MAQUINA TERMICA - SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA IntroduccinDefinicin, Proceso espontneo y no espontneo.Deposito o foco de energa, Fuente, sumidero Enunciados de la segundo principio. Maquinas trmicas y eficiencia. Mquina trmica ideal - ciclo de Carnot Refrigeracin, eficiencia, COP.Ing. A. Yarango R.*

La segunda ley de la termodinmica establece cuales o que procesos pueden ocurrir o no en forma espontnea. Ejemplos 1) Cuando dos objetos que estn a diferente temperatura se ponen en contacto trmico entre s, el calor fluye del objeto ms caliente al ms fro, pero nunca en sentido inverso. 2) La sal se disuelve espontneamente en el agua, pero la extraccin de la sal del agua requiere alguna influencia externa.Todos los cambios en la naturaleza se debe a la tendencia de los sistemas para alcanzar una condicin de mxima estabilidad (equilibrio) que es el de mnima energa y el de mxima entropa. Introduccin*

Enunciados del segundo principioKelvin Planck:

Es imposible construir una mquina trmica que, operando en un ciclo, absorba la energa trmica de una fuente de alta temperatura y realice (o transforma) la misma cantidad de trabajo.

Este enunciado implica que la cantidad de energa que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco trmico, es decir, una mquina debe trabajar al menos entre dos focos trmicos. El esquema ms sencillo se muestra posteriormente.

Clausius:

No hay ninguna transformacin termodinmica cuyo nico efecto sea transferir calor de un foco fro a otro caliente.

En este enunciado se relaciona con el refrigerador o bomba de calor. En efecto establece que es imposible construir un refrigerador que funcione sin suministrarle trabajo. Ya que el ciclo de refrigeracin necesita que al fluido de trabajo se le aplique un trabajo en el compresor*

*Si la combustin se hace fuera del motor ( el que genera el trabajo ) se llamaMquina de combustin externacomo la mquina de vapor.Si la combustin se hace dentro del motor se llamaMquina de combustin interna( el motor del coche )Mquina trmicaLa caldera que contiene el agua genera el vaporEl vapor sale de la caldera e ingresa al cilindro y empuje el pistn a la derecha moviendo la rueda por medio del sistema biela-manivelaLuego retrocede el pistn a la parte izquierda, abrindose la vlvula de salida El vapor de agua ( ya sin energa ) ingresa al condensador y el agua lquida entra de nuevo en la caldera y el ciclo se repite.

*El ejemplo caracterstico de mquina trmica es la mquina de vapor, que se emplea en la mayora de las centrales elctricas (sean estas trmicas, termo-solares o nucleares).Mquina de vapor

Alta temperaturaFUENTEBaja temperaturaSUMIDEROMQUINATRMICAW neto, salQ inQ salTcTfAbsorbe energa trmica de una fuente de alta temperatura.

2. Convierten parte de esta energa en trabajo.

3. Liberan la energa remanente a un sumidero de baja temperatura.

Las mquinas trmicas y otros dispositivos cclicos suelen incluir un fluido de trabajo.Mquina trmica*Unamquina trmicaes un dispositivo cuyo objetivo es convertir laenerga trmicaenenerga mecnicaPara ello utiliza una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina, etc) que realiza una serie de transformaciones termodinmicasde forma cclica, para que la mquina pueda funcionar de forma continua. A travs de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco trmico) y transforma en trabajo una parte y resto entrega a un sumidero.

*En general, se definePotencia(P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las mquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)

Rendimiento ()El objetivo de una mquina es aumentar la relacin entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues elrendimientocomo el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitacin impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre ser menor que uno

Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las mquinas ms comunes este rendimiento se encuentra entre 20% y 35%.Para motores disel, 35 a 40 % Potencia (P) y Rendimiento ()

Fuente de energa(como un horno)Frontera delsistemaCalderaCondensadorTurbinaBombaSumidero de energa(como en la atmsfera)W inW salPlanta de vapor para generar energa.Fluido de trabajo agua-vaporProceso cclico*

Sadi Carnot (francs, 1796 1832), formulo un ciclo que es de gran importancia desde el punto de vista prctico como terico. Carnot demostr que una mquina trmica que operara en un ciclo ideal reversible entre dos fuentes de calor, sera la mquina ms eficiente posible.

Una mquina ideal de este tipo, llamada mquina de Carnot, establece un lmite superior en la eficiencia de todas las mquinas. Esto significa que el trabajo neto realizado por una sustancia de trabajo llevada a travs del ciclo de Carnot, es el mximo posible para una cantidad dada de calor suministrado a la sustancia de trabajo.

La eficiencia de una mquina trmica irreversible (real) es menor que una reversible( mquina de Carnot) que opera entre las dos mismas fuentes de calor.

