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- 1. Termodinámica 2 unidad 2 1
- 2. Termodinámica 2 unidad 2 2 Actividad 1. ¿Cómo elegir un sistema? Ciclo de Carnot El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. un ciclo ideal. el ciclo de Sadi Carnot El Ciclo llamado de Carnot es un ciclo reversible que consta de cuatro tramos: dos a temperatura constante (dos procesos isotérmicos), y otros dos sin absorción ni cesión de calor (dos procesos adiabáticos). Es decir, se trata de una transformación bitérmica (entre dos temperaturas). El rendimiento teórico: Como en todas las transformaciones bitérmicas, el rendimiento viene dado por 𝑅 𝑒 = 𝑊 𝑄1 Donde W representa el trabajo producido durante la trasnformacion y Q1 el calor que absorbe del foco caliente. El ciclo de carnot de un gas perfecto: Cuando el sistema que evoluciona en un Ciclo de Carnot es un gas ideal, tanto el calor absorbido como el calor cedido se puede determinar muy fácilmente, puesto que sabemos que en las transformaciones isotermas se verifica que el trabajo necesario para una expansión viene dado por la relación: 𝑊 = 𝑛. 𝑅. 𝑇. 𝑙𝑛 〈 𝑉 𝑉0 ⁄ 〉 ∙ Y también sabemos que cuando no hay cambio de calor se verifica la relación temperatura- volumen dada por 𝑇. 𝑉 𝑔−1 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡.
- 3. Termodinámica 2 unidad 2 3 Ciclo de Carnot diagramas PV y TS Ciclo de Otto Es un ciclo reversible que consta de dos etapas isotérmicas a diferente temperatura y dos etapas adiabáticas. La sustancia de trabajo puede no ser un gas ideal. El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado por una chispa eléctrica (motores de gasolina, etanol, gases derivados del petróleo u otras sustancias altamente volátiles e inflamables). Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto creados por IO, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Este último, junto con el motor diésel, es el más utilizado en los automóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor de dos tiempos. El ciclo de 4 tiempos consta de seis procesos, dos de los cuales (E-A y A-E) no participan en el ciclo termodinámico del fluido operante pero son fundamentales para la renovación de la cargadel mismo.
- 4. Termodinámica 2 unidad 2 4 Ciclo de Diesel El ciclo de diesel es un motor de encendido por compresión (en lugar de encendido por chispa). El combustible atomizado se inyecta en el cilindro en p2 (alta presión) cuando la compresión se completa, y hay encendido sin una chispa. El ciclo diesel es el ciclo ideal para motores de encendido por compresión. La bujía es sustituida por un inyector de combustible en los motores diesel. En este motor se asume que la adición de calor se produce durante un proceso a presión constante que se inicia con el pistón en el punto muerto superior. El ciclo del motor diésel (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad) ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido Ciclo de Brayton El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.
- 5. Termodinámica 2 unidad 2 5 Ciclo de Rankine Es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos. El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera. El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot, esto con el fin de mejorar el sistema térmico corrigiendo los problemas que este produce, entre estas modificaciones están: • Primero en el proceso 4-1 se lleva a cabo de manera que el vapor húmedo expandido en la turbina se condense por completo, hasta el estado liquido saturado a la presión de la salida de la turbina. • Proceso de compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquido, que eleva isoentrópicamente la presión del líquido que sale del condensador hasta la presión deseada para el proceso 2-3. • Durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el fluido hasta una temperatura que es con frecuencia superior a la temperatura crítica.
- 6. Termodinámica 2 unidad 2 6 Ciclo combinado de gas-vapor Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión o quema.1 En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión. (COGAS) Una central de ciclo combinado es una central eléctrica en la que la energía térmica del combustible se transforma en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas, generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina de vapor (ciclo de Rankine). ¿Cuál es el mejor ciclo? En cuestion de eficiencias el mejor es del ciclo de carnot, el ciclo de motor térmico mas eficiente permitido por las leyes físicas. no todo el calor suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y todos los procesos físicos reales implican un cierto aumento de la entropía. ¿Qué es un ciclo de refrigeración? La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel térmico. Refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto (reduciendo su nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin problemas o con muy pocos problemas. Los fluidos utilizados para llevar la energía calorífica de un espacio a otro, son llamados refrigerantes. Dependiendo de los fines, la refrigeración puede hacerse de varios modos: • Mediante un fluido que lleva el calor sin cambio de fase (por ejemplo, en un motor térmico, en el que emplean como refrigerantes aire o agua) • Aprovechando el calor de cambio de fase (calor latente) de un fluido, y esto mediante dos sistemas distintos: a) Evaporando un fluido (normalmente agua) y disipando el vapor en el ambiente exterior (desde el botijo hasta la refrigeración de procesos fabriles, como la producción de electricidad)
