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APLICACIONES DE LA
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA
Transformación adiabática
Definición
• adiabático, ca. (De a-2 y diabático). adj.
Fís. Se dice del recinto entre cuyo interior
y exterior no es posible el intercambio
térmico. || 2. Fís. Se dice de la
transformación termodinámica que un
sistema experimenta sin que haya
intercambio de calor con otros sistemas.
AISLANTE TÉRMICO
GAS
Cuando un gas se expande adiabáticamente, efectúa trabajo pero no
absorbe ni libera calor
Aplicando la primera ley de la termodinámica, ΔU = Q – T, a una
transformación adiabática, como Q=0, vemos que
ΔU = -T
Cuando un gas encerrado en un cilindro, cuyas
paredes están hechas de un material aislante
térmico. Debido a esto, si el gas se expande (o
se comprime), no podría ceder ni recibir de su
vecindad.
Una transformación como esta, en la cual el sistema no intercambia calor con
su vecindad, es decir en la cual Q=0, se denomina transformación adiabática.
Transformación Isotérmica
Definición
• isotérmico, ca. adj. Se dice del proceso
en que la temperatura permanece
constante. || 2. Que mantiene la
temperatura. Bolsa isotérmica. Prenda
isotérmica.
Es cuando un gas absorbe cierta cantidad de calor
Q y se expande realizando un trabajo T.
Si el trabajo que el gas realiza fuera igual al calor
que absorbe, es decir, si Q = T, tendríamos, por
la primera ley de la termodinámica.
∆U = Q – T donde ∆U = 0
El hecho de que la energía interna permanezca constante indica que la
temperatura tampoco sufrió alteraciones, y por tanto, que el gas se
expandió isotérmicamente.
Calorímetro
• El calorímetro es un instrumento que
sirve para medir las cantidades de calor
suministradas o recibidas por los cuerpos.
Es decir, sirve para determinar el calor
específico de un cuerpo, así como para
medir las cantidades de calor que liberan
o absorben los cuerpos.
• Un termo de paredes
dobles con vacío entre
ellas es en principio un
calorímetro aceptable
para el rigor de nuestras
experiencias. El termo se
llama vaso Dewar y lleva
el nombre del físico y
químico escocés James
Dewar pionero en el
estudio de las bajas
temperaturas.
Máquinas Termodinámica
¿Qué es una máquina térmica?
La primera máquina térmica
• Inventor Herón siglo I D.C
• No pudo ser empleada
con fines prácticos para la
producción de grandes
cantidades de energía
mecánica.
• Las primeras máquinas térmicas de vapor
inventadas en el siglo XVIII, eran muy
rudimentarias y tenían un rendimiento muy
bajo; es decir, consumían una gran
cantidad de combustible para producir un
trabajo relativamente pequeño.
Máquinas térmicas
•
• 1769: J. Watt inventa la máquina de vapor.
• 1816: R. Stirling inventa el motor de aire caliente.
• 1839: J. Ericsson desarrolla varios modelos de motores de
aire caliente
• 1876: N. Otto desarrolla el motor de combustión interna (a
gasolina)
• 1883: C. Laval desarrolla las turbinas de vapor
• 1892: R. Diesel inventa el motor a compresión (Diesel)
• 1930: F. Whittle inventa la turbina a gas para aviones
• 1944: En Alemania se desarrollan los motores para cohetes
(von Braun)
Motor a vapor
Watt 1769
Ciclo de Rankine
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1-2: Compresión adiabática hasta
la presión de la caldera (la T
cambia muy poco)
2-3: calentamiento isobárico del
agua hasta el punto de ebullición
3-4: Vaporización isobárica e
isotérmica del agua hasta
convertirse en vapor saturado
4-5: calentamiento isobárico del
vapor convirtiéndolo en vapor a
temperatura Th
5-6: Expansión adiabática del
vapor hasta vapor frío
6-1: condensación isobárica e
isotérmica del vapor,
convirtiéndolo en agua
• En una planta de potencia de
vapor operando en un Ciclo
Rankine con recalentamiento,
el vapor ingresa a la turbina
HP a 15 MPa y 620oC y se
condensa en el condensador a
a una presión de 15 kPa. Si la
humedad (título o calidad)
contenida en la turbina no
excede el 10%, determine (a)
la presión de recalentamiento
(b) la eficiencia térmica del
ciclo.
Motor de aire caliente (Stirling)
• Stirling 1816
El Motor Stirling fue inventado
en 1816 por Robert Stirling,
reverendo escocés. El objetivo
era tener un motor menos
peligroso que la máquina de
vapor.