El ciclo de Carnot es un proceso cclico reversible, que consta de cuatro etapas: dos procesos isotrmicos y de dos procesos adiabticosMquina ideal - Ciclo de Carnot*

netoCiclo de CarnotDiagrama P-V del ciclo Eficiencia de CarnotEtapasProcesos1 - 2: expansin isotrmica2 3: expansin adiabtica3 4: compresin isotrmico4 1: compresin adiabticoDonde la eficiencia es siempre menor que la unidad, en la mayora de los casos prcticos, la fuente fra (Tf) se encuentra a temperatura ambiente. Por lo tanto, se intenta aumentar la eficiencia elevando la temperatura (TC) de la fuente caliente. *

El proceso 1-2 es una expansin isotrmica a la temperatura TC, donde el gas absorbe calor QC y realiza trabajo W12 al subir el mbolo.

En el proceso 2-3, la base del cilindro se reemplaza por una pared trmicamente no conductora y el gas se expande adiabticamente. Durante el proceso la temperatura baja de TC a Tf y el gas realiza trabajo W34 al elevar el mbolo.

En el proceso 3-4 el gas entra en contacto trmico con una fuente de temperatura Tf y se comprime isotrmicamente. Durante el proceso, el gas libera calor Qf a un sumidero y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es W34.

4. En el proceso final 4-1, la base del cilindro se reemplaza por una pared trmicamente no conductora y el gas se comprime adiabticamente. La temperatura del gas aumenta de Tf a TC y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es W41.Anlisis del ciclo de Carnot*

Refrigeracin y bombas de calor Los refrigeradores y las bombas de calor son mquinas trmicas que operan a la inversa del ciclo de Carnot. La mquina absorbe energa trmica Qf del depsito fro y entrega energa trmica Qc al depsito caliente.Esto, solo puede lograrse si se dispone de un trabajo externo (compresor). El enunciado de Clausius afirma lo siguiente:Es imposible construir una mquina que opere en un ciclo y que no produzca ningn otro efecto ms que transferir energa trmica continuamente de un objeto a otro de mayor temperatura. En trminos simples, la energa trmica no fluye espontneamente de un objeto fro a uno caliente. *

Componentesbsicos de unsistema derefrigeracin ySus condicionestpicas de operacin.Sistema de RefrigeracinCONDENSADOREVAPORADOREspaciorefrigeradoMedio circundanteComo el aire de la cocinaVLVULA DEEXPANSINCOMPRESORW neto,entEl objetivo de unrefrigerador es extraercalor QL de un espacioQue se desea enfriarEficiencia o coeficiente de operacinEl COPR puede ser mayor que la unidad.*

La caldera de una mquina trmica opera a 500 K. El calor transforma el agua en vapor, el cual mueve un pistn. La temperatura de escape es la del aire exterior, de unos 300 K. Calcular la eficiencia trmica de esta mquina de vapor.La mxima eficiencia terica de un motor de gasolina basada en un ciclo de Carnot, es de 30%. Si el motor libera sus gases a la atmsfera, a 300 K, calcular la temperatura del cilindro inmediatamente despus de la combustin. Si la mquina absorbe 850 J de calor de la fuente de alta temperatura, en cada ciclo, calcular el trabajo que puede realizar por ciclo. Resp, 429 K, y 255 J.Un refrigerador va a extraer calor del espacio enfriado a una relacin de 150 kJ/min para mantener su temperatura a 8C. Si el aire que circunda el refrigerador esta a 25C, determine la entrada de potencia mnima requerida para este refrigerador. Resp. 0,623 kW.Se necesita un sistema de acondicionamiento de aire que opera en el ciclo de Carnot invertido para transferir el calor de una casa a una relacin 750 kJ/min, para mantener su temperatura en 20C. Si la temperatura del aire exterior es de 35C, determine la potencia requerida para operar este sistema. Resp. 0,64 kW.

Problema*

*RENDIMIENTO: MAQUINA DE REFRIGERACION Y BOMBA DE CALORCoeficiente de Operacin (COP)Refrigeracin:Bomba de calor:

Rendimiento o eficiencia trmica Una mquina trmica trabaja en un proceso cclico, por lo tanto el U = 0, segn la primera ley de la termodinmica, el trabajo neto realizado por la mquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma. Del esquema: Wnet = Qnet

Q neto = Qc Qf , Wnet = Qc Qf La eficiencia trmica, (o simplemente eficiencia), de una mquina trmica se define como la razn entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo, se escribe de la forma: Motor de un automvil: eficiencia aproximada de 30 a 35% Motores diesel una eficiencia de 35% a 40%.*

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