Embed Size (px)
Citation preview
TERMODINÁMICA
1 LEY PROCESOS CERRADOS: CICLOS II
ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TORO
REVISÓ PhD. CARLOS A. ACEVEDOPRESENTACIÓN HECHA EXCLUIVAMENTE CON EL FIN DE FACILITAR EL ESTUDIO.
MEDELLÍN 2016
CONTENIDO
Esquemas de las máquinas térmicas.
2 Ley y los ciclos.
Funciones de las máquinas térmicas.
Análisis detallado de Energía en un ciclo.
Eficiencia de las máquinas térmicas.
Potencia.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 2
11/01/2016 ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO T. 3
http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)
http://www.redajo.com/cpg144/displayimage.php?album=238&pos=3
Figura 9. Esquema de una máquina térmica con sus componentes.14.
Esquemas de las máquinas térmicas
http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)
Figura 10. Esquema de un máquina térmica. El foco caliente transfiere calor Qc al
fluido, este calor produce una expansión, un trabajo 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 . También se requiere un
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 para que la máquina opere, el fluido sale con menor contenido de calor 𝑄𝑓y a menor temperatura.
𝑄𝑓𝑄𝑐
𝑄𝑓
http://www.taringa.net/posts/autos-motos/17325352/Historia-del-motor-documental.html
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
15.
11/01/2016 5
IR AL LINC PARA VER SIMULACIÓN:
https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Stirling_engine_anim.ogg
LINC
Figura 16. Simulación de una máquina térmica.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 6
𝑄𝐶
𝑄𝑓
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica
Caldera
Figura 17. Simulación de una máquina térmica.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 7
http://traitonmark.wordpress.com/2014/05/
Figura 18. Simulación de una máquina térmica.
http://eribera_bo.tripod.com/ciclos_termodinamicos.html
Figura 19. Esquema de aspectos principales de los motores térmicos.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 8
Motores térmicos
Del concepto de ciclo se generan los motores térmicos:
Un motor térmico emplea calor para producir trabajo +W.
Los refrigeradores requieren trabajo externo para funcionar
(-W)
Estos dispositivos se basan en la primera y segunda ley de
la termodinámica.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 9
Los procesos cíclicos son la base de las máquinas y
motores, que operan de forma periódica.
Aun cuando la energía se conserva, la eficiencia de los
motores térmicos tiene un límite impuesto por la 2 ley.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 10
Los motores térmicos se analizan en los diagramas PV
y en los diagramas de Reserva de Energía.
Deben cumplir la 1 y 2 ley de la termodinámica.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 11
Para convertir calor en trabajo se requieren algún
dispositivo especial. Tales dispositivos son las
máquinas térmicas.
Requieren de un fluido de trabajo (vapor de agua, aire,
gasolina) que realiza una serie de transformaciones
termodinámicas en forma cíclica, entre dos focos el
uno caliente y el otro frio. Eso permite que al final el
fluido vuelve a su estado inicial.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 12
Procesos en las máquinas térmicas
Estas transformaciones como se mencionó, se suponen
generalmente compuestas de los procesos vistos
anteriormente:
Isocórico.
Isobárico.
Isotérmico.
Adiabático.
Isoentrópico.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 13
A través de dichas transformaciones el fluido absorbe
calor de una fuente térmica (foco caliente) y lo
transforma en trabajo.
Parte del calor que no fue posible emplear (segunda
ley) se transfiere a un foco frio.
En otra etapa el fluido recibe trabajo.
O sea que el fluido recibe y realiza trabajo.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 14
Los motores térmicos se basan en la primera y
segunda ley de la Termodinámica.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 15
2 Ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica se basa en dos
enunciados fundamentales:
El enunciado de Kelvin-Plank.
El enunciado de Claussius.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 16
NO DEJE DE VER ESTE VIDEO SOBRE 2 LEY
1.Enunciado de Kelvin-Plank
“No es posible un proceso cíclico que transforme todo
el calor absorbido en trabajo”.
“Siempre que se trabaje en un ciclo, sobra alguna parte
de calor, no se puede utilizar todo el calor”.
Esta ley tiene está relacionada con la eficiencia de las
máquinas o motores térmicos.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 17
2. Enunciado de Claussius
El primer enunciado es complementado por el
siguiente enunciado de Claussius:
“El calor siempre fluirá expontáneamente de un foco
caliente a uno frio, no al revés”.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 18
SEGUNDA LEY LA SEGUNDA LEY
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 19
La primera ley o principio dice:
“La energía no puede ser creada o destruida”
La segunda ley o principio:
“La entropía puede ser creada pero no destruida”.
Aparece el concepto de entropía.
ENTROPÍA LA ENTROPÍA
11/01/2016 20
1. El calor no fluirá espontáneamente desde un objeto frío
hacia un objeto caliente.
2. Cualquier sistema libre de influencias externas, se vuelve
más desordenado con el tiempo. Este desorden se puede
expresar en términos de una propiedad llamada entropía.
3. No se puede crear un motor térmico, que extraiga calor y lo
convierta todo en trabajo.
4. Una máquina que incluya en uno de sus pasos una
conversión a calor, será menos eficiente que una que sea
puramente mecánica (𝐸𝑐 , 𝐸𝑝).
Tomado y modificado de: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw2.html
Diversas formas de la Segunda Ley
11/01/2016 21
El Cuello de Botella Térmico
“Si la primera ley de la termodinámica dice que no se puede ganar,
entonces la segunda ley de la termodinámica dice que ni siquiera se
puede cubrir los gastos.
La primera ley es esencialmente una declaración del principio de
conservación de la energía, y afirma que en un motor térmico, no se
puede obtener más energía de la que ponemos en él. Pero la segunda
ley dice que un motor térmico, no puede usar todo el calor producido
por el combustible, para producir trabajo.
El ciclo de Carnot establece la eficiencia ideal que se puede obtener,
si no hubiera fricción, pérdidas mecánicas, fugas, etc., pero las
eficiencias de las máquinas reales son mucho menores”.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw2.html
11/01/2016 22http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw2.html
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 23
El concepto de entropía está incluido en la Segunda Ley
de la Termodinámica, que sostiene que en el seno de un
sistema aislado, la entropía sólo puede incrementarse con
el tiempo, y nunca disminuir. La entropía puede ser
concebida como la tendencia al desorden de todo sistema
organizado, o como una medida de ese desorden, y de
esta manera la Segunda Ley implica que el tiempo es
asimétrico con respecto a la cantidad de orden en un
sistema aislado: a medida que el tiempo pasa, todo
sistema se vuelve más desordenado.
Segunda Ley y la Entropía
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw2.html
Figura 20. La máquina posible a) y la imposible b) de Claussius.
La segunda solo es posible si se inyecta trabajo al sistema.
http://laplace.us.es/wiki/images/d/db/Clausius-02.png
a) b)
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 24
Lo anterior implica para una máquina o motor térmico
que debe funcionar necesariamente entre dos focos
térmicos:
Un foco caliente del cual recibe calor y un foco frio al
cual hay que transferirle calor. Este en muchas
ocasiones es el medio ambiente.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 25
En la práctica de lo que se trata, no es de eliminar el
foco térmico frío porque no se puede, si no de
disminuir la pérdida de calor.
De ahí resulta la eficiencia de las máquinas térmicas.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 26
Funciones de las máquinas térmicas.
1. Absorben Q de una fuente de alta T.
2. Convierten parte de ese Q en W.
3. El calor no usado necesariamente lo tiene que
enviar a una fuente de baja T.
4. Operan en ciclos.
5. Requieren de un fluido de trabajo.
6. No pueden operar al 100% de eficiencia.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 27
Recordando que en un ciclo la energía final es igual a
la inicial.
En un ciclo la energía que entra es igual a la que sale.
Análisis detallado de Energía en un Ciclo
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 28
Si eventualmente se tiene que inyectar algún tipo de
trabajo a la máquina térmica, habrían dos tipos de
trabajo: un trabajo de entrada 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 y otro de
salida 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎. Y siempre habrá calor de salida 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 29
La energía total que sale total es una parte de trabajo y otra pate de calor:
𝐸𝑠𝑎𝑙𝑒 = 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑒 + 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒
La energía total que entra puede ser calor 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 y 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 + 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 + 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎=𝑊𝑠𝑎𝑙𝑒 + 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒
(6)
(7)
(8)
Reemplazando (7) y (8) en (6)
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 30
.
http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (9)
Figura 21. En el caso de un motor eléctrico ideal solo entra trabajo
eléctrico y sale trabajo mecánico y no hay calor implicado.
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 31
Figura 22. En el caso de un motor eléctrico real, no solo entra
trabajo eléctrico y sale trabajo mecánico, también hay calor de
salida implicado. Y este merma la eficiencia del sistema.
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜= 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎− 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
(10)
(11)
http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)
11/01/2016 32
Eficiencia de las máquinas térmicas
El rendimiento de una máquina térmica debe medirse
en términos de la energía calórica que entra y la que
sale sale y del trabajo efectuado W (salida).
De esta manera se define la eficiencia como el
cociente entre el trabajo neto hecho por la máquina,
y el calor suministrado a esta.
VIDEO SOBRE CICLOS
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 33
Eficiencia ŋ
ŋ =𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
ŋ =𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
ŋ = 1-𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
De ecuación (11) 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜= 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
(12)
(13)
(14)
11/01/2016 34
Para un motor eléctrico ideal:
Ŋ=𝑊𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Para un motor eléctrico real:
Ŋ=𝑊𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎=
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
(16)
(17)
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 35
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑒
𝑄𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎< 1 (15)
Figura 14. Para una resistencia todo el trabajo eléctrico se convierte
en calor:
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎=𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
http://laplace.us.es/wiki/index.php/M%C3%A1quinas_t%C3%A9rmicas_(GIE)
Ŋ=𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎=1
http://photos.demandstudios.com/60/75/fotolia_3716386_XS.jpg
(18)
(19)
11/01/2016 36
23.
Potencia
Potencia es el trabajo sobre la unidad de tiempo:
𝑃 =𝑊
𝑠=
𝑘𝐽
𝑠=k𝑊 (𝑘𝑖𝑙𝑜 𝑊𝑎𝑡𝑖𝑜) (20)
11/01/2016ELABORÓ MSc. EFRÉN
GIRALDO T. 37
BILIOGRAFÍA
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Calentamiento_de_un_gas_a_volumen_y_a_presi%C3%B3n_const
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/heaeng.html
http://tv.uvigo.es/es/video/mm/5806.html
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/te
http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/aguirre/ciclos%20I.pdf
http://3.bp.blogspot.com/-QjB_tYdP4Ow/T-Zo5S8JYeI/AAAAAAAAGBw/5r--cI-4vp4/s1600/refrigerador+1.png
https://books.google.com.co/books?id=lJJcF1oqP5wC&pg=PA73&lpg=PA73&dq=balance+de+energia+ciclo&source=bl&ots=ramrVfU9-P&sig=wFZQg40hpkpjUs99-eVx0-3keG8&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwi988-bgNfJAhUJZCYKHbvHDJMQ6AEIJzAE#v=onepage&q=balance%20de%20energia%20ciclo&f=false
11/01/2016 38