- 7. Termodinámica 2 unidad 2 7 b) Mediante la evaporación de un fluido en un circuito cerrado y posterior condensación, por medio de una energía externa, para repetir el ciclo (sistemas de refrigeración de espacios) • Otros métodos: como mediante una sustancia fría, antiguamente el hielo y hoy en día la criogenia, con nitrógeno líquido o mezcla de sustancias, como sal común y hielo; mediante un par termoeléctrico que genera una diferencia de temperatura. • Por efecto magnetocalórico, posibilidad aún en investigación y sin aplicación comercial, que consiste en utilizar el efecto magnetocalórico. ¿Qué propiedades debe tener un refrigerante? Un refrigerante es una sustancia que actua como agente de enfriamiento, con propiedades de punto de evaporacion y condensacion. Mendiante cambios de presion y temperatura absorben calor en un lugar y lo disipa en otro mediante un cambio de liquido a gas y viceversa. Un refrigerante ideal pose caracteristicas fisicas y termicas que permiten la capacidad de refrigeracion con la misma con la misma demanda de potencia la temperatura de descarga debera ser la mas baja posible para alargar el compresor. Caracteristicas principales: Calor latente de vaporización. Debe ser elevado, a fin de disminuir lo más posible el caudal de refrigerante que ha de circular por la instalación Presión reevaporación. La presión de vapor a la temperatura de evaporación no debe ser excesivamente baja. Si la presión en el evaporador disminuye por debajo de la atmosférica, se presentan problemas de estanquidad y deben instalarse dispositivos de purga de aire. Temperatura crítica. Debe ser elevada. Una temperatura crítica baja incrementa la presión de condensación y conlleva la necesidad utilizar grandes superficies de intercambio en el condensador. Volumen especifico. El volumen especifico del vapor a la presión de evaporación debe ser reducido, a fin de disminuir el tamaño preciso en el compresor. Temperatura de congelación. Debe ser lo suficiente baja como para que el refrigerante no se cristalice durante el trabajo normal. Conductividad térmica. Debe ser elevada, para que las superficies de intercambio precisa no sean grandes. Resistencia dieléctrica del vapor. En las instalaciones que emplean compresores herméticos debe ser elevada y estar en contacto con los arrollamientos del motor.
- 8. Termodinámica 2 unidad 2 8 Inactividad y estabilidad. El refrigerante debe ser inerte frete a los materiales que constituyen el sistema y el aceite de lubricación del compresor y debe ser estable en su constitución química. Solubilidad con aceite. A ser posible, el refrigerante debe ser inmiscible con el aceite y en su defecto se prefiere que sea totalmente miscible. La miscibilidad parcial crea problemas de depósitos de aceite en el evaporador cuya solución requiere además del empleo de separador de aceite, velocidades altas en la línea de aspiración. Ciclo de Carnot inverso El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un refrigerador o bomba de calor que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador o bomba de calor de Carnot. Se transfiere (absorción) calor reversiblemente desde la región fría TL, de forma isoterma donde el refrigerante experimenta cambios de fase. Se comprime el refrigerante isoentrópicamente, hasta que alcanza la temperatura máxima TH. Se transfiere calor reversiblemente a la región caliente a TH, de forma isoterma, donde el refrigerante experimenta cambios de fase (vapor a líquido). Se expande el refrigerante isoentrópicamente hasta, alcanzar la temperatura mínima T Los inconvenientes de un ciclo de refrigeración de Carnot radican en los procesos de compresión y expansión. En general se debe evitar comprimir una mezcla húmeda por el daño de las presencias de pequeñas gotas liquidas puedan causar al compresor (caso análogo de las turbinas de vapor). La expansión con una turbina bajo condiciones similares a la ya descrita es igual de perjudicial, la restricción a las condiciones de saturación limita la capacidad de absorber calor. Las modificaciones para evitar estos dos tipos de problemas inherentes al ciclo de Carnot conducen en la práctica al ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Ciclo de refrigeración de Brayton La refrigeración es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior. los dispositivos que producen refrigeración son conocidos comúnmente como "refrigeradores, o acondicionador de aire", y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, en donde el refrigerante es evaporado y condensado alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor mejor conocido como ciclo invertido brayton; en el cual, el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa.
- 9. Termodinámica 2 unidad 2 9 ¿Qué es una bomba de calor? Es una máquina térmica que toma calor de un espacio frío y lo transfiere a otro más caliente gracias a un trabajo aportado desde el exterior, es decir, hace lo mismo exactamente que la máquina frigorífica, lo único que cambia es el objetivo. En la máquina frigorífica el objetivo es enfriar y mantener frío el espacio frío. La bomba de calor, sin embargo, tiene como objetivo aportar calor y mantener caliente el espacio caliente. Referencias DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA, P. J. (2012). CURSO FÍSICA II . Obtenido de:: http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica2/2012/c5.pdf. III, d. d. (2017). Trabajo en termodinámica (GIE). Universidad de Sevilla: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Trabajo_en_termodin%C3%A1mica_(GIE)#Trabajo_en _un_proceso. Inmaculada Fernandez Diego, S. F. (s.f.). Termodinámica y termotecnia. Santander Cantabria España: Universida d de Cantabria Open Course Ware. khanacademy.org. ( 2019). Las leyes de la termodinámica. Obtenido de : https://es.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/the-laws-of- thermodynamics/a/the-laws-of-thermodynamics. M., M. d. (2010). La relación de trabajo de retroceso de un ciclo Brayton . Universidad Marítima del Caribe, Venezuela : Unam. Yunus A. Cengel, M. A. (2010). Termodinamica 2. México D.F: Mcgrawhill.