Principios termodinámicos
Páginas: 17 (4066 palabras)
Publicado: 3 de marzo de 2012
MÁQUINAS TÉRMICAS
La definición moderna del término máquina es el conjunto de elementos que permiten vencer una resistencia o transformar una información aplicando una energía. El curso pasado se analizaron los elementos que pueden componer una máquina, como engranajes, tornillos, etc. En este curso se analizan las máquinas térmicas. Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de formacíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis: 1. El gas que evoluciona enel interior de la máquina es ideal. 2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo. 3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriarel volumen fijo. 4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas. De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los cálculos: Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, tenemos:
En realidad, la hipótesis del aporte de calorno es desafortunada, incluso, los motores se clasifican atendiendo a la forma en que se produce la combustión como motores de combustión externa, cuando el combustible no tiene contacto con el gas que produce el trabajo, frente a motores de combustión interna, que son aquéllos en los que el combustible se quema junto con el gas. Otra clasificación se realiza atendiendo al movimiento de las piezasen su interior, y tendíamos motores alternativos (basados en el mecanismo de pistón-biela-cigüeñal), rotativos (que sólo tienen piezas giratorias, normalmente compresores y turbinas) y motores de chorro (basados en el principio de acción y reacción, como los cohetes). Un segundo tipo de máquinas térmicas se basa en dar trabajo para conseguir extraer calor de un recinto que está a baja temperaturay expulsarlo en un ambiente a mayor temperatura. Son los frigoríficos que conocemos bien en la cocina de casa y las bombas de calor. En ambos casos, su representación simplificada es la del dibujo: El rendimiento de estas máquinas, como siempre, es la relación entre lo que se obtiene (calor) y lo que se gasta (trabajo).
CICLOS TERMODINÁMICOS
Para que una máquina térmica pueda realizar untrabajo neto, es necesario que trabaje entre dos focos de calor, un foco caliente del que extraemos calor Q1 o Qc y un foco frío al que cedemos calor Q2 o Qf cuya diferencia Q1-Q2 = Wrealizado. Denominamos:
1 / 10
• Proceso abierto, cuando no coincide el punto inicial y el final. • Proceso cerrado, cuando el punto inicial coincide con el final. Todo sistema termodinámico posee una energía internade la que no se conoce su valor pero sí podemos conocer la variación que puede sufrir. Si tenemos un sistema como el de la figura: Aplicando el primer principio de la termodinámica a un sistema cualquiera
∆U (+ ) = Q(+ ) − W(+ ) = Q − W
U = Energía interna (J) Q = Calor cedido o absorbido (J) W = Trabajo realizado o absorbido (J)
Motor térmico
Es aquel que realiza un trabajo al pasarcalor desde un foco caliente a otro frío. T1 > T2 Al realizar un ciclo ΔU = O ∆U = −W(+ ) + Q1(+ ) − Q 2(− ) ⇒ 0 = −W + Q1 − Q 2 ⇒ W = Q1 − Q 2
η=
Q W Q1 − Q 2 = = 1− 2 ⇒ η < 1 Q1 Q1 Q1
Máquina frigorífica
Recibe trabajo para pasar calor desde un foco frío a otro caliente. T1 > T2 Al realizar un ciclo ΔU = O ∆U = − − W(− ) − Q1(− ) + Q 2(+ ) ⇒ 0 = W − Q1 + Q 2 ⇒ W = Q1 − Q 2
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La definición moderna del término máquina es el conjunto de elementos que permiten vencer una resistencia o transformar una información aplicando una energía. El curso pasado se analizaron los elementos que pueden componer una máquina, como engranajes, tornillos, etc. En este curso se analizan las máquinas térmicas. Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de formacíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis: 1. El gas que evoluciona enel interior de la máquina es ideal. 2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo. 3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso supone, se considera enfriarel volumen fijo. 4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas. De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los cálculos: Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, tenemos:
En realidad, la hipótesis del aporte de calorno es desafortunada, incluso, los motores se clasifican atendiendo a la forma en que se produce la combustión como motores de combustión externa, cuando el combustible no tiene contacto con el gas que produce el trabajo, frente a motores de combustión interna, que son aquéllos en los que el combustible se quema junto con el gas. Otra clasificación se realiza atendiendo al movimiento de las piezasen su interior, y tendíamos motores alternativos (basados en el mecanismo de pistón-biela-cigüeñal), rotativos (que sólo tienen piezas giratorias, normalmente compresores y turbinas) y motores de chorro (basados en el principio de acción y reacción, como los cohetes). Un segundo tipo de máquinas térmicas se basa en dar trabajo para conseguir extraer calor de un recinto que está a baja temperaturay expulsarlo en un ambiente a mayor temperatura. Son los frigoríficos que conocemos bien en la cocina de casa y las bombas de calor. En ambos casos, su representación simplificada es la del dibujo: El rendimiento de estas máquinas, como siempre, es la relación entre lo que se obtiene (calor) y lo que se gasta (trabajo).
CICLOS TERMODINÁMICOS
Para que una máquina térmica pueda realizar untrabajo neto, es necesario que trabaje entre dos focos de calor, un foco caliente del que extraemos calor Q1 o Qc y un foco frío al que cedemos calor Q2 o Qf cuya diferencia Q1-Q2 = Wrealizado. Denominamos:
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• Proceso abierto, cuando no coincide el punto inicial y el final. • Proceso cerrado, cuando el punto inicial coincide con el final. Todo sistema termodinámico posee una energía internade la que no se conoce su valor pero sí podemos conocer la variación que puede sufrir. Si tenemos un sistema como el de la figura: Aplicando el primer principio de la termodinámica a un sistema cualquiera
∆U (+ ) = Q(+ ) − W(+ ) = Q − W
U = Energía interna (J) Q = Calor cedido o absorbido (J) W = Trabajo realizado o absorbido (J)
Motor térmico
Es aquel que realiza un trabajo al pasarcalor desde un foco caliente a otro frío. T1 > T2 Al realizar un ciclo ΔU = O ∆U = −W(+ ) + Q1(+ ) − Q 2(− ) ⇒ 0 = −W + Q1 − Q 2 ⇒ W = Q1 − Q 2
η=
Q W Q1 − Q 2 = = 1− 2 ⇒ η < 1 Q1 Q1 Q1
Máquina frigorífica
Recibe trabajo para pasar calor desde un foco frío a otro caliente. T1 > T2 Al realizar un ciclo ΔU = O ∆U = − − W(− ) − Q1(− ) + Q 2(+ ) ⇒ 0 = W − Q1 + Q 2 ⇒ W = Q1 − Q 2
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