| Date post: | 25-Jul-2015 |
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LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA
TEMA 8
Félix. Profesor de Tecnología Industrial 2
Bibliografía: Tecnología Industrial 2. Everest y McGrawhill y Grandes ideas de la física (Alan Lightman) también de McGrawhill
Introducción• El funcionamiento de las máquinas térmicas y frigoríficas se basan en
los dos principios de la termodinámica.
• Las máquinas térmicas son capaces de producir trabajo mecánico sin
recurrir a fuente alguna de energía, o bien extrayendo energía de una
sola fuente.
• Como curiosidad señalar que la máquina de vapor fue construida con
anterioridad al establecimiento de la termodinámica. En este caso la
aplicación práctica (TÉCNICA) surgió antes que el descubrimiento
teórico (CIENCIA),en otras ocasiones es la tecnología quien desarrolla
y busca aplicaciones prácticas a un descubrimiento teórico.
CIENCIA+TÉCNICA=TECNOLOGÍA
Calor y temperatura
• El calor es la energía que se transmite de un cuerpo a otro, es una
energía en tránsito, por eso no tiene sentido hablar de calor almacenado
en un cuerpo.
● La temperatura es una magnitud física que depende de la velocidad media
de las partículas que constituyen el cuerpo (moléculas).Cuanto mayor sea la
velocidad de las partículas mayor será su energía interna y por tanto su
temperatura.
TERMODINÁMICA
SISTEMA TERMODINÁMICO
La termodinámica estudia las propiedades que se conocen como
variables termodinámicas (composición y concentración de los
componentes, presión, volumen, temperatura), que se refieren al
comportamiento global de un número muy elevado de partículas y
que definen el llamado estado del sistema.
Cuando estas variables tienen un valor definido para cada estado del
sistema sin depender de los procesos que este haya
experimentado reciben el nombre de funciones de estado.
El trabajo y el calor no son funciones de estado
TRANSFORMACIONES DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO
Las transformaciones
de un sistema
termodinámico desde
un estado inicial a otro
final pueden tener lugar
de distintas formas que
se representan
gráficamente en un
diagrama P-V.
γ es el coeficiente adiabático y se calcula: CP/CV
Primer principio de la termodinámica
En el ejemplo, al calentar el agua el tapón sale lanzado. El calor transmitido al agua se transforma en:
-Lanzar el tapón (trabajo mecánico)
-Aumentar la energía interna de las moléculas de agua
CALOR MOLAR (ESPECÍFICO) A PRESIÓN Y VOLUMEN CONSTANTE
Cálculo del trabajo de expansión, calor intercambiado y variación de energía interna en
algunas transformaciones de gases ideales.
La variación de energía interna es independiente de las variaciones de presión y volumen. La energía interna sólo depende de la temperatura ejemplo página 153).
Q=Wexp
2º Principio de la Termodinámica
hay muchos enunciados equivalentes de la segunda ley de la termodinámica:
(1) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia las configuraciones más probables.
(2) Un sistema aislado evoluciona de forma natural hacia la redistribución de la energía disponible
equitativamente entre sus partes.
(3) En los sistemas aislados, el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos.
(4) La capacidad de un sistema aislado de convertir calor en trabajo decrece constantemente.
(el trabajo en calor si puede transformarse íntegramente)
(5) Aunque la energía se conserva, la energía disponible en cualquier sistema aislado siempre
disminuye.
(6) Los sistemas aislados evolucionan en el sentido en el que incrementan su entropía (disminuyen su
orden).
Segundo principio de la termodinámica
Hay que darse cuenta de que la energía calorífica puede utilizarse para elevar una masa y realizar trabajo, sólo porque había una diferencia de temperaturas entre los dos gases.
Si inicialmente los gases hubieran estado a la misma temperatura, entonces el sistema habría estado en equilibrio y no habría habido flujo de calor.
Podría existir una gran cantidad de energía calorífica presente en ambos gases, en forma de movimientos moleculares, pero la energía no podría utilizarse para realizar trabajo. Si el calor no fluye, el peso no se puede elevar.
