MAQUINAS TERMICAS Y REFRIGERADORES

Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo. Una máquina térmica es un dispositivo que, operando de forma cíclica, toma de calor de un foco caliente, realiza un cierto trabajo (parte del cual se emplea en hacer funcionar la propia máquina) y entrega calor de desecho a un foco frío, normalmente el ambiente.

3 Rendimiento de una máquina térmica

Se define el rendimiento de una máquina térmica según el principio general de “lo que obtenemos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, “lo que obtenemos” es el trabajo neto que sale de la máquina. “Lo que nos cuesta” es el calor que entra procedente del reactor. Por tanto

El funcionamiento de una máquina térmica real implica una serie de procesos que no son de equilibrio y que obligan a calcular el

rendimiento principalmente de forma empírica.





REFRIGERADORES 
Un refrigerador es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que pueda funcionar de forma continua, como sucede con las máquinas térmicas.

Como ya se ha comentado en la introducción el paso de calor de un cuerpo frio a otro caliente no se produce de forma espontánea. Se llega así a un nuevo enunciado del Segundo Principio:

 Enunciado de Clausius

No es posible el paso de calor de un cuerpo frío a uno caliente sin el consumo de trabajo.

Se puede representar un refrigerador de forma esquemática de la siguiente manera:

Absorbe una cantidad de calor Q2 de un foco frío a una temperatura T2

Consume una cantidad de trabajo W

Cede una cantidad de calor Q1 a un foco caliente a una temperatura T1

Como se ha comentado anteriormente, un refrigerador trabaja en ciclos, por lo que la variación de energía interna es nula. Teniendo en cuenta el criterio de signos, el calor cedido al foco caliente será:

 En este caso, la potencia es evidentemente una potencia consumida.

Eficiencia (ε)

Un refrigerador se optimizará reduciendo el trabajo consumido para la misma cantidad de calor extraída del foco frío. La eficiencia (ε) de un refrigerador se define entonces como:

  

La limitación impuesta por el enunciado de Clausius nos indica simplemente que la eficiencia debe ser menor que infinito, ya que el trabajo debe ser distinto de cero.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

        La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica.

        El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES.

REVERSIBLES: LOS QUE SE PUEDEN VOLVER A RECORRER ESTADO A ESTADO, DEL SISTEMA Y EL RESTO DEL UNIVERSO, EN SENTIDO OPUESTO.

IRREVERSIBLES: LOS QUE NO SON REVERSIBLES.

 No olvide que siempre tenemos el sistema y el resto del universo.
Observaciones Ningún proceso real es reversible: caídas, roturas, mezclas, fricción, deformaciones, transferencia de calor, ...  La irreversibilidad suele estar ligada a la violencia del proceso y exigen mayor cantidad de trabajo o generan menor cantidad de trabajo ¡siempre en contra nuestra! Reducen el rendimiento de cualquier dispositivo termodinámico

Los procesos reversibles son infinitamente lentos. El proceso pasa por sucesivos estados de equilibrio los cuales, estrictamente, se alcanzan en un tiempo infinito. • Los procesos irreversibles también pueden ser lentos.

Un sistema puede volver al estado inicial en un proceso irreversible PERO el resto del universo, inevitablemente, ha cambiado.

En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el sistema que estamos estudiando haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuesto para volver al estado inicial (y no el resto del universo); estos procesos se llaman internamente reversibles
• En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el resto del universo haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuesto para volver al estado inicial (y no el sistema); estos procesos se llaman , el proceso sigue siendo irreversible. (El diagrama anterior es un caso de este tipo) externamente reversibles
• Hay procesos que son a la vez internamente y externamente reversibles y aún son procesos totalmente irreversibles. (Un ejemplo es el caso mencionado de la transferencia de energía térmica entre dos sistemas con un aislante). , el proceso sigue siendo irreversible. (Los baños suelen verificar esta condición).
• Podemos tratar de hacer los procesos “lo menos irreversibles” posible. La razón de ello es doble: en los procesos reversibles es relativamente fácil evaluar cualquier variable termodinámica y sirven de comparación de los sistemas reales.
• El procedimiento para hacer a un proceso reversible es producir lentamente el trabajo (proceso cuasi-estático) y disponer de muchos baños térmicos para hacer los intercambios de calor poco a poco. Un proceso reversible necesita producir trabajo de una manera infinitamente lenta y disponer de infinitos baños térmicos.
• En principio se podría tender a mejorar los rendimientos haciendo los sistemas “más reversibles” pero, además de los problemas técnicos, la potencia sería cada vez menor.
• No olvide nunca que las propiedades de un estado termodinámico no dependen de cómo se haya alcanzado ese estado, sea reversible o irreversiblemente.

EL CICLO DE CARNOT

Es el proceso cíclico reversible que sigue un sistema y que consiste de cuatro pasos: dos procesos isotermos y dos procesos adiabáticos según se indica a continuación. Aunque nos referiremos a un gas, el sistema puede ser cualquier material, incluso puede renovarse como ocurre en los motores de explosión.

