LEYES DE LA TERMODINAMICA

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• LEYES DE LA TERMODINAMICA

MAQUINAS TERMICAS
FISICA ELECTIVO CUARTO AÑO MEDIO COLEGIO SERENA
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CICLO DIESEL

• En el ciclo Diesel penetra aire en el cilindro
  durante la carrera de admisión y se comprime
  adiabáticamente
• Durante la compresión alcanza una temperatura
  elevadísima para que cuando se inyecte el
  petróleo se inflame sin necesidad de una chispa
• La combustión no es tan rápida como en el motor a
  gasolina
• La primera parte de la carrera se realiza casi a
  presión constante
• El resto de la expansión es adiabática
• Finalmente se termina con el proceso de escape
  completándose así el ciclo

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ESQUEMA CICLO DIESEL

• Punto a el aire es comprimido adiabáticamente
  hasta el punto b
• Punto b Se calienta a presión constante hasta el
  punto c
• Punto c Se deja expandir adiabáticamente hasta
  el punto d
• Punto d Se enfría a volumen constante hasta el
  punto a

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CICLO DIESEL

• Puesto que no hay combustible en el cilindro de
  un motor Diesel durante la carrera de compresión
  no puede tener lugar el encendido prematuro
• La razón de compresión V1/V2 puede ser mucho
  mayor que en el motor de combustión interna
• El valor típico es 15
• La razón de expansión V1/V3 puede ser alrededor
  de 5
• El rendimiento de un ciclo Diesel es
  aproximadamente de un 56

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MAQUINA DE VAPOR CON CONDENSADOR (Ciclo de
Rankine)

• El agua se convierte en vapor en la caldera
• El vapor así formado se sobrecalienta
• El vapor así formado es sobrecalentaedo por
  encima de la temperatura de la caldera
• El vapor sobrecalentado es admitido en el
  cilindro expandiéndose contra el pistón
  manteniendo la comunicación con la caldera
  durante la primera parte de la carrera de
  trabajo a presión constante
• Se cierra la válvula de admisión y el vapor se
  expande adiabática mente durante el resto de la
  carrera de trabajo
• El enfriamiento adiabático ocasiona la
  condensación de algo de vapor y la mezcla de
  vapor y gotitas de agua (vapor húmedo) es
  obligada a salir del cilindro en la carrera de
  vuelta penetrando en el condensador donde el
  vapor restante se condensa y transforma en agua

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MAQUINA DE VAPOR CON CONDENSADOR (Ciclo de
Rankine)

• El agua es forzada a entrar a la caldera por una
  bomba de alimentación y el ciclo se repite
• Punto a Se inicia el ciclo con agua líquida a
  baja presión y temperatura que es comprimida
  adiabáticamente a la presión constante de la
  caldera hasta el punto b
• Punto b Se calienta a presión constante hasta
  su punto de ebullición c (línea bc)
• Punto c Se convierte en vapor (línea cd)
• Punto d Se sobrecalienta hasta el punto e (línea
  de)
• Punto e Se expande adiabáticamente (línea ef)
• Punto f se enfría y condensa hasta su estado
  inicial (línea fa)

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MAQUINA DE VAPOR CON CONDENSADOR (Ciclo de
Rankine)
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MAQUINA DE VAPOR CON CONDENSADOR (Ciclo de
Rankine)

• Cálculo del rendimiento de esta máquina
• Se determina a partir de las cantidades de calor
  tomadas y cedidas a lo largo de las líneas be y
  fa
• Suponiendo que la temperatura de la caldera sea
  214ºC (a una presión de 21.1 Pa) una
  sobrecalefacción de 34ºC
• Por sobre los 248ºC se inicia el proceso de
  condensación hasta alcanzar la temperatura de
  39ºC
• El rendimiento del ciclo de Rankine es
  aproximadamente de 32

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MAQUINA FRIGORIFICA

• UNA MAQUINA FRIGORIFICA PUEDE CONSIDERARSE COMO
  UN MOTOR TERMICO QUE FUNCIONA EN SENTIDO INVERSO
• Una máquina frigorífica toma calor a baja
  temperatura
• El compresor suministra trabajo mecánico
• Y la suma se expulsa al exterior en forma de
  calor a una temperatura más alta

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MAQUINA FRIGORIFICA

• En una máquina frigorífica doméstica
• Q1 representa el calor extraído de la máquina
  frigorífica por los serpentines refrigerantes
  situados en su interior
• W trabajo realizado por el motor
• Q2 es el calor cedido a los serpentines
  refrigerantes exteriores y eliminando la
  circulación de agua o de aire
• De acuerdo con el 1º P.Termodinámica se tiene
  que
• La circulación de aire o de agua ha de absorber
  el calor sacado de la máquina frigorífica y el
  calor equivalente al trabajo realizado por el
  motor
• El mejor ciclo de refrigeración es el que elimina
  la mayor cantidad de calor Q1 de la máquina con
  el gasto mínimo de trabajo mecánico W

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MAQUINA FRIGORIFICA

• La eficiencia (rendimiento) de una máquina
  frigorífica como la razón

• O bien

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CICLO CORRIENTE DE REFRIGERACION

• El compresor A proporciona a los serpentines B
  gas (CCl2F2 NH3 etc) a alta temperatura y
  presión
• El calor es eliminado del gas en B por agua o
  aire refrigerante ocasionando una condensación
  del gas a líquido conservándose la presión
• El líquido pasa a través de una válvula de
  estrangulación o expansión C

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CICLO CORRIENTE DE REFRIGERACION

