Procesos Reversibles e Irreversibles

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Yesid Fabin Zambrano S.

Las mquinas trmicas son aquellos dispositivos que se utilizan para convertir calor en trabajo, es posible caracterizarlas a todas mediante: 1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energa solar, horno de petrleo, reactor nuclear, etctera). 2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria). 3- Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de Calor de baja tempe-ratura (la atmsfera, los ros, etctera). 4. Operan en un ciclo.

Las mquinas trmicas y otros dispositivos cclicos por lo comn requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo. La salida de trabajo neto de una mquina trmica se obtiene de un balance de energa:

Tambin es posible expresarla como

La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos espe-ciales llamados refrigeradores.

Coeficiente de desempeo La eficiencia de un refrigerador se expresa en trminos del coeficiente de desempeo (COP) el cual se denota me-diante COPR. El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (QL) del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo Wneto,entrada. Entonces, el COP de un refrigerador se puede expresar como:

El principio de conservacin de la energa para un dispositivo cclico requiere que Entonces la relacin COP se convierte:

Otro dispositivo que transfiere calor desde un medio de baja temperatura a otro de alta es la bomba de calor. Este dispositivo emplea el mismo sistema de un refrigerador pero el objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. La medida de desempeo de una bomba de calor tambin se expresa en trminos del coeficiente de desempeo COPHP, definido como

que tambin se puede expresar como

El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definicin de una mquina trmica es la central elctrica de vapor, la cual es una mquina de combustin externa.

Algunos de los procesos que se estudiaron en este curso ocurrieron en cierta direccin, y una vez ocurridos, no se pueden revertir por s mismos de forma espontnea y restablecer el sistema a su estado inicial. Por esta razn se clasifican como procesos irreversibles.

Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningn rastro en sus alrededores.

Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, slo son idealizaciones de procesos, reales. Razones para estudiarlos: Son fciles de analizar, puesto que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio durante un proceso reversible.

Sirven como modelos idealizados con los que es posible comparar los procesos reales.

Los ingenieros estn interesados en procesos reversibles porque: Los dispositivos que producen trabajo, entregan el mximo de trabajo. Los dispositivos que consumen trabajo, como compresores, ventiladores y bombas, consumen el mnimo de trabajo. Los procesos reversibles pueden ser considerados como Lmites tericos para los irreversibles correspondientes.

Los factores que causan que un proceso sea irreversible se llaman irreversibilidades. Las cuales son la friccin. Expansin libre (de un gas). El mezclado de dos fluidos. La transferencia de calor a travs de una diferencia de temperatura finita. La resistencia elctrica. La deformacin inelstica de slidos. Las reacciones qumicas.

Se mencion anteriormente que las mquinas trmicas son dispositivos cclicos, y que el fluido de trabajo de una de estas mquinas vuelve a su estado inicial al final de cada ciclo.La eficiencia del ciclo de una mquina trmica depende en gran medida de cmo se ejecute cada uno de los procesos que constituyen el ciclo.

Es probable que el ciclo reversible ms conocido sea el ciclo de Carnot, propuesto en 1824 por el ingeniero francs Sadi Carnot. La mquina trmica terica que opera en el ciclo de Carnot se llama mquina trmica de Carnot, cuyo ciclo se compone de cuatro procesos reversibles: Dos isotrmicos. Dos adiabticos. Y es posible llevarlo a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario.

Expansin isotrmica reversible. (proceso 1-2, TH =constante). Expansin adiabtica reversible (proceso 23, la temperatura disminuye de TH a TL) Compresin isotrmica reversible (proceso 3-4). La temperatura permanece en TL. Compresin adiabtica reversible (proceso 3-4). La temperatura aumenta de TL a TH.

Recuerde que en un diagrama de este tipo el rea bajo la curva del proceso representa el trabajo de frontera para procesos en cuasiequilibrio (internamente reversible) El rea bajo la curva 1-2-3 es el trabajo que realiza el gas durante la parte de expansin del ciclo. El rea bajo la curva 3-4-1 es el trabajo realizado sobre el gas durante la parte de compresin del ciclo. El rea que encierra la trayectoria del ciclo (rea 1-2-3-4-1) es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo.

La eficiencia de una mquina trmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una mquina reversible que opera entre los mismos dos depsitos.Las eficiencias de las maquinas trmicas reversibles que operan entre los mismos dos depsitos son las mismas.

Como los depsitos de energa se caracterizan por sus temperaturas, la eficiencia trmica de las mquinas trmicas reversibles est en funcin nicamente de las temperaturas del depsito; es decirya que ter = 1 QL/QH. En estas relaciones, TH y TL son las temperaturas de los depsitos de alta y baja temperatura, respectivamente. Lord Kelvin propuso primero tomar

La hipottica mquina trmica que opera en el ciclo reversible de Carnot se llama mquina trmica de Carnot. La eficiencia trmica de cualquier m-quina trmica, reversible o irreversible, se determina mediante la ecuacin:La relacin de transferencia de calor en la relacin anterior se puede reemplazar por la de temperaturas absolutas de los dos depsitos:

Esta relacin se denomina eficiencia de Carnot porque la mquina trmica de Carnot es la mquina reversible mejor conocida. sta es la eficiencia m-xima que puede tener una mquina trmica que opera entre los dos depsitos de energa trmica a temperaturas TL y TH.Las eficiencias trmicas de las mquinas trmicas reales y reversibles que operan entre los mismos, lmites lie temperatura se comparan :

Un refrigerador o una bomba de calor, que opera en el ciclo inverso de Carnot, se llama refrigerador de Carnot o bomba de calor de Carnot. El coe-ficiente de desempeo de cualquier refrigerador o bomba de calor, reversible o irreversible, se expresa mediante las ecuaciones

donde QL es la cantidad de calor absorbido del medio de baja temperatura y QH es la cantidad de calor rechazada hacia el medio de temperatura alta.

Los COP de refrigeradores y bombas de calor reversibles se determinan al reemplazar las razones de transferencia de calor en las anteriores relaciones por los cocientes de las temperaturas absolutas de los depsitos de temperatura alta y baja

Estos son los coeficientes de desempeo ms altos que puede tener un refrigerador o una bomba de calor que opera entre los lmites de temperatura TL y TH. Los refrigeradores o bombas de calor reales que operan entre estos lmites de temperatura (TL y TH) tienen menores coeficientes de desempeo.

Los coeficientes de desempeo de refrigeradores reales y reversibles que operan entre los mismos lmites de temperatura se pueden comparar como sigue:

Si se reemplazan los COPR por COPHP, en la ecuacin 622 se obtiene una relacin similar para las bombas de calor.