NO EXISTE UNA MÁQUINA CAPAZ DE CONVERTIR EL CALOR
EN TRABAJO A EXPENSAS DE UNA SOLA FUENTE
CONSECUENCIAS A NIVEL GLOBAL
Ya que el calor fluye continuamente de los cuerpos calientes a los fríos en todos
los lugares del universo, como dice la segunda ley de la termodinámica, el
universo pierde gradualmente su capacidad de realizar trabajo.
La cantidad total de energía disponible disminuye constantemente. No sólo es que
todas las máquinas del universo se estén descargando, sino que además la
capacidad de reconvertir el calor resultante en trabajo se reduce con el tiempo.
No hay forma de eludir la unidireccionalidad de la segunda ley de la termodinámica.
Esta implicación sorprendente de la segunda ley, que ha intrigado y alarmado a la
gente desde mediados del siglo xIx, se ha denominado la «muerte térmica» del
universo.
Aún se debate entre los físicos de qué manera se aplica la segunda ley de la
termodinámica al universo como un todo.
Máquinas térmicas
El deseo de construir máquinas tan eficientes como fuera
posible fue el motivo de gran parte de la comprensión de la
segunda ley.
La primera de estas investigaciones la realizó el científico, físico
e ingeniero francés Sadi Carnot (memoria clásica «Reflections
on the Motive Power of Fire(*)» (1824) )una vez que la
revolución industrial estaba a pleno ritmo.
En particular, Carnot quería saber la eficiencia teórica máxima
de una máquina térmica (dispositivo que puede realizar trabajo
movido por calor, llamado motor térmico.)
(*)Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia
Ciclo de CARNOT
Muchas máquinas térmicas
funcionan según el ciclo de
Carnot, recibiendo calor de un
foco de alta temperatura y
expulsándolo a otro de menor
temperatura, a expensas de
realizar un trabajo
Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza
un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y
dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.
La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente
• Tramo A-B Expansión isoterma a
la temperatura T1
• Tramo B-C Expansión adiabática
• Tramo C-D Compresión isoterma a
la temperatura T2
• Tramo D-A Compresión adiabática
En cualquier ciclo, tenemos que obtener a partir de los datos iniciales: -La presión, volumen de cada uno de los vértices. -El trabajo, el calor y la variación de energía interna en cada una de los procesos. -El trabajo total, el calor absorbido, el calor cedido, y el rendimiento del ciclo.
Los datos iniciales son los que figuran en la tabla adjunta. A partir de estos datos, hemos de rellenar los huecos de la tabla.
Las etapas del ciclo
Transformación A->B (isoterma)
Transformación B->C (adiabática)
Transformación C->D (isoterma)
Transformación D->A (adiabática)
La entropía es una magnitud que determina el grado
de desorden de un sistema. ΔS=Q/T
La tendencia en la naturaleza es a evolucionar a estados de mayor desorden
En el próximo tema veremos las aplicaciones del ciclo
de Carnot: Máquina térmica y máquina frigorífica
Ver animación
Máquina térmica
Un motor de Carnot es un dispositivo ideal
que describe un ciclo de Carnot. Trabaja
entre dos focos, tomando calor Q1 del foco
caliente a la temperatura T1, produciendo
un trabajo W, y cediendo un calor Q2 al foco
frío a la temperatura T2. En un motor real, el
foco caliente está representado por la
caldera de vapor que suministra el calor, el
sistema cilindro-émbolo produce el trabajo y
se cede calor al foco frío que es la
atmósfera.
Máquina de vapor
Máquina frigorífica
La máquina de Carnot también puede
funcionar en sentido inverso,
denominándose entonces frigorífico. Se
extraería calor Q2 del foco frío
aplicando un trabajo W, y cedería Q1 al
foco caliente. En un frigorífico real, el
motor conectado a la red eléctrica
produce un trabajo que se emplea en
extraer un calor del foco frío (la cavidad
del frigorífico) y se cede calor al foco
caliente, que es la atmósfera.