Expansión isotérmica a TH El sistema se pone en contacto con un baño caliente ( 1  2 ) de temperatura TH absorbiendo una cantidad de calor QH mientras se expande a la temperatura del baño y por tanto realizando un trabajo W(1-2) y aumentando su entropía justo en QH/TH.

 Expansión adiabática El sistema se aísla térmicamente y se sigue expandiendo ( 2  3 ) adiabáticamente hasta que baja la temperatura a TL. Mientras se expande realiza un trabajo W(2-3) a expensas de la energía interna y se mantiene la entropía constante.

 Compresión isotérmica a TH El sistema se pone en contacto con un baño frío de temperatura TL cediendo una cantidad de calor QH mientras ( 3  4 ) se comprime a la temperatura del baño y sufriendo un trabajo W(3-4) y disminuyendo su entropía en QL/TL.

 Compresión adiabática El sistema se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo adiabáticamente hasta que sube la temperatura a TH. Mientras se comprime sufre un trabajo ( 4  1 ) W(4-1) y se mantiene la entropía constante.

Observaciones:

• El ciclo es reversible porque se realiza lentamente, el baño caliente está a una temperatura infinitesimalmente mayor a TH y el frío está a una temperatura infinitesimalmente inferior a TL.

• En un ciclo completo el trabajo total es W=W12+W23+W34+W41 y el calor total es Q=QH-QL, y el cambio de energía interna ∆U=0, por tanto: W=Q o [W12+W23+W34+ W41]=[QH-QL]. 

• Por ser reversible puede recorrerse en el otro sentido (como un refrigerador o bomba de calor).

Principios de Carnot: Todas las maquinas térmicas que sigan un proceso reversible entre los mismos baños térmicos tienen igual rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica que siga un proceso irreversible entre dos baños térmicos es menor que el rendimiento de cualquier máquina térmica que siga un proceso reversible entre los dos mismos baños Si los principios de Carnot no se cumplen se violaría la 2ª Ley:

Exergia

Exergías Son aquellas formas de energía que en procesos reversibles se pueden convertir de una en otra; y que en procesos reversibles o irreversibles se transforman en formas de energía de conversión restringida como la energía interna, la entalpía y el calor.

Energía= Exergía +Anergía

Anergía Exergía es la energía que se puede transformar totalmente en cualquier forma de energía, interactuando con un medio determinado. Anergía es la energía que no se puede transformar en exergía. Definición operativa: La exergía de una forma de energía es el máximo trabajo útil que se produce de esa energía bajo la intervención de un medio determinado.

Ambiente termodinámico 

Es un sistema en reposo que se encuentra en equilibrio termodinámico; y sus propiedades intensivas permanecen constantes a pesar de recibir o entregar energía y materiales. •es un reservorio para la energía entropía y materia •está en equilibrio térmico a T0 •se encuentra en equilibrio mecánico a p

ENTROPIA

La definición más elemental de este concepto es la siguiente: Entropía es el grado de desorden que tiene un sistema. La palabra entropía procede del griego em que significa sobre, en y cerca de; y sqopg, que significa giro, alternativa, cambio, evolución o transformación. La entropía es un patrón de medida. En física esto se aplica a la segunda ley de la termodinámica , la cual dice que los sistemas aislados tienden al desorden, es decir, las cosas tienden al caos a medida que pasa el tiempo (no hay más que fijarse en el organismo de un ser vivo); mientras que en la teoría de la comunicación este concepto es empleado como un nº que mide el grado de incertidumbre que posee un mensaje.

 La entropía es nula cuando la certeza es absoluta, y alcanzará un máximo cuando el sistema se acerca al equilibrio. Cuando la entropía sea máxima en el universo, esto es, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del universo. Toda la energía se encontrará en forma de calor y no podrán darse transformaciones energéticas.

aqui un breve video donde se explica de manera sencilla la entropia

BALANCE EXERGIA EN SISTEMAS ABIERTOS

La naturaleza de la exergía es opuesta a la de la entropía, en la cual la exergía puededestruirse pero no puede crearse. Por consiguiente, el cambio de exergía de un sistema durante un proceso es menor que la transferencia de exergía por una cantidad igual a exergía destruida dentro de las fronteras del sistema durante el proceso. Entonces el principio de disminución de exergía puede expresarse como

Esta relación se conoce como el balance de exergía y puede definirse como: el cambio de exergía de un sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la transferencia neta de exergía a través de la frontera del sistema y la exergía destruida dentro de las fronteras del sistema como resultado de las irreversibilidades.

Un sistema cerrado no involucra flujo másico, por lo tanto tampoco cualquier transferencia de exergía asociada con el flujo másico. Si se toma la dirección positiva de la transferencia de calor hacia el sistema y la dirección positiva de transferencia de trabajo desde el sistema, el balance de exergía para un sistema cerrado puede expresarse más explícitamente como 

donde Qk es la transferencia de calor a través de la frontera a la temperatura

Tk en el lugar k. Si se divide la ecuación anterior por el intervalo de tiempo ∆t

y se toma el límite al ∆t ® 0, se obtiene en forma de tasa el balance de exergía

para un sistema cerrado..