Termodinámica Rendimiento de Equipos

[pic 1]

Contenido

Introducción.        2

Segunda Ley de la Termodinámica.        3

Maquinas Térmicas.        4

Características de las Maquinas Térmicas        5

Central eléctrica de vapor        6

Enunciado de Kelvin-Planck.        7

Refrigeración y Bombas de Calor.        8

Coeficiente de desempeño.        9

Bombas de calor.        10

Ejercicios        11

Ejercicio 1: Rechazo de calor mediante un refrigerador        11

Ejercicio 2: Calentamiento de una casa mediante una bomba de calor        12

Conclusión.        13

Bibliografía        14

Rubrica de evaluación.        15

Evaluación individual.        16

Introducción.

En el siguiente informe abordaremos el tema de el rendimiento de los equipos desde la perspectiva del estudio termodinámico. Para ello iniciaremos con un análisis a la segunda ley o principio de la termodinámica, para luego efectuar un estudio de las maquinas térmicas, así como el principio de Kevin Planck.

Con el propósito de profundizar sobre estos temas además trataremos los conceptos de refrigeración y bomba de calor haciendo énfasis en su estudio de manera tanto teórica como práctica.

En ultima instancia ejecutaremos un análisis a dos ejercicios con el propósito de refinar lo estudiado y asentar en una base practica los conocimientos adquiridos en esta investigación llevada a cabo en conjunto con nuestro equipo de trabajo.

Segunda Ley de la Termodinámica.

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de esta. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además, no hace distinción entre el trabajo y el calor. De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la práctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.

3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más importante es en relación con la eficiencia limitada de las máquinas térmicas. Expresada en forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía.

Maquinas Térmicas.

        Una maquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permiten intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varia su densidad significativamente al atravesar la máquina.

El trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, pero realizar este proceso de manera inversa no es fácil, una forma de hacer esto es a través de las maquinas térmicas, las cuales se caracterizan por trabajar en ciclos.

Para el desarrollo del ciclo es importante que estas cuenten con un fluido el cual transfiera el calor. A este fluido se le llama fluido de trabajo (el fluido de trabajo aquí es el agua o vapor de agua)[pic 3]

El término máquina térmica se usa con frecuencia en un sentido más amplio que incluye dispositivos que producen trabajo que no operan en un ciclo termodinámico. Las máquinas relacionadas con la combustión interna, como las turbinas de gas y los motores de automóviles, entran en esta categoría. Estos dispositivos operan en un ciclo mecánico, pero no en un ciclo termodinámico, porque el fluido de trabajo (los gases de combustión) no experimenta un ciclo completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los gases de escape se purgan y se reemplazan por una mezcla fresca de aire y combustible al final de ciclo.

Características de las Maquinas Térmicas

1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera).

2. Convierten parte de este calor en trabajo.

3. Rechazan el calor de desecho hacia un foco frio (generalmente el ambiente).

4. Operan en un ciclo.[pic 4]

Central eléctrica de vapor

Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada por combustibles fósiles como petróleo, gas natural, carbón y núcleos de uranio. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica, liberando dióxido de carbono a la atmosfera.

1. Calor de entrada = cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta (horno)
2. Trabajo de salida = cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina.
3. Calor de salida= cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etcétera)
4. Trabajo de entrada= cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la caldera.[pic 5]

Enunciado de Kelvin-Planck.

A la hora de aumentar la eficiencia de una máquina, el primer objetivo sería reducir o eliminar si es posible, el calor de desecho.

Ante esta perspectiva se pueden plantear dos posibilidades

• ¿es posible eliminar el condensador y que una maquina térmica no genere calor de desecho, si no que todo el calor absorbido se transforme en trabajo neto?
• ¿Es posible una reutilización del calor de desecho, de forma que se haga recircular y se incluya en el calor absorbido?

La respuesta a ambas preguntas es negativa.

El enunciado de Kelvin-Planck del segundo principio de la termodinámica es el siguiente: “es imposible construir una maquina que, operando en un ciclo, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de nunca cantidad equivalente de trabajo”.[pic 6]

El enunciado de Kelvin-Planck afirma que es imposible construir una máquina que tenga un rendimiento del 100%. Siempre habrá calor de desecho que, en la mayoría de los casos equivale a más de la mitad del calor absorbido.

Es importante señalar que el enunciado de Kelvin-Planck habla de procesos cíclicos, que dejan al sistema en un estado final igual a la inicial.

La imposibilidad de tener una máquina térmica con 100 por ciento de eficiencia no se debe a la fricción o a otros efectos de disipación, es una limitación que se aplica a las máquinas térmicas ideales y reales.

...