Ciclos termicos

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CICLOS TERMODINAMICOS

INTRODUCION
Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica. Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven atomar sus valores originales. En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.

La conversión de la energía es un proceso que tiene lugar en la biosfera. Sin embargo, los seres humanos a lo largo de su historiahemos inventado diversos artefactos que posibilitan también la conversión energética. La eficiencia con que esta transformación se produce está directamente relacionada con la proporción entre su forma final y su forma inicial y también depende de las leyes físicas y químicas que gobiernan la conversión. 

Un motor térmico de eficiencia perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calorse convertiría en trabajo mecánico. El científico francés del siglo XIX Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todos los motores térmicos, demostró que no puede existir ese motor perfecto. Cualquier motor térmico pierde parte del calor suministrado. El segundo principio de la termodinámica impone un límite superior a la eficiencia de un motor, límite quesiempre es menor del 100%. La eficiencia límite se alcanza en lo que se conoce como ciclo de Carnot.

Ciclo de Carnot

El ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el físico francés Sadi Carnot, que vivió a principios del siglo XIX. Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquiermáquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.
El tercer principio de la termodinámica se enuncia como «la variación de entropíaasociada a cualquier proceso termodinámico tiende a cero cuando la temperatura tiende al cero absoluto». Es decir, siempre que la temperatura sea superior al cero absoluto (-273 ºC) se producirán procesos termodinámicos irreversibles con crecimiento de entropía.

Eficiencia en el ciclo de Carnot:
Para un gas ideal
Puesto que son idénticos todos los rendimientos de máquinas que operen según elciclo de Carnot, podemos emplear la que nos resulte más simple para calcular este rendimiento.
La elección natural es emplear el ciclo de un gas ideal descrito anteriormente.
El rendimiento de una máquina térmica es

En el caso del gas ideal, el calor Qc es el absorbido en una expansión isoterma, en la cual no varía la energía interna

El calor Qf es el cedido en una compresión isoterma, enla que tampoco varía la energía interna

Este calor es negativo, ya que sale del sistema. En valor absoluto es

Por tanto, el rendimiento es igual a

Este no puede ser el resultado final pues depende de algo específico del ciclo de gas, como son los volúmenes en los distintos estados. Si todos rendimientros de máquinas reversibles que actúan entre las mismas temperaturas son iguales debequedarnos una función que dependa exclusivamente de Tc y Tf.
Conseguimos esto observando que el paso de Tf a Tc es una compresión adiabática, en la que la temperatura aumenta al reducirse el volumen, según la ley de Poisson

Análogamente, para el enfriamiento adiabático la temperatura disminuye al aumentar el volumen

Dividiendo la segunda ecuación por la primera queda
            
Esto...
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