• El líquido sale como una mezcla de líquido y
  vapor a temperatura más baja
• En los serpentines D es suministrado calor que
  convierte el líquido restante en vapor que
  penetra en el compresor A para repetir el ciclo
• En una máquina frigorífica doméstica los
  serpentines D están colocados en el
  compartimiento del hielo donde enfrían
  directamente la máquina frigorífica

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CICLO DE CARNOT

• Ninguna máquina térmica tiene un rendimiento
  mayor o igual al 100
• En general cada máquina térmica tiene de acuerdo
  a sus características su propio rendimiento
• Cuál es entonces el máximo rendimiento de una
  máquina térmica
• Se denomina máquina de Carnot a un motor ideal
  que tiene un rendimiento máximo entre los que
  funcionan entre fuentes calóricas semejantes

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CICLO DE CARNOT

• A diferencia de los ciclos de Otto y Diesel el
  de Carnot está limitado por dos isotermas y dos
  adiabáticas

Ciclo de Carnot
Ciclo Diesel
Ciclo de Otto
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CICLO DE CARNOT

• Ninguna máquina térmica tiene un rendimiento
  mayor o igual al 100
• En general cada máquina térmica tiene de acuerdo
  a sus características su propio rendimiento
• Cuál es entonces el máximo rendimiento de una
  máquina térmica
• Se denomina máquina de Carnot a un motor ideal
  que tiene un rendimiento máximo entre los que
  funcionan entre fuentes calóricas semejantes
• Todo el calor suministrado al motor es a la misma
  temperatura elevada
• Todo el calor expulsado hacia el medio ambiente
  es a una temperatura constante más baja
• Los puntos a b c d de la figura anterior
  consideran todos temperaturas diferentes

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CICLO DE CARNOT

• Las transformaciones adiabáticas e isotérmicas
  pueden realizarse en cualquier sentido
• En el sentido horario (motor de combustión
  interna) entra una cantidad de calor Q2
  (positivo) y sale una cantidad de calor
  Q1(negativo)
• El motor en este caso realiza un trabajo
  (positivo)
• En el sentido antihorario (máquina frigorífica).
  En este caso entra calor Q1 y sale calor Q2
• En este caso se realiza un trabajo sobre el
  sistema (negativo)
• De lo anterior se desprende que funcionando como
  máquina de combustión o máquina frigorífica su
  eficiencia será la misma

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CICLO DE CARNOT

• TEOREMA DE CARNOT
• La eficiencia de todas las máquinas reversibles
  que operan entre dos temperaturas iguales es la
  misma y ninguna máquina irreversible que trabaje
  entre esas dos mismas temperaturas puede tener
  una eficiencia mayor que la de las máquinas
  reversibles Enunciado que es consecuencia del 2º
  Principio de la Termodinámica
• Proceso reversible Sucesión de estados de
  equilibrio.
• Proceso isotérmico ideal es reversible ya que es
  posible cambiar la presión y el volumen
  lentamente mientras la temperatura se mantiene
  constante
• Un proceso adiabático puede ser reversible o
  irreversible
• La mayoría de los procesos en la naturaleza son
  irreversibles
• La eficiencia de una máquina reversible es
  independiente de la sustancia que trabaja

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CICLO DE CARNOT

• ANALISIS TEOREMA DE CARNOT
• Considerar dos máquinas reversibles térmicas M y
  M que operan entre las temperaturas T2 y T1
  siendo T2 gt T1
• M funciona como motor de combustión
• M funciona como máquina frigorífica
• M toma calor Q2 de la fuente caliente a
  temperatura T2 y lo entrega calor Q1 a una fuente
  fría de temperatura T1
• M toma calor Q1 de la fuente fría a
  temperatura T1 y lo entrega calor Q2 a una
  fuente térmica de temperatura T2
• Se conectan mecánicamente ambas máquinas de tal
  manera que el trabajo que realiza M sea el
  suficiente para que funcione M
• SUPUESTO Suponer que la eficiencia E de M es
  mayor que la eficiencia E de M

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CICLO DE CARNOT

• INTERPRETACIÓN DE LA SITUACION

T2
Q2 Q2
Q2
Q2
W
M
M
Q1
Q1
Q1 Q1
T1
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CICLO DE CARNOT

• ANALISIS TEOREMA DE CARNOT
• De acuerdo con la definición de eficiencia
• Se tiene que
• Como W W se concluye que
• Y por lo tanto
• Y en consecuencia
• La fuente caliente gana una cantidad de calor Q2
  Q2 (positivo) y la fuente fría pierde una
  cantidad de calor Q1 Q1 (positivo)

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CICLO DE CARNOT

• CONCLUSION
• Se ha logrado pasar calor desde una fuente de
  menor temperatura a otra de menor temperatura sin
  la realización de trabajo lo que contradice el
  Segundo Principio de la Termodinámica por lo
  tanto la eficiencia de ambas máquinas térmicas
  tendrá que ser la misma
• Se puede demostrar que la eficiencia de una
  máquina de Carnot es
• Que corresponde a la máxima eficiencia que puede
  tener una máquina térmica funcionando entre las
  temperaturas T2 y T1

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CICLO DE CARNOT

• PROBLEMAS
• Una máquina de vapor toma vapor de la caldera a
  200ºC y lo expulsa directamente al aire a 100 ºC
  Cuál es su eficiencia ideal
• Se sabe que la eficiencia ideal de un motor de un
  automóvil es de un 22 y que la de un gran motor
  diesel de un 40. Cuál será la temperatura de la
  fuente caliente si se sabe que la temperatura
  ambiente es de 20ºC