TEMA 6: TERMODINÁMICA. MÁQUINA TÉRMICA Y MÁQUINA FRIGORÍFICA


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1 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TEMA 6: TERMODINÁMICA. MÁQUINA TÉRMICA Y MÁQUINA FRIGORÍFICA La termodinámica es la arte de la física que se ocua de las relaciones existentes entre el calor y el trabajo. El calor es una forma de energía, y al suministrar calor a ciertos disositivos, estos lo transforman en trabajo mecánico útil, y en érdidas or calor. Una máquina térmica es un disositivo caaz de arovechar el calor que recibe ara roducir trabajo útil. El calor que recibe (que se uede obtener de una reacción química, combustión), lo absorbe un sistema, normalmente un fluido (agua, aire, gasolina, ), que irá transformando arte de esa energía térmica en energía mecánica. El fluido realiza una serie de transformaciones termodinámicas, y en ellas se uede calcular el trabajo y también el rendimiento de la máquina. La termodinámica estudia los rocesos de transformación de trabajo en calor y viceversa. Trabajo Calor Cuando un cuero absorbe energía en forma de calor, se dilata aumentando de volumen (realiza un trabajo) y aumenta su energía interna que se manifiesta en aumento de temeratura. Cuando hay aumento de volumen, el trabajo se considera ositivo, y cuando disminuye el volumen, el trabajo es negativo..- Transformación de un sistema termodinámico En todo roceso, el trabajo realizado or un fluido, no deende sólo del trabajo inicial y final, sino que también deende del camino seguido Para estudiar los ciclos termodinámicos que describen los fluidos en el interior de una máquina térmica, se arte de las transformaciones básicas reresentadas en un diagrama resión volumen -. Como ejemlo odemos imaginar el gas encerrado en un cilindro (aire, CO, mezcla aire-combustible, et.) El trabajo es el area encerrada entre nuestra curva termodinámica y el eje de abcisas P P Magnitudes básicas: - Ecuación de estado de un gas ideal. n.r.t T cte - Trabajo realizado F.d.S.d. d - Calor absorbido Q - Primer rinciio de la termodinámica: Una máquina térmica transforma una arte del calor recibido en trabajo y el resto lo destina a modificar su energía interna. Q + U donde U es la variación de energía interna, Q es el calor agregado al sistema y el trabajo realizado or el sistema.

2 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz - Segundo rinciio de la termodinámica: - Enunciado de Kelvin-Planck: No es osible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo. - Enunciado de Clausius: Es imosible transferir calor desde un foco frio a un foco caliente sin un aorte externo de energía Tios de transformaciones termodinámicas: Transformación isobára: constante Transformación isocora: constante P P T T T T. ( - ). 0 Transformación isoterma: T constante P Transformación adiabática: Q constante, no existe intercambio de calor con el exterior P P P... d n.r.t. ln. ϫ cte Índice adiabático de un gas ideal...- Transformaciones cíclicas: En las máquinas térmicas los sistemas evolucionan de forma que artiendo de un estado inicial, vuelven a él, mediante transformaciones cerradas. El unto de inicio y fin, tiene las mismas condiciones de resión, volumen y temeratura. En un ciclo, la variación de energía interna es, ues, nula U 0 Q + U Q Q Q

3 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz En la transformación el trabajo es ositivo. En la transformación el trabajo es negativo. El trabajo en una máquina térmica es ositivo cuando el ciclo se realiza en el sentido de las agujas del reloj, el sistema recibe calor y realiza un trabajo de exansión (motor térmico). Y el trabajo es negativo cuando se realiza en sentido antihorario, el sistema cede calor al exterior y se realiza un trabajo de comresión (máquina frigorífica). El trabajo neto resultante de un ciclo comleto será: que corresonde al trabajo encerrado en la curva. TOTAL + (cada uno con su signo), 3.- Máquina térmica: Es un conjunto de elementos que ermite obtener un trabajo mecánico útil a artir de un desnivel térmico natural o artificial; o bien, que, a artir de un trabajo externo, ermite obtener un desnivel térmico entre dos focos. Estas dos formas de trabajar nos clasifican las máquinas térmicas: Máquina térmica directa: Motores térmicos Q Una máquina térmica es un disositivo que, oerando de forma cíclica, toma de calor de un foco caliente, realiza un trabajo útil y entrega calor de desecho a un foco frío, normalmente el ambiente. Este roceso tiene un rendimiento Máquina térmica inversa: Máquina frigorífica y bomba de calor Q Reciben un trabajo ara asar calor desde un foco frio a otro caliente. El trabajo lo suele roòrcionar un comresor. Este roceso tiene un rendimiento o eficiencia T c T T c T Q Q MTD MTI Q Q T f T T f T MTD: máquina térmica directa. Ej: motor térmico de combustión interna alternativo: se inyecta una mezcla de aire/combustible en el interior de los cilindros donde se roducirá la combustión. El calor Q se transforma en trabajo mecánico útil y en érdidas en forma de calor Q. Q + Q Q Q MTI: máquina térmica inversa. Ej: máquina frigorífica: se extraen calorías del foco frio Q (medio a refrigerar) y lo transfieren al foco caliente Q, consumiendo un trabajo. Q + (-) Q Q Q 3

4 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Cálculo de la eficiencia o rendimiento: El rendimiento en cualquier máquina es la relación entre el trabajo que sale (trabajo o energía útil) y el que entra (energía suministrada o absorbida), o como la relación entre la otencia que sale y la que entra. η P útil P absorbida T c T T c T T c T Q Q Q ( ) Motor Térmico ( ) Máquina Frigorífica Bomba de calor Q Q ( ) Q T f T T f T T f T η Q Q Q Q ε η Q Q Q Q ε η Q Q Q Q En las máquinas térmicas inversas el rendimiento uede ser mayor del 00%, or eso hablamos de eficiencia y no de rendimiento. Esto es osible debido a que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más el trabajo o otencia aortado or el comresor, que se transmite al fluido. El calor uede medirse en Julios o en calorías. Se llama frigoría a una caloría extraída del sistema. 4.- Ciclo de Carnot: Carnot, en 84, estableció el ciclo termodinámico ideal de una máquina térmica, de la que se odría obtener el máximo rendimiento teórico. Este ciclo se conoce con el nombre de Ciclo de Carnot y es un ciclo reversible formado or dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas. Es un ciclo teórico e ideal que no uede realizar ninguna máquina térmica. Un ciclo reversible es aquel que uede realizarse en sentido horario y antihorario, y además la inversión se uede realizar en cualquier unto 4

5 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz P T c Q Q0 Q0 4 T f Q 3. : exansión isotérmica. El fluido absorbe un calor Q desde el foco caliente (Tc) manteniéndose a esa temeratura y realiza un trabajo, aumentando de volumen. Al no haber variación de temeratura, U 0 3: exansión adiabática: El fluido realiza trabajo, aumentando de volumen, a exensas de su energía interna y disminuyendo su temeratura desde Tc hasta Tf. Q 0 3 4: comresión isotérmica: El fluido cede un calor Q al foco frio (Tf) sin variar de temeratura y recibe un trabajo, disminuyendo de volumen. Al no haber variación de temeratura, U 0 4 : comresión adiabática: El fluido recibe trabajo, disminuyendo de volumen, or lo que aumenta su energía interna y su temeratura desde Tf. hasta Tc, cerrando el ciclo. Q 0 Cálculo de la eficiencia o rendimiento de una máquina con ciclo de Carnot: Cuando la máquina sigue un ciclo de Carnot el cálculo de la eficiencia o rendimiento también uede realizarse con los datos de la temeratura en grados Kelvin. ( K 73ºC) MT (motor térmico) η Q Q Q Q T T T MF (máquina frigorífica) ε Q Q Q Q T T T BC (bomba de calor) ε Q Q Q Q T T T En las máquinas reales el cálculo se realiza con el ciclo de Carnot y luego se alica un coeficiente. Para obtener un alto rendimiento, interesa que la temeratura del foco caliente sea lo mayor osible y que la temeratura del foco frio sea lo menor osible. Para un frigorífico que mantiene los roductos a 5 C en una habitación a C la eficiencia es 6.3. Un frigorífico real osee una eficiencia en torno a 4 (un 5% de la del ciclo de carnot) Una bomba de calor que mantiene una habitación a C mientras el exterior está a 5 C tiene una eficiencia de 7.4. Una bomba de calor real tiene una eficiencia entre el y el 7. 5

6 TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz 5.- Cálculo de la otencia de una máquina: La otencia en cualquier máquina se uede calcular como la energía consumida o el trabajo realizado or la máquina en un intervalo de tiemo P útil E u t P absorbida E a t P en el S.I. se mide en atio ( ) Otra unidad de medida es el caballo de vaor C ( C 735 ) 6

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