El principio de funcionamiento
es el trabajo hecho por la
expansión y contracción de un
gas (normalmente helio o
hidrógeno) al ser obligado a
seguir un ciclo de enfriamiento
en un foco frío, con lo cual se
contrae, y de calentamiento en
un foco caliente, con lo cual se
expande. Es decir, es necesaria
la presencia de una diferencia
de temperaturas entre dos focos
y se trata de un motor térmico.
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•
•
1-2: pistón izquierdo permanece
arriba y el derecho sube hasta la
mitad de su recorrido
comprimiendo gas frío que cede
Q. Compresión isotérmica
2-3: pistón izq. baja y derecho
sube. No hay cambio de volumen.
Gas pasa de lado frió a caliente,
quedando a Th gracias al calor Qr
suministrado por el regenerador
3-4: pistón derecha permanece
fijo y el izq. sigue descendiendo,
con el gas en
contacto con calor,
expandiéndose y absorbiendo
calor.
4-1: Ambos pistones se mueven
en sentidos opuestos, forzando
ahora al gas a pasar del lado
caliente al frío, cediendo el
mismo calor Qr al regenerador.
Esto es a V cte.
Motor de combustión interna
EL MOTOR DE COMBUSTIÓN
INTERNA
Es una reproducción del motor de combustión interna que funcionaba
con gas inventado por el alemán NIKOLAUS OTTO (1832- 1891) en
1876, el cual destacó por ser mucho más silencioso que otros motores
inventados anteriormente. Es el precursor de los motores que usan los
automóviles en la actualidad.
Ciclo de Otto
a) Carrera de admisión (5-1)
b) Carrera de compresión (1-2)
c) Ignición (2-3)
d) Carrera de expansión (3-4)
e) Apertura de la válvula de escape
(4-1)
f) Carrera de escape (1-5)
Turbina a vapor
Motor Diesel
Ciclo Diesel
Turbina a Gas
Motor de cohete
Calefacción
Conclusión
Máquinas Térmicas
Una máquina térmica es un dispositivo que
convierte energía térmica en otras formas
útiles de energía, como la energía
eléctrica y mecánica.
Hace que una sustancia de trabajo recorra
un proceso cíclico durante el cuál:
• Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.
• La máquina realiza un trabajo
• Libera calor a una fuente a temperatura más baja.
Ejemplos
Termoeléctrica
El motor de combustión interna
Una máquina térmica transporta alguna
sustancia de trabajo a través de un
proceso cíclico, definido como aquel en el
que la sustancia regresa a su estado
inicial.
• Si una sustancia de trabajo es un gas, el
trabajo neto realizado en u n proceso
cíclico es el área encerrada se debe
presentar con un gráfico PV
• La eficiencia térmica, de una máquina
térmica se define como la razón del
trabajo neto realizado al calor absorbido.
En otras palabras
• Una máquina térmica con una eficiencia
perfecta deberá convertir toda energía
calorífica absorbida en trabajo mecánico.
• La segunda ley de la termodinámica
establece que esto no es posible.
Segunda Ley de la
Termodinámica
Los procesos termodinámicos se
pueden clasificar en reversibles e
irreversibles.
Proceso reversible
• Es aquel en el que un sistema puede cambiar
de un estado inicial a otro final a través de
numerosas etapas de modo que la transferencia
de W y Q hacia y desde el sistema se tal que en
cualquiera de las etapas sucesivas sea tal que
el sistema pueda retornar hacia su etapa
original. Se dice que estas etapas sucesivas
están en equilibrio permanente. Estos cambios
son ideales porque en requieren de tiempo
infinito, sin embargo en la naturaleza los
procesos reales ocurren a tiempos finitos.
Proceso irreversible
• Ocurren espontáneamente en una dirección
determinada con cambios drásticos del sistema
y su entorno lo que hace imposible la
reversibilidad.
• Es importante observar, que los cambios de
energía en un cambio de estado irreversible o
reversible es siempre el mismo debido a que la
energía es una función de estado y solo
depende del estado final e inicial sin importar
como se realizó el proceso.
Tanto el trabajo W como el calor Q en ambos procesos es
distinto, sin embargo la diferencia entre ellos (E) es siempre la
misma.
Ejercicios
1.
a).- Explique qué se entiende por una máquina térmica.
b).- Trate de describir cuál es la fuente caliente y cuál es la fuente
fría de la máquina de Herón.
2.- Observando el esquema de la máquina de Watt, conteste:
a).- Cuando el pistón está subiendo, la válvula A ¿está abierta o
cerrada? ¿y la válvula B?. Explique.
b).- Explique por qué después de alcanzar la parte más alta del
cilindro el pistón desciende para regresar a la posición inicial.
c).- Durante el descenso del pistón ¿cuál de las válvulas está
abierta y cuál está cerrada?