1

CUESTIONARIO TERMODINÁMICA

1º)- ¿Qué es la temperatura? La temperatura designa el estado térmico de los cuerpos. 2º)-¿Mencionar algunas propiedades de la materia que varían con la temperatura? Longitud de una barra metálica- El volumen de un líquido – La presión de un gas – La resistencia eléctrica de un alambre – 3º)-¿Qué características poseen los termómetros de mercurio? La expansión térmica del mercurio es amplia y suave, no se adhiere al vidrio, es opaco y plateado facilitando su lectura, solidifica cercano a los –40ºC y se lo utiliza hasta los 300ºC aproximadamente. 4º)-¿Cómo se denominan las escalas absolutas de temperatura correspondientes a grados Celsius y Fahrenheit? Escala absoluta Kelvin y Rankine respectivamente. 5º)- Escriba la relación entre las escalas de temperaturas Celsius y Fahrenheit y sus correspondientes escalas absolutas. ºC = 5/9. (ºF – 32) -273 ºC = 0ºK -460ºF = 0ºR 6º)- Describir la naturaleza del Calor y sus unidades. El calor es una forma invisible de le energía cinética-energía en movimiento – molecular de la materia. Este movimiento genera choques entre las moléculas generando calor o energía calórica. Sus unidades son: Kcal/kg B.T.U./lb 7º)- Describa las diversas formas de transmisión del calor. Mencione ejemplos. a)- Transmisión del calor por Conducción: Esta transmisión tiene lugar en un mismo cuerpo sólido, cuando sus partes presentan diferentes temperaturas. La energía térmica es llevada por el movimiento de las moléculas y de las colisiones moleculares transfiriéndose a otras moléculas que se ponen en contacto con ella. El calor pasa del cuerpo más caliente al más frío y debe haber contacto entre los materiales. Ejemplo: calentar el extremo de una barra metálica

2

b)- Transmisión del calor por convección: Esta forma de transmisión se manifiesta solamente entre fluidos (líquidos y gases). Al calentarse una masa de fluido, disminuye su densidad produciendo un movimiento ascendente e ingresando en su lugar fluido con menor cantidad de calor. Ejemplo; Calentamiento del aire de una habitación producido por una estufa c)- Transmisión del calor por Radiación: Esta forma de energía se transmite por medio de ondas electromagnéticas. Ejemplo: El calor transmitido por el Sol que llega a la Tierra. 8º)- Definir Kilocaloría. La Kilocaloría, es la cantidad de calor que hay que entregar a 1 kg de agua para elevar su temperatura 1ºC. 9º)- ¿A que se denomina: a)-Fusión, b)- Evaporación, c)- Solidificación, d)- Condensación? a)- Fusión: es el pasaje del estado sólido al estado líquido a la temperatura de fusión absorbiendo calor. b)- Evaporación: es el pasaje del estado líquido al estado gaseoso a la temperatura de evaporación absorbiendo calor. c)-Solidificación: es el pasaje del estado líquido al estado sólido a la temperatura de solidificación cediendo calor. e)- Condensación: es el pasaje del estado gaseoso al estado líquido a la temperatura de condensación cediendo calor. 10º)- ¿Qué parámetros definen el estado de un gas? Los parámetros que definen el estado de un gas son: La temperatura –el volumen y la presión. 11º)- Exprese el enunciado de la Ley de Boyle – Mariotte. Realice el diagrama correspondiente en coordenadas P, V. Escriba la fórmula correspondiente a la Ley. La Ley de Boyle – Mariotte – Se aplica en las transformaciones a temperaturas constantes. “Para una determinada masa de gas, que evoluciona a temperatura constante, se verifica que el producto de la presión por el volumen, para cada estado del gas, es constante” Es decir, los volúmenes ocupados por el gas son inversamente proporcionales a las presiones que soporta. P1 . V1 = P2 . V2 = cte

3

12º)- Exprese el enunciado de la Ley de Gay – Lussac a Presión constante. Realice el diagrama correspondiente en coordenadas P, V. Escriba la fórmula correspondiente a la Ley. “ Para una determinada masa de gas que evoluciona a presión constante, se verifica que las temperaturas absolutas son directamente proporcionales a los volúmenes ocupados por el gas” V1 / V2 = T1 / T2 13º)- Exprese el enunciado de la Ley de Gay – Lussac a Volumen constante. Realice el diagrama correspondiente en coordenadas P, V. Escriba la fórmula correspondiente a la Ley. “ Para una determinada masa de gas que evoluciona a volumen constante, se verifica que las temperaturas absolutas son directamente proporcionales a las presiones del gas” P1 / P2 = T1 / T2 14º)- Exprese el volumen molar de un gas en condiciones de CNPT. El volumen de 1 mol de cualquier gas en CNPT, es decir a 0ºC y 1 atm. de presión, ocupa 22,4 litros. 15º)- Indique la Ecuación de Estado de los Gases Perfectos Para 1 kg de gas, el producto de la presión por el volumen específico, es igual a la constante R del por su temperatura absoluta. P V / T = R = Constante de los Gases P V = R T = [ kg/m2 ] [ m3 / kg] = [ kgm/kg.ºK ] [ ºK ] Para una masa G de gas en kg,: v= V/G 16º)- Exprese la Ley de las presiones parciales de Dalton. La presión total de un sistema gaseosos, es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que lo constituye. Presión parcial de un gas en un sistema gaseoso es la presión que ejercería dicho gas, como si estuviera sólo, ocupando todo el volumen del sistema. P = p1 + p2

4

17º)- ¿Cuáles son los métodos que permiten la transformación de trabajo mecánico en calor? a)- Rozamiento mecánico. Ejemplo: frenos de un automóvil. b)-Golpes. Ejemplo: martillazos sobre el yunque. c)- Compresión de un gas. Inflador de bicicleta. 18ª)- Ejemplifique transformaciones de calor en trabajo mecánico. Turbina de vapor – motor diesel – motor de explosión. 19º)- Exprese el equivalente mecánico del calor y el equivalente calórico del trabajo. Equivalente mecánico del calor: J = W/Q = [ Julio] /[ Caloría] = 4,1855 Julio/Caloría Equivalente calórico del trabajo: A = 1 / J = 0,24 Calorías / Julio 1 KJulio = 0,24 Kcal 1 Kcal= 4186 Julio “ 4186 Julio de energía eleva la temperatura de 1 kg de agua en 1 ºC, lo mismo que 1 Kcal entregada” 20º)- ¿A qué se denomina Trabajo de Expansión? Trabajo de Expansión: En un Sistema cerrado, se produce Trabajo por aumento de su volumen contra una presión exterior. W = P. ΔV 21º)- ¿A qué se denomina Trabajo de Circulación? Trabajo de circulación: Es el trabajo de expansión más el trabajo de flujo que el fluido suministra a la entrada de la sección y restando el trabajo de flujo a la salida de la sección: Lc = p1.v1 + P. ΔV - p2.v2

22º)-¿A qué se denominan Transformaciones Reversibles? Transformaciones Reversibles: Son aquellas que pueden realizarse también en sentido inverso, y que al terminar el proceso, el Sistema y el Medio que lo rodea deben hallarse en el mismo Estado que al Principio, en caso contrario la Transformación es Irreversible.

5

23º)- El ciclo de un gas representado en un diagrama P, V. ¿Cómo queda representado? El Trabajo de un Ciclo esta representado por el Area encerrada. 24º)- Expresa el Primer Principio de la Termodinámica. En el calentamiento de un gas, la cantidad de calor Q positiva que se emplea se lo utiliza para realizar un trabajo mecánico W y en aumentar la energía interna U.

Q = ∆ U + W

25º)-Expresar la Ley de Joule La ley de Joule establece que la energía interna U de un gas depende solamente de la temperatura. 26º)- Define el Calor Específico a Volumen Constante. Expresa su unidad Calor Específico a Volumen Constante se define como la cantidad de calor que es necesario suministrar a 1 Kg de gas para producir un aumento de temperatura de 1 ºC cuando el volumen de gas se mantiene constante. Unidad : Kcal/ºC. kg Se puede escribir:

∆U = Cv. ∆T

27º)- Define el Calor Específico a Presión Constante. Expresa su unidad Calor Específico a Presión Constante se define como la cantidad de calor que es necesario suministrar a 1 Kg. de gas para producir un aumento de temperatura de 1 ºC cuando la presión del gas se mantiene constante. Unidad : Kcal/ºC. Kg Cp = Q / ∆T 28º)- Escribe la fórmula de Mayer Fórmula de Mayer

Cp-Cv = A.R

6

29º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a Expansión Isotérmica, En la Expansión Isotérmica: Se realiza según la hipérbola equilátera Representativa de la Ley de Boyle- Mariotte.

PV = cte.

La Temperatura se mantiene Constante, disminuyendo la Presión y aumentando su Volumen. Sabiendo que: Q = ΔU + W En la evolución la Energía Interna U no varía. ΔU = 0 Por lo tanto

Q = W El Trabajo de Expansión W se realiza absorbiendo calor del Medio Exterior. 30º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a expansión Adiabática, En la Evolución Adiabática , disminuye la Temperatura y la Presión. Sabiendo que: Q = ΔU + W En la evolución el Calor intercambiado es cero. Q = 0 Por lo tanto: 0 = ΔU + W El Trabajo de Expansión W se realiza a expensas de una disminución de la Energía Interna U debido a la disminución de la temperatura del fluido. -ΔU = W Como: - ΔU = W entonces: -(U2 – U1) = U1 – U2 = W

7

31º)- Analiza la expansión en una transformación Politrópica, como varía la energía Interna y el calor. La expansión politrópica se realiza en parte a expensa de la Energía Interna y en parte absorbiendo Calor del Medio Exterior. 32º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a Compresión Isotérmica, Compresión Isotérmica: Se realiza según la hipérbola equilátera . Representativa de la Ley de Boyle- Mariotte.

PV = cte.

La Temperatura se mantiene Constante, aumentando la Presión y disminuyendo su Volumen. No existe variación de Energía Interna ΔU = 0 Recibiendo el fluido un Trabajo W y cediendo una cantidad de Calor al Medio Exterior equivalente a dicho Trabajo. 33º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a Compresión Adiabática, Compresión Adiabática: Según la curva MS, el fluido aumenta de Temperatura y de Presión. Siendo nulo el intercambio de Calor con el Medio Exterior, Q=0 El Trabajo recibido por el gas, se utiliza para aumentar su Energía Interna, es decir su Temperatura. 0 = ΔU + W -ΔU = W 34º)- Analiza la Compresión en una transformación Politrópica, como varía la energía Interna y el calor. El aumento de Temperatura, es decir, el incremento de Energía Interna , es menor que para la Adiabática. El Trabajo de compresión que recibe el gas, se emplea parte para aumentar su Energía Interna ( es decir, su Temperatura) y parte en ceder Calor al Medio Exterior.

8

35º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a Volumen Constante. Transformaciones a Volumen Constante –ISOCORAS- Se verifica la Ley de Gay- Lussac: P1 / P2 = T1 / T2

Debido a que en la evolución del gas el Volumen es constante, el Trabajo de expansión es nulo: W = 0. Lc = Trabajo de Circulación Partiendo del Primer Principio: Q = ΔU + W Sabiendo que: ΔU = Cv. ΔT y W = 0 La variación de Energía Interna, es el producto del Calor Específico a Volumen constante por la variación de temperatura. Cv = Calor Específico a Volumen Constante. Sustituyendo: Q = Cv. ΔT

Q = Cv. (T2 -T1)

La cantidad de Calor que recibe o cede el fluido, se emplea en aumentar o disminuir su Energía Interna o sea su Temperatura. El Trabajo de expansión es nulo: W = 0 El Trabajo de Circulación esta dado por: Lc = - V (P2 – P1) = V (P1 – P2)

P

V

P1

P2

V

t1

t2

Lc (+)

9

El Trabajo Lc es negativo cuando la Presión Aumenta en su evolución y positivo cuando la Presión Disminuye. 36º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a Presión Constante. Transformaciones a Presión Constante –ISOBARAS- Se verifica la Ley de Gay- Lussac: V1 / V2 = T1 / T2

Partiendo del Primer Principio: Q = ΔU + W W = P.( V2 - V1 ) De la Ecuación de Estado: P.V = R.T Es decir: P. ΔV = R. ΔT Además: ΔU = Cv. ΔT Reemplazando: Q= Cv. ΔT + R. ΔT Q= ( Cv. + R ) ΔT Fórmula de MAYER: Cp = Cv + R Nos queda: Q= Cp. ΔT Cp = Calor Específico a Presión Constante. Durante la Expansión a Presión constante, el gas aumenta su Volumen y su Temperatura, realizando un Trabajo positivo aumentando su Energía Interna. por lo tanto ello debe efectuarse a expensa de una cantidad de Calor positiva que el fluido recibe desde el medio exterior.

P

V

1 2

V1 V2

P = cte

t1 t2

10

Durante la compresión a Presión constante, el gas recibe Trabajo negativo y disminuye su Energía Interna, por lo tanto el fluido debe ceder una cantidad de Calor negativo al medio exterior. 37º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución a Temperatura Constante. Transformaciones a Temperatura Constante: ISOTERMICAS Según la Ley de Boyle – Mariotte: V1 / V2 = P2 / P1

Su representación gráfica en el diagrama P-V es una hipérbola equilátera. Según el Primer Principio: Q = ΔU + W Siendo la Temperatura constante, la Energía Interna permanece constante durante la transformación: ΔU = 0 La fórmula queda: Q = W Sabiendo que: W = P. ΔV En la expansión Isotérmica el gas realiza Trabajo positivo, siendo el Calor recibido positivo. Realiza Trabajo a expensas del Calor recibido. En la compresión Isoterma, el gas recibe Trabajo negativo, cede al medio exterior una cantidad de Calor negativa. El Trabajo de Circulación Lc = - V . ΔