de aprendizaje. Se trata de utilizar la capacidad de 
procesamientoy cálculo del ordenador, incrementando la diversidad didáctica, como 
complemento eficaz de las metodologías más convencionales. 
 
• Los estudiantes aprenden mediante prueba y error, sin miedo a sufrir o provocar un 
accidente, sin avergonzarse de realizar varias veces la misma práctica, ya que pueden 
repetirlas sin límite; sin temor a dañar alguna herramienta o equipo. Pueden asistir al 
laboratorio cuando ellos quieran, y elegir las áreas del laboratorio más significativas 
para realizar prácticas sobre su trabajo. 
 
• En Internet encontramos multitud de simulaciones de procesos físicos. Con estos 
objetos dinámicos, el docente puede preparar actividades de aprendizaje que los 
alumnos han de ejecutar, contestando al mismo tiempo las cuestiones que se les 
plantean. 
 
Sin embargo, no todo son ventajas en los laboratorios virtuales, también existen 
inconvenientes. A continuación mostramos los más destacados. 
 
• El laboratorio virtual no puede sustituir la experiencia práctica altamente 
enriquecedora del laboratorio convencional. Ha de ser una herramienta 
complementaria para formar a la persona y obtener un mayor rendimiento. 
 
• En el laboratorio virtual se corre el riesgo de que el alumno se comporte como un 
mero espectador. Es importante que las actividades en el laboratorio virtual, vengan 
acompañadas de un guía que explique el concepto a estudiar, así como las ecuaciones 
del modelo utilizado. Es necesario que el estudiante realice una actividad ordenada y 
progresiva, conducente a alcanzar objetivos básicos concretos. 
 
• El alumno no utiliza elementos reales en el laboratorio virtual, lo que provoca una 
pérdida parcial de la visión de la realidad. Además, no siempre se dispone de la 
simulación adecuada para el tema que el profesor desea trabajar. En Internet existe 
mucha información, a veces inútil. Para que sea útil en el proceso de 
enseñanza/aprendizaje, se deben seleccionar los contenidos relevantes para los 
alumnos. Son pocas las experiencias realizadas con laboratorio virtual en los centros 
educativos, donde aún impera el uso de recursos convencionales, tanto en la 
exposición de conocimientos en el aula como en el laboratorio. 
 
Sin duda alguna que entre los tantos retos a resolver en este siglo en la educación destacan 
dos: 
 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
7 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
1. La necesidad de desarrollar acciones concretas en el ámbito académico para 
preservar y en lo posible recuperar lo que nos queda de medio ambiente, más allá de 
la mera exposición en clase de problemas ecológicos y ambientales consecuencia del 
desarrollo social, industrial y económico, proveyendo a las nuevas generaciones con 
un espacio y recursos naturales, que les permitan desarrollarse con la dignidad y 
posibilidades a las que todo ser humano tiene derecho. Lo anterior demanda del 
docente un cambio de paradigma en el proceso enseñanza-aprendizaje más limpio y 
sin ocupar y/o procesar material a utilizar. 
 
2. El otro gran reto es el desarrollo e implementación de estrategias de enseñanza, 
dirigidas a desarrollar habilidades y actitudes en los estudiantes, con el fin de que 
adquieran distinciones y competencias que les permitan estar funcionalmente activos 
en lo profesional en las próximas cinco décadas del nuevo siglo y sean capaces de 
tomar decisiones que les lleven a resolver genuinamente los problemas de economía, 
estado y medio ambiente derivados del desarrollo industrial y social de la última 
parte del siglo actual, lo que demanda del alumno el ejercicio del principio de 
compartir los recursos y conocimientos de que dispongan, a través de la práctica de 
aprendizajes colaborativos. 
 
En este trabajo se expone una propuesta que incide en ambos problemas, a través de la 
creación de un simulador, que hemos denominado “aplicación virtual para la enseñanza de 
procesos térmicos”, e implementado en una institución educativa universitaria en el área de 
nivel superior, como una aportación para la enseñanza, y aprovechamientos de espacios en 
laboratorios. 
 
La propuesta de creación de un laboratorio virtual fue desarrollada para resolver una 
preocupación natural en el ámbito docente cuando se imparte la materia de química o 
térmica, y sistemáticamente se trabaja con alumnos de educación superior que realizan 
prácticas una vez por semana, lo que ocasiona que en la parte experimental se desenvuelvan 
con dificultad impidiendo el cumplimiento total de los objetivos de las sesiones 
experimentales, aprovechando que la aplicación se lleve a la casa y seguir con experimentos 
fuera del aula de enseñanza, además el buscar mayor seguridad para los estudiantes al 
realizar experimentos térmicos y de procesos industriales desde el punto de vista de flujo de 
fluidos e intercambiadores de calor, pues es conocido que el trabajar con materiales 
químicos (Combustibles, reactivos , fórmulas, etc.) tiene un riesgo potencial, que si bien es 
cierto estos riesgos se disminuyen con el conocimiento de técnicas correctas y 
procedimientos diseñados adecuadamente siempre existe el riesgo de accidentes y en mayor 
grado cuando se experimenta en laboratorios con un número alto de estudiantes (más de 30) 
por sesión. 
 
En la enseñanza del flujo de fluidos en procesos térmicos además de alumnos y profesores, 
existe un silencioso pero afectado tercer protagonista, el medio ambiente, sobre el cual, sería 
necio tratar de negar los efectos sufridos a partir de la disposición de residuos escolares 
químicos y contaminantes; en México, existen más de 8 millones de estudiantes de nivel 
superior y sin conocer el número de prácticas de laboratorio por semana, suponiendo que 
sólo el 25 % de ellos las efectúa a lo largo de su enseñanza, debe ser considerable el 
volumen de sustancias químicas utilizadas y combustibles de todo tipo empleados, el daño 
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CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
9 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
WQdU δδ −= (1.1) 
Donde dU representa el cambio de energía internaque sufre el sistema durante el proceso. 
La energía interna U, es una propiedad extensiva del estado termodinámico del sistema (una 
función de estado del sistema), mientras que el trabajo y el calor no lo son. 
Los términos que contiene la primera ley de la termodinámica también pueden escribirse 
por unidad de tiempo, por lo que se tiene la siguiente expresión, 
dUQ W
dt
− =& & (1.2) 
 En esta formulación, Q& (W) es ahora el flujo de calor neto intercambiado por el sistema 
cerrado a través de la superficie de control del mismo. De acuerdo con la convención de 
signos de la termodinámica clásica usada en ingeniería, el valor de Q& es positivo cuando el 
flujo de calor entra al sistema, es decir, cuando el sistema bajo estudio está siendo calentado 
por otro sistema, (por ejemplo el medio ambiente) con el cual se comunica térmicamente. 
En lo que se refiere a la transferencia de trabajo W& (o sea la potencia o consumo de energía 
por unidad de tiempo), se considera positiva cuando sale del sistema bajo estudio, es decir, 
cuando éste realiza trabajo sobre el medio ambiente o algún otro sistema. La transferencia 
de trabajo puede tener origen diferente, principalmente mecánico, eléctrico, o magnético. 
Por ejemplo, el trabajo eléctrico por unidad de tiempo (es decir la potencia) invertida por 
una batería externa para inducir una cierta corriente eléctrica a través del sistema es 
representad por un valor W& negativo. 
Por otro lado, 
dU
dt
 es la tasa de variación o razón de cambio de la energía interna del 
sistema. 
Si el sistema es cerrado, solo puede intercambiar calor y trabajo con su entorno, entonces si 
tiene varias interacciones con diferentes fuentes de calor y fuentes de trabajo, entonces la 
ecuación (1.10) se debe escribir de la siguiente manera, 
i j
i j
dUQ W
dt
− =∑ ∑& & (1.3) 
De acuerdo con lo que estipula la primera ley de la termodinámica, toda la materia y la 
energía en el universo son constantes, no se crean ni se destruyen, solo su forma puede 
cambiar pero nunca su esencia. 
 
En un sistema abierto (figura 1.7), donde puede haber un intercambio de masa, la primera 
ley de la termodinámica debe considerar también los flujos de masa ingresando y saliendo 
del sistema bajo estudio con su respectivo contenido energético. A esta formulación también 
se le llama balance de energía, e indica que la energía interna del sistema cambia debido a 
los flujos de energía que ingresan y que salen del sistema con el flujo de masa, los flujos de 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
10 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
calor que ingresan y salen del sistema por la superficie de control, y el flujo de trabajo que 
entra o sale del sistema por las fronteras y se escribe de la siguiente manera 
 
dt
dUWQemem eeii =−+− ∑∑ &&&&
 (1.4)
 
 
1.3.2 Segunda ley de la termodinámica. 
La segunda ley de la termodinámica, es una herramienta muy útil para estudiar el 
desequilibrio térmico relativo que existe entre dos o más sistemas, por medio de su 
diferencia de temperatura. La magnitud de esta diferencia caracteriza el sentido y la 
intensidad del flujo de la energía calorífica transferida. 
 
La primera ley de la termodinámica no hace ninguna distinción entre transferencia de calor 
y transferencia de trabajo. La transferencia de calor y la transferencia de trabajo son 
interacciones de energía (no propiedades) que deben ser distinguidas del cambio de energía 
interna (que es una propiedad de estado). 
 
La distinción propia entre la trasferencia de calor y la transferencia de trabajo se realiza por 
medio de la segunda ley de la termodinámica, que para el mismo sistema cerrado y en base a 
un balance de energía por unidad de tiempo establece, que la generación de entropía dentro 
del sistema por unidad de tiempo es mayor o igual a la suma de todos los flujos de entropía 
que recibe el sistema a través de su superficie debido a los intercambios de calor. La 
ecuación (1.5) expresa lo anterior matemáticamente. 
 
i
i i
QdS
dt T
≥∑
&
 (1.5) 
 
En la ecuación anterior, S es el balance de entropía del sistema o entropía generada en el 
sistema (la entropía es una propiedad extensiva de estado) y Ti es la temperatura absoluta (K 
o R) del punto particular i de la frontera del sistema que es cruzado por el flujo de calor iQ& . 
Cada término del tipo i iQ T& representa la transferencia de entropía (W/K) o flujo de entropía 
asociado con el flujo de calor iQ& , ya que iQ& pasa a través del punto de la frontera que se 
encuentra a la temperatura Ti. 
 
Comparando las ecuaciones (1.2) y (1.4), se puede distinguir la diferencia esencial entre la 
transferencia de calor y la transferencia de trabajo. Se puede observar que sólo el flujo de 
calor aparece como un término en la ecuación de la 2ª ley de la termodinámica. Esto 
significa que una interacción de transferencia de trabajo trae una interacción de flujo de 
entropía cero. Sin embargo la interacción de flujo de calor siempre viene acompañada de 
una interacción de transferencia de entropía i iQ T . 
La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y 
que todos procesos se llevan a cabo en el sentido donde disminuye la calidad de la energía. 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
11 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
La segunda ley de la termodinámica, también conocida como ley de la entropía, establece 
que la materia y la energía pueden cambiar únicamente en una dirección, de lo útil a lo que 
ya no se puede utilizar, de lo disponible a lo no disponible o de lo ordenado a lo caótico. En 
esencia, de acuerdo con nuestro interés en este trabajo de tesis, la 2a ley de la termodinámica 
dice que el calor fluye de un nivel de potencial térmico alto (temperatura alta) a un nivel de 
potencial térmico más bajo (temperatura baja). Es decir, siempre que hay una diferencia de 
temperatura, se produce un gradiente de temperatura, que induce un flujo de calor hasta que 
la temperatura de los dos cuerpos se iguale. Cuando los dos cuerpos llegan a este punto, se 
dice que están en equilibrio térmico y en ese momento deja de existir el flujo de calor. 
 
Figura 1.6 Esquema de un Sistema Cerrado Mostrando Intercambio de Calor y de Entropía en su Superficie. 
(Las 2 Cantidades Físicas Que Pueden Cambiar En El Sistema Son Su Energía Interna y Su Entropía) 
 
Figura 1.7 Sistema Termodinámico Abierto. 
Aunque los principios que describe la termodinámica han existido desde la creación del 
universo, esta ciencia surgió como tal hasta que Thomas Sabery en 1697 y Thomas 
Newcomen en 1712, quienes construyeron en Inglaterra las primeras maquinas de vapor 
atmosféricas exitosas, las cuales eran muy lentas e ineficientes, pero abrieron el cambio para 
el desarrollo de una nueva ciencia (1). 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
12 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
Se sabe bien que una sustancia está constituida por un gran número de partículas llamadas 
moléculas, y que las propiedades de dicha sustancia dependen, por supuesto, del 
comportamiento de estas partículas debido a la presión y temperatura a la que se encuentren. 
Por ejemplo, la presión de un gas en un recipiente es el resultado de la transferencia de 
cantidad de movimiento entre las moléculas y las paredes del recipiente que lo contiene. Sin 
embargo, no es necesario conocer el comportamiento de las partículas de gas para 
determinar la presión en el recipiente, bastaría con colocarle un medidor de presión 
(manómetro) al recipiente. Este enfoque macroscópico al estudio de la termodinámica que 
no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partículas se llama termodinámica 
clásica, y proporciona un modo directo y fácil para la solución de problemas de ingeniería. 
Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas de ingeniería y otros 
aspectos y actividades de la vida y no es necesarioir muy lejos para comprobar esta 
aseveración. Por ejemplo, el corazón bombea sangre en forma constante a todo nuestro 
cuerpo, diferentes conversiones de energía ocurren en trillones de células y el calor corporal 
generado se emite en forma constante hacia el medio ambiente. El confort humano tiene 
mucha relación con la tasa de esta emisión de calor metabólico. El ser humano intenta 
controlar esta transferencia de calor ajustando la ropa a las condiciones ambientales, para 
tener un estado de confort. 
1.3.3 Sistema 
 
El estado termodinámico del sistema es el conjunto de condiciones que especifican todas sus 
propiedades: temperatura, presión, composición y estado físico. 
 
Las variables de estado son las magnitudes que determinan los valores de todas las 
propiedades y el estado del sistema. Las funciones de estado son magnitudes que tienen 
valores fijos característicos de cada estado del sistema. Su valor sólo depende del estado del 
sistema y no de la forma en que el sistema alcanzó ese estado. Cualquier propiedad del 
sistema que sólo dependa de los valores de sus funciones de estado también es una función 
de estado. 
 
En una reacción química, las sustancias que intervienen constituyen el sistema 
termodinámico, que evoluciona desde un estado inicial (reactivo) hasta un estado final 
(productos). 
 
- Sistema abierto es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su 
entorno. 
 1.3.4 Transformación: estado inicial y estado final, transformación infinitesimal 
 
Ocurre una transformación en el sistema si, como mínimo, cambia de valor una variable de 
estado del sistema a lo largo del tiempo. Si el estado inicial es distinto del estado final, la 
transformación es abierta. Si los estados inicial y final son iguales, la transformación es 
cerrada. Si el estado final es muy próximo al estado inicial, la transformación es 
infinitesimal. 
 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
13 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
Cualquier transformación puede realizarse por muy diversas maneras. El interés de la 
termodinámica se centra en los estados inicial y final de las transformaciones, 
independientemente del camino seguido. Eso es posible gracias a las funciones de estado. 
 
1.3.5 Transformaciones reversibles e irreversibles 
 
Una transformación es reversible si se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio 
del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por 
el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes. Si una 
transformación no cumple estas condiciones se llama irreversible. En la realidad, las 
transformaciones reversibles no existen. 
 
Algunas Características de los Sistemas abiertos y cerrados 
 
a) Sistemas cerrados: Son los sistemas que no presentan intercambio de masa con el 
medio ambiente que los rodea, pues son herméticos a cualquier influencia ambiental. 
Así, los sistemas cerrados no reciben ninguna influencia del ambiente, y por otro 
lado tampoco influencian al ambiente. 
 
No reciben ningún recurso externo y nada producen la acepción exacta del término. 
Los autores han dado el nombre de sistema cerrado a aquellos sistemas cuyo 
comportamiento es totalmente determinístico y programado y que operan con muy 
pequeño intercambio de materia y energía con el medio ambiente. 
 
El término también es utilizado para los sistemas completamente estructurados, 
donde los elementos y relaciones se combinan de una manera peculiar y rígida 
produciendo una salida invariable. Son los llamados sistemas mecánicos, como las 
máquinas. 
 
b) Sistemas abiertos: son los sistemas que presentan relaciones de intercambio con el 
ambiente, a través de entradas y salidas. Los sistemas abiertos intercambian materia 
y energía regularmente con el medio ambiente. Son eminentemente adaptativos, esto 
es, para sobrevivir deben reajustarse constantemente a las condiciones del medio. 
 
Mantienen un juego recíproco con las fuerzas del ambiente y la calidad de su 
estructura es óptima cuando el conjunto de elementos del sistema se organiza, 
aproximándose a una operación adaptativa. La adaptabilidad es un continuo proceso 
de aprendizaje y de auto-organización. 
 
Los sistemas abiertos no pueden estar aislados. Los sistemas cerrados (esto es, los 
sistemas que están aislados de su medio ambiente) también cumplen con el segundo 
principio de la termodinámica que dice que "una cierta cantidad, llamada entropía, 
tiende a aumentar a un máximo". 
 
CAPIT
 
TESIS
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TULO 1  
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CAPIT
 
TESIS
 
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TULO 1  
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CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
17 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
 
Figura 1.11 Balance global de masa en un volumen de control 
En el caso cuando se tiene una mezcla de varios componentes no reactivos, el principio de la 
conservación de la masa se debe aplicar a cada uno de ellos, y posteriormente sumarlas. Por 
ejemplo, el principio de conservación de la masa para el componente i se puede escribir 
simplemente como: 
 
0 = 
t d
M d + m - m iii 12 (1.10) 
 
Por otra parte, la suma de los flujos másicos de todos los componentes será el flujo másico total 
ya sea en la entrada o en la salida. 
 
m = m i
i
n
∑ (1.11) 
 
De acuerdo con la ecuación anterior, cada componente de la mezcla tiene una fracción másica 
xi, que se define como: 
 
m
m = x ii (1.12) 
 
Por lo tanto, el principio de conservación de la masa también se podrá escribir en términos de 
las fracciones másicas: 
 
0 = 
dt
dM
 + x m - x m ii11i22 (1.13) 
 
 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
18 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
 
Figura 1.12 Principio de Conservación de la Masa. 
1.4.1 Balance de energía en sistemas cerrados 
 
Para un estado permanente, se utiliza la ecuación de continuidad que indica que el flujo que 
ingresa al sistema es igual al que sale. Si se tiene un flujo de líquido se puede referir al flujo 
volumétrico y la expresión queda como: 
 
Q1= Q2 (1.14) 
 
Como Q= A  , esta se escribe como 
 
A1  1=A2  2 (1.15) 
 
Estas relaciones permiten determinar la velocidad de flujo en cualquier punto del sistema, si 
se conoce el flujo volumétrico y las aéreas de la tubería en las secciones de interés, siempre 
y cuando no haya cambio de fase. 
 
Entonces el balance de energía, en estado permanente, para un sistema como el mostrado en 
la figura (1.10 y 1.11) se escribe en términos de la energía de presión, energía potencial y la 
energía cinética, que de acuerdo a la primera ley de la termodinámica su suma debe ser igual 
en cualquier punto. 
 
 (1.16) 
 
Los términos que componen a esta ecuación también se les conoce como: carga de presión; 
z carga de elevación y v2/2g es la carga de la velocidad. A la suma de estos tres términos se 
le denomina carga total. A la ecuación (1.16) también se le conoce como la ecuación de 
Bernoulli, 
 
Sin embargo, hay varias restricciones para utilizar la ecuación de Bernoulli: 
 
• Solo es válida para fluidos incompresibles (líquidos). 
• Entre las dos secciones de interés no se puede haber dispositivos mecánicos como 
bombas motores de fluido y turbinas. En caso de que existan se deben incluir los 
términos que los consideren. 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
19 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
• No puede haber pérdidas de energía por fricción o turbulencia que generen válvulas 
y accesorios en el sistema de flujo. También tendría que incluirse un término de 
pérdidas. 
• No puede existir transferencia de calor hacia el sistema o fuera de este. 
 
En realidad, ningún sistema satisface todas estar restricciones. 
 
Un fluido en movimiento presenta resistencia por fricción al fluir. Parte de la energía del 
sistema se convierte en energía térmica (calor), que se disipa a través de las paredes de la 
tubería por la que circula el fluido. La magnitud de la energía que se pierde depende de las 
propiedades del fluido, velocidad del flujo, tamaño de la tubería, acabado de la pared de la 
tubería y longitud de la misma. 
Es común que los elementos que controlan la dirección del flujo volumétrico del fluido en 
un sistema generen turbulencia locales en este, lo que ocasiona que la energía se disipe como 
calor. Siempre que hay una restricción: por ejemplo, un cambio de la velocidad o dirección 
del flujo, hay pérdidas de ese tipo. En un sistema grande la magnitud de las pérdidas por las 
válvulas y accesorios, por lo general es pequeña en comparación con las pérdidas por 
fricción en las tuberías. Por lo tanto, dichas pérdidas reciben el nombre de pérdidas menores. 
 
Las pérdidas y las ganancias de energía de un sistema se contabilizan en términos de energía 
por unidad de peso del fluido que circula por él. Esto también se conoce como carga. Como 
abreviación de la carga se emplea el símbolo h, para pérdidas y ganancias de energía. En 
específico, se manejaran los términos siguientes: 
 
hA =energía que se agrega al fluido con un dispositivo mecánico, como una bomba; es 
frecuente que se le denomine carga total sobre la bomba. 
 
hR = energía que se remueve del fluido por medio de un dispositivo mecánico, como un 
motor de fluido. 
 
hL = pérdida de energía del sistema por la fricción en las tuberías, o pérdidas menores por 
válvulas y otros accesorios. 
 
La magnitud de las pérdidas de energía que produce la fricción del fluido, las válvulas y 
accesorios, es directamente proporcional a la carga de velocidad del fluido. Esto se expresa 
matemáticamente así: 
 
 (1.17) 
 
El término “k” es el coeficiente de resistencia. 
 
Entonces se manejara la ecuación general de la energía como una extensión de la ecuación 
de Bernolli, lo que posibilita resolver problemas donde hay pérdidas y ganancias de energía. 
En la figura 1.13 se aprecia la interpretación lógica de la ecuación de la energía, la cual 
representa un sistema de flujo. Los términos E´1 y E´2 denotan laenergía que pose el fluido 
en las secciones 1 y 2, respectivamente. Se muestran las energías agregadas, removidas y 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
20 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
pérdidas hA, hR y hL respectivamente- Para un sistema tal, la expresión del principio de 
conservación de energía es 
 
´ ´ (1.18) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.13 Sistema de Flujo de Fluido que Ilustra la Ecuación General de la Energía 
La energía que posee el flujo por unidad de peso es 
 
´ (1.19) 
 
Entonces la ecuación de conservación se convierte en la siguiente expresión 
 
       (1.20) 
 
Esta es la forma de la ecuación de la energía que se emplea con mayor frecuencia (ecuación 
1.20). Igual que en la ecuación de Bernolli, cada término de la ecuación representa una 
cantidad de energía por unidad de peso del fluido que circula por el sistema. Las unidades 
del SI son N.m/N, o sea metros columna de agua. 
 
1.5 PROPIEDADES EL AGUA 
 
Nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de hidrogeno y oxigeno H2O. 
Los antiguos filósofos consideraban el agua como un elemento básico que representaba a 
todas las sustancias líquidas. Los científicos no descartaron esta idea hasta la última mitad 
del siglo XVIII. En 1781 el químico británico Henry Cavendish sintetizó agua detonando 
una mezcla de hidrógeno y aire. Sin embargo, los resultados de este experimento no fueron 
interpretados claramente hasta dos años más tarde, cuando el químico francés Antoine 
Laurent de Lavoisier propuso que el agua no era un elemento sino un compuesto de oxígeno 
e hidrógeno. En un documento científico presentado en 1804, el químico francés Joseph 
Louis Gay-Lussac y el naturalista alemán Alexander von Humboldt demostraron 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
21 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
conjuntamente que el agua consistía en dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno, tal 
como se expresa en la fórmula actual H2O. 
 
1.5.1 Propiedades físicas del agua 
 
El agua se encuentra en la naturaleza en tres estados físicos: 
 
o sólida 
o liquida 
o gaseosa 
 
Y el agua potable tiene además las siguientes características, 
 
•  Color: incolora 
• Sabor: insípida 
• Olor: inodoro 
• Presión crítica: 217,5 atm. 
• Temperatura crítica: 374°C 
• Densidad: 1 g/cm3 o 1000 kg/m3 a 4°C 
 
En general, la densidad del agua depende de la temperatura y la presión. Esta propiedad 
física de la mayor parte de los gases es proporcional a la presión e inversamente 
proporcional a la temperatura. Por otro lado, los líquidos y los sólidos son en esencia 
sustancias no compresibles y la variación de su densidad con respecto a la presión es por lo 
regular insignificante. A 20°C, por ejemplo, la densidad del agua cambia de 998 kg/m3 a 1 
atm, a 1,003 kg/m3 a 100 atm, lo cual representa un cambio de tan solo 0.5%. La densidad de 
líquidos y sólidos depende más de la temperatura que de la presión. A 1 atm, por ejemplo, la 
densidad del agua cambia de 998 kg/m3 a 20°C a 975 kg/m3 a 75°C, esto significa un 
cambio de 2.3 %, lo cual puede ignorarse en muchos análisis de ingeniería (Tabla 1.2). 
1.5.2 Capacidad Calorífica 
En un sistema, que inicialmente se encuentra a la temperatura T, si se le suministra una 
cantidad de calor Q y sin cambiar de estado eleva su temperatura una cantidad ΔT, se define 
la capacidad calorífica media del sistema, entre las temperaturas T y T+ΔT, mediante la 
relación: 
 
 
∆
 (1.21) 
 
Y el calor específico se define como la capacidad calorífica por unidad de masa 
c Cp/m (1.22) 
 
CAPITULO 1     LABORATORIOS VIRTUALES 
 
22 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
1.5.3 Viscosidad dinámica (μ) 
 
La viscosidad es una magnitud física que mide la resistencia interna al flujo de un fluido 
(resistencia al esfuerzo cortante). Es medida por el tiempo en que tarda en fluir éste a través 
de un tubo capilar a una determinada temperatura. Las unidades con que se mide en el 
Sistema Internacional son N·s/m2. 
 
1.5.4 Viscosidad cinemática (ν) 
 
Representa una característica propia del agua ya que desecha las fuerzas que generan su 
movimiento. Se obtiene mediante el cociente entre la viscosidad dinámica o absoluta (μ) y la 
densidad (ρ) de la sustancia en cuestión: (Véase Tabla 1.2) 
 
ν = μ / ρ (m2/s) (1.23) 
 
Tabla 1.2 Viscosidad en Relación con la Densidad (3) 
VISCOSIDAD Y DENSIDAD DEL AGUA 
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Densidad 
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Viscosidad 
absoluta 
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Viscosidad 
cinemática 
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2  0.99997  1.6741  1.6741  35.6 
4  1  1.5676  1.5676  39.2 
6  0.99997  1.4726  1.4726  42.8 
8  0.99988  1.3872  1.3874  46.4 
10  0.99973  1.3097  1.3101  50 
12  0.99952  1.239  1.2396  53.6 
14  0.99927  1.1748  1.1756  57.2 
16  0.99897  1.1156  1.1168  60.8 
18  0.99862  1.0603  1.0618  64.4 
20  0.99823  1.0087 1.0105 68 
22  0.9978  0.9608  0.9629  71.6 
24  0.99733  0.9161  0.9186  75.2 
26  0.99681  0.8746  0.8774  78.8 
28  0.99626  0.8363  0.8394  82.4 
30  0.99568  0.8004 0.8039 86 
1.5.5 Características del agua. 
A la presión atmosférica de 760 milímetros de mercurio, el agua hierve a una temperatura de 
100°C y el punto de ebullición se eleva a 374°, que es la temperatura critica que corresponde 
a su la presión crítica que es de 217,5 atmósferas. En todo caso el calor de vaporización del 
agua asciende a 539 calorías/gramo a 100°. 
Mientras que el hielo funde en cuanto se calienta por encima de su punto de fusión, el agua 
líquida se mantiene sin solidificarse algunos grados por debajo de la temperatura de 
CAPIT
 
TESIS
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23
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24 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN 
La transferencia de calor a través de materiales de alta conductividad térmica se produce a 
un ritmo más rápido que los materiales a través de la baja conductividad térmica. En 
consecuencia los materiales de alta conductividad térmica son ampliamente utilizados en el 
disipador de calor y algunas aplicaciones de materiales de baja conductividad térmica son 
los que se utilizan como aislamiento térmico. 
 
La conductividad térmica de materiales depende de la temperatura. En general, los 
materiales son más conductores de calor a medida que aumenta la temperatura media. 
 
En el Sistema Internacional de unidades (SI), la conductividad térmica se mide en watts por 
metro Kelvin (W / (m · K)). 
 
En el siguiente capítulo se podrá observar de manera más directa el sistema térmico que se 
va a simular, así como sus características de funcionamiento, los elementos que lo 
componen y el sistema de control implementado para su buen funcionamiento, se describe 
paso a paso como funciona en la realidad y que ventajas y desventajas tiene con respecto al 
ensamble virtual. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO II 
OPERACIÓN DEL 
SISTEMA TÉRMICO 
A SIMULAR 
 
 
 
 
  
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  25
2.1 ESQUEMA DEL SISTEMA A SIMULAR. 
 
Para poder simular la primera ley de la termodinámica, se tiene el siguiente 
acoplamiento (figura 2.1) de manera convencional y manipulable, este acoplamiento se 
convertirá en la aplicación virtual la cual se podrá manipular desde un ordenador (PC). 
 
 
 
Figura 2.1 Sistema Térmico a Simular 
 
 
 
2.2 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA TÉRMICO 
 
En el sistema térmico que se está modelando se encuentran dos tanques con agua a 
temperatura ambiente y abierta a la atmósfera (Virtualmente Inagotables), de los cuales 
salen una toma de agua y tienen un regreso proveniente de una válvula de 
estrangulamiento descrita más adelante; esta distribución se puede en la figura 2.2 
 
 
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  26
 
Figura 2.2 Tanques de Alimentación Principal 
 
La sección 1 (tubo 1) tiene una bomba centrifuga de ¼ HP y consecuentemente a la 
salida de la bomba está instalada un sistema de tuberías. En la figura 2.3 se observa la 
sección 1 divididas en parte “a” y parte “b“, la parte “a“ es una tubería con una válvula 
de estrangulamiento la cual lleva el agua de regreso al tanque de alimentación principal 
1 (se instala con la finalidad de garantizar que la bomba no se dañe debido a la acción 
que la válvula estranguladora de la sección “b” provoca), la parte “b” es la que nos 
importa ya que está conformado por una válvula estranguladora con actuador tipo 
servomotor (Servo válvula). 
 
Figura 2.3 Sección a la salida del Tanque de Alimentación 1 
 
Después de esta sección, está instalado un tubo calentador eléctrico, cuya función será 
elevar la temperatura del fluido de forma constante a la salida de éste (figura 2.4). La 
sección 1 cuenta también con un sensor-transmisor de flujo (Figura 2.5). 
 
 
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  27
 
 
Figura 2.4 Tubo calentador Eléctrico de Agua. 
 
Figura 2.5 Sensor-Transmisor de Flujo. 
 
La sección 2 (Tubo 2) está conformado por una bomba centrifuga de ¼ HP y 
consecuentemente a la salida de la bomba está instalada un sistema de tubería. En la 
figura 2.6 se pueden ver estas tuberías divididas en parte “a” y parte “b“, la parte “a“ es 
una tubería con una válvula de estrangulamiento la cual lleva el agua de regreso al 
tanque de alimentación principal 2 (se instala como en la sección 1 con la finalidad de 
garantizar que la bomba no se dañe debido a que la válvula estranguladora de la parte 
“b” provoca mediante su abertura), la parte “b” es la que importa ya que está 
conformado por una válvula estranguladora con actuador tipo servomotor (Servo 
válvula). Esta sección 2 solo llevara fluido a temperatura ambiente y el flujo dentro del 
tubo se medirá de igual manera por un sensor-transmisor de flujo igual al de la sección 
1 (Véase figura 2.5). 
 
Figura 2.6 Sección a la salida del Tanque de Alimentación 2 
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  28
Por lo tanto cada sección queda integrada como se muestra en la figura 2.7, la sección 1 
y la sección 2 se encuentran antes de llegar a un tanque final de mezclado. 
 
a) Sección 1 b) Sección 2 
 
Figura 2.7 Secciones de Alimentación Principal. 
 
El tanque final o sección 3, es decir el tanque que tendrá la mezcla de agua a diferentes 
temperaturas provenientes de la sección 1 y la sección 2, contará dentro de esta sección 
3, un agitador (Figura 2.8) accionado con un motor eléctrico, cuya función es garantizar 
que la temperatura de la mezcla de agua dentro del tanque sea uniforme. 
 
 
Figura 2.8 Distribución física de la sección 3 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  29
La temperatura dentro de la sección 3 se medirá por medio de un Sensor-transmisor de 
temperatura (RTD de 2 hilos) que censará la temperatura a la salida del tanque y este 
está conectado al controlador Véase Figura 2.9. 
 
 
Figura 2.9 Instrumentación de Control de Sección 3 
 
En la salida a proceso de la sección 3 existe una tubería con su válvula on-off con 
actuador tipo solenoide, para que en cuanto se tenga la temperatura deseada se abra 
permitiendo la salida del fluido de esta sección (Figura 2.10). 
 
 
Figura 2.10 Tubo de Salida de Sección 3 
Este sistema térmico en general requiere de un sistema de control que dará una 
respuesta lo más exacta posible. La función del control será dar una relación de flujos 
controlada en las tuberías, por lo que deberá gobernar las válvulas de estrangulamiento 
de flujo respectivas a cada tubería y de esta manera controlar también la temperatura en 
la sección 3. 
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  30
Por otro lado, activar las bombas, encender el agitador y energizar con corriente un 
calentador eléctrico será primordial para este controlador solo que estas son acciones 
on/off y por lo tanto se decide no representarlo en la figura 2.11. 
 
La finalidad del sistema de control es obtener a la salida (sección 3) un valor deseado de 
temperatura y nivel. Por lo cual se propone el sistema de control descrito en la Figura 
2.11 el cual se comprobará y a su vez garantizará su óptimo funcionamiento en este 
sistema térmico. 
 
Debido a que la estrategia de control seleccionada es un control tipo Split-Range o 
coloquialmente llamado gama partida que se refiere a dos variables controladas y una 
variable manipulada, en este caso el sistema controlará el flujo en las sección 1 y en la 
sección 2, la variable manipulada, que en este caso es la temperatura, será de vital 
importancia debido que es el punto de consigna que se necesita y que con el programa 
se puede obtener, ya que se hace una comparación entre las dos secciones de flujo de 
agua y que puede garantizar de igual manera el nivel que se requiera. 
 
 
Figura 2.11 Sistema de Control (Split Range) 
2.3 DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA TERMICO 
 
En el sistema de Intercambio de calor o térmico, senecesita primordialmente agua a una 
temperatura deseada; en la Sección 3 o de respuesta del sistema (Punto de referencia) es 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  31
donde se obtendrá un nivel propuesto de agua a la temperatura requerida. De forma 
convencional el sistema térmico funciona al accionarse dos bombas centrifugas que 
alimentaran un sistema de tuberías, una sección contiene una corriente de agua a 
temperatura ambiente (sección 2) que es medida por un sensor de temperatura, y una 
corriente de agua con una temperatura constante de 90 ºC (sección 1), que al 
combinarse estas dos secciones, se obtendrá una mezcla dentro de la sección 3 o tanque 
final esta agua combinada a diferentes temperaturas está definida por una cantidad de 
flujo que el sistema de control realizando los cálculos necesarios se entregara un nivel 
de agua (en kilogramos) a una temperatura deseada medida constantemente y 
uniformizada por un agitador automático motorizado provocando así que cuando se 
llegue a esta temperatura la tubería de salida de la sección 3 abrirá una válvula on/off 
con actuador tipo solenoide que dejara salir el agua. 
 
De forma virtual, se necesita de igual manera primordialmente agua a una temperatura 
deseada; en la Sección 3 o de respuesta del sistema (Punto de referencia) es donde se 
obtendrá un nivel propuesto de agua a la temperatura requerida. De forma virtual el 
sistema térmico funciona al accionarse dos bombas centrifugas que alimentarán un 
sistema de tuberías, una sección contiene una corriente de agua a temperatura ambiente 
(sección 2) que este valor es introducido según la región en la que el usuario se 
encuentre comprende un intervalo de 15 ºC a 25 ºC el cual es de vital importancia; y una 
corriente de agua con una temperatura constante de 90 ºC (sección 1), que al 
combinarse estas dos secciones, se obtendrá una mezcla dentro de la sección 3 o tanque 
final esta agua combinada a diferentes temperaturas está definida por una cantidad de 
flujo que el sistema de control realizando los cálculos necesarios se observara un nivel 
de agua (en kilogramos) a una temperatura deseada uniformizada por un agitador 
motorizado provocando así que cuando se llegue a esta temperatura la tubería de salida 
de la sección 3 abrirá una válvula on/off con actuador tipo solenoide que dejara salir el 
agua en el modo automático, en el modo manual al variar los flujos másicos (1 y 2) se 
puede generar una temperatura en la sección 3 y se puede vaciar este al manipular el 
flujo másico 3. 
 
El sistema térmico funciona como se acaba de mencionar con dos modos de operación: 
de manera manual y de manera automática. 
 
Al iniciar la aplicación virtual se mostrará una interfaz que en la parte superior se puede 
seleccionar el modo de operación por medio de un selector, y tendrá botones de 
“START” y “STOP”, y un indicador de que el programa está en funcionamiento. 
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  32
Al seleccionar el modo automático, en un cuadro se activaran las funciones para simular 
el sistema térmico, se seleccionara el nivel de agua (en litros) en el tanque final o 
sección 3, se introducirá el valor de temperatura ambiente según las condiciones 
climáticas donde el usuario se encuentre o desee ya que dependiendo la zona donde se 
encuentre el usuario la temperatura ambiente no es una variable constante por lo tanto el 
sistema requiere necesariamente este valor de temperatura; también se seleccionara el 
valor de temperatura que se requiera en la sección 3, este valor se convertirá en el punto 
de referencia dentro del controlador. El sistema de control realizará la conversión 
necesaria para que cuando el sistema térmico tenga flujo de fluido dentro de la tubería a 
temperaturas diferentes, obtenga en la sección 3 un nivel requerido y una temperatura 
deseada, el sistema de control garantiza estos dos parámetros. 
 
Cuando se llegue a la temperatura y nivel deseados el sistema se detendrá y abrirá la 
válvula on/off en la tubería de salida. Cuando se llegue a un nivel bajo dentro de la 
sección 3 el agitador se detendrá debido a que con menor cantidad de agua esta puede 
empezar a enfriarse y así perder el objetivo del sistema térmico. 
 
Las limitantes que muestra la interfaz dentro de este modo son solo cuando se introduce 
un valor de temperatura final menor a la temperatura ambiente introducida. La interfaz 
muestra una ventana de dialogo que dice el error generado por la mala introducción de 
datos. 
 
En la interfaz gráfica del sistema térmico se visualizará como van los flujos y la 
dirección de ellos, también se indicará cuando las válvulas estarán encendidas, cuando 
el calentador eléctrico está energizado y cuando el agitador se enciende, como se ha 
mencionado estas acciones serán extras del sistema, Los indicadores de flujo daran el 
valor totalizado del flujo que paso por esa tubería respectivamente para cada sección y 
se podrá visualizar cómo se llena el tanque y con una barra lateral de color se podrá 
apreciar con un código de colores (definidos en el manual de la interfaz) a que 
temperatura se encontrará el agua en la sección 3. 
 
Cuando se seleccione el modo manual de operación, en un cuadro se activaran unas 
funciones para simular el sistema térmico, comprenden de manera más general 3 
perillas selectoras de flujo la primera seleccionara el lujo másico dentro de la sección 1, 
la segunda perilla seleccionara el flujo másico dentro de la sección 2, y la tercer perilla 
seleccionara el flujo másico a la salida de proceso del tanque; de igual manera para 
hacer mas didáctico la interfaz gráfica se puede seleccionar la temperatura del flujo en 
la sección 1 y como se ha mencionado, se introducirá el valor de temperatura ambiente 
que es determinante en el cálculo que realiza el sistema de control. Se tendrá 2 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  33
indicadores de flujo de aguja de cada sección de tubería (1 y 2) y 4 indicadores 
numéricos, 3 de ellos indican la cantidad de flujo másico para cada sección de tubería, 
sección 1, sección 2 y salida a proceso (flujo másico 3) respectivamente, el último 
indicador mostrará la temperatura (ºC) dentro del tanque final. 
 
Las limitantes que muestran la interfaz dentro de este modo son: cuando se introduce un 
valor de temperatura final menor a la temperatura ambiente capturada. La interfaz 
muestra una ventana de dialogo que dice el error generado por la mala introducción de 
datos. 
 
En la interfaz gráfica del sistema térmico se visualizará como van los flujos y la 
dirección de ellos, también se indicará cuando las válvulas estarán encendidas, cuando 
el calentador eléctrico se energiza y cuando el agitador se encienda, como se ha 
mencionado, estas acciones serán extras del sistema, Los indicadores de flujo mostrarán 
que cantidad de flujo másico que estará pasando en ese instante dentro de las secciones 
1 y 2 respectivamente y en cuanto se manipule el botón del flujo másico 3 se visualizará 
como se abre la válvula de salida a proceso, de igual manera se visualizará la 
temperatura dentro de la sección 3 y la cantidad en kilos de agua dentro del tanque 3. 
 
En el siguiente diagrama de flujo (figura 2.12) se muestra la lógica de operación del 
programa que realizara y de forma básica. 
 
 
 
CAPITULO II                                                                              OPERACIÓN DEL PROCESO A REALIZAR 
TESIS DE LICENCIATURA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN  34
 
 
Figura 2.12 Diagrama de flujo de operación 
En el siguiente capítulo se describirá el principio de funcionamiento