Máquinas térmicas

Maquinaria. Termodinámica. Combustión. Ciclo de Carnot. Refrigerante. Kevin Plank. Clasius. Eficiencia. Bomba de calor

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Maquina Térmica

Una maquina térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el termino maquina térmica se utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. Entre las que tenemos las maquinas refrigerantes y las bombas de calor. El mejor ejemplo de estas maquinas térmicas son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno.

Características del ciclo de Carnot

  • El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin importar la cantidad de calor que se transfiera permanecen constantes.

  • Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se podría invertir.

  • El fluido de trabajo de una maquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatura infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la fuente de baja temperatura e el caso de un refrigerador.

  • Postulado de la segunda ley asociado a las Maquinas térmicas y Maquinas Refrigerante

    Enunciado de Kevin-Planck: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo dispositivo.

    Este enunciado propone que es imposible construir una maquina térmica a la cual se le aplique cierta cantidad de calor y lo transforme en una cantidad igual de trabajo, la única manera es a través de una transferencia de calor y eso solo si hay dos niveles de temperatura.

    Enunciado de Clausius: es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo mas frio a otro mas caliente.

    En este enunciado se relaciona con el refrigerador o bomba de calor. En efecto establece que es imposible construir un refrigerador que funcione sin suministrarle trabajo. Ya que el ciclo de refrigeración necesita que al fluido de trabajo se le aplique un trabajo en el compresor.

    Estos dos enunciados tienen tres particularidades: la primera es que la base de la segunda ley viene dado por la evidencia experimental ya que se han realizado varios experimentos que directa o indirectamente demuestran la segunda ley y nunca se ha realizado nunca una prueba que demuestre lo contrario.

    La segunda observación es que estos dos enunciados son equivalentes o sea que una violación del enunciado de Kevin-plack significaría una violación del enunciado de Clausius.

    La tercera es la imposibilidad de construir una maquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.

    Eficiencia de una maquina térmica

    Se dice que la eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía que cuesta pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una maquina térmica, la energía que se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura ( costo del combustible) la eficiencia térmica se define como:

    ðTérmica = W (Energía que se busca) = Qh - Ql = 1 - Ql

    Qh (Energía que cuesta) Qh Qh

    La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de rendimiento, que se identifica con el símbolo ðð En un refrigerador, la energía que se busca es el calor que se transfiere desde el espacio refrigerado. La energía que cuesta es el trabajo, así el coeficiente de rendimiento, ð, es:

    ð = Ql (Energía que se busca) = Ql = 1

    W ( Energía que cuesta) Qh - Ql Qh/Ql - 1

    En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es:

    ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1

    W ( Energía que cuesta) Qh - Ql 1- Ql/Qh

    Maquinas Refrigerantes y Bombas de Calor

    En una maquina refrigerante o refrigerador el fluido de trabajo es el refrigerante como R- 12, R - 22, R - 134ª, R - 407c, Agua destilada y el amoniaco, que pasa por un ciclo termodinámico. El cual comienza en el compresor al cual entra refrigerante a baja presión y temperatura en un estado de vapor saturado y sale como vapor sobrecalentado alta presión llega al condensador donde el refrigerante se condensa transfiriendo el calor al agua o al entorno de manera natural o por flujo forzado, del condensador sale como vapor húmedo y pasa a la válvula de expansión en donde baja su presión y pasa al evaporador donde todo el refrigerante se evapora mediante una transferencia de calor del entorno al fluido de trabajo, este vapor entra nuevamente al compresor cumpliéndose el ciclo.

    Introducción

    El análisis de la segunda ley de la termodinámica nos da a entender el segundo paso hacia el estudio de los procesos termodinámicos que comenzó con la ley cero y la primera ley las cales solo hacen el estudio solo a procesos reversible que no toman en cuenta factores como la fricción, expansión irrestricta, la transferencia de calor y la mezcla de dos sustancias diferentes, y que al tratar de invertir el proceso no hay cambios ni en el sistema ni el entorno cosa que no sucede en la vida real en donde la mayoría de los procesos son irreversibles. La particularidad de esta segunda ley son sus dos postulados principales que hacen referencia directamente al funcionamiento de maquinas térmicas, asi como el enunciado de Carnot que plantea una Maquina térmica reversible con una eficiencia muy alta.

    Conclusión

    La segunda ley de la termodinámica surge como una respuesta al vació e incomprensión que deja la primera ley con respecto a lo sistemas irreversible los cuales son prácticamente ignorados, con la segunda ley aparece un nuevo termino llamado eficiencia y rendimiento térmico, estos dos términos son muy importante para la industria por que permiten determinar cual es el rendimiento de una maquina térmica ya sea un refrigerador o una bomba de calor obteniendo así información acerca del proceso termodinámico y por ende la modificación o el diseño de un refrigerador o bomba de calor optimo. Se pudo observar el por que las industrias que tuvieran una maquina térmica buscaban fuentes de agua naturales y espacios apartados, todo esto debido a que uno de los principios de la segunda ley son fuentes de baja y alta temperatura que puedan mantenerse constantes sin importar la transferencia de calor. Por ultimo el principio mas fundamental de esta ley es la experimentación practica ya que de ahí provienen dos de los postulados base de esta ley.

    Una bomba de calor es similar a un refrigerador la única diferencia es el propósito de la maquina térmica mientras que en un refrigerador se quiere que haya una transferencia de calor del entorno a la maquina térmica logrando asi bajar la temperatura del entorno, en la bomba la transferencia sucede desde la maquina térmica al entorno buscando asi el calentamiento del ambiente.

    Bibliografía

    WYLEN V. “Fundamentos de termodinámica”. Editorial Limusa S.A. México. 2002.

    ANÁLISIS DE LA SEGUNDA LEY

    INTEGRANTES:

    CARACAS, 30 DE JULIO DE 2004

    Ejercicio 29

    Un motor de automóvil consume combustible a razón de 20 L/h y transfiere 60 Kw de potencia a las ruedas. Si el combustible tiene un poder calorífico de 44000 Kj/Kg y una densidad de 0.8 g/cm3, determine la eficiencia de este motor.

    Ejercicio 75

    En climas tropicales, el agua cercana a la superficie del océano permanece caliente durante el año debido a la absorción de energía solar. Sin embargo, en las partes mas profundas del océano, el agua permanece a una temperatura relativamente baja puesto que los rayos del sol no pueden penetrar muy hondo. Se propone aprovechar esta diferencia de temperatura y construir una central eléctrica que absorberá calor del agua caliente a la superficie y liberara calor de desecho en el agua fría a unos cientos de metros abajo. Determine la eficiencia térmica máxima de dicha planta si las temperaturas del agua en los dos puntos respectivos son 24 y 4° C

    Ejercicio 104

    Se emplea un sistema de acondicionamiento de aire para mantener una casa a una temperatura constante de 20° C. La casa gana calor del exterior a una relación de 20000 Kj/h, y el calor generado en la casa por la gente, las lámparas y los aparatos es igual a 8000 Kj/h. Para un COP de 2.5, determine la entrada de potencia requerida para este sistema de acondicionamiento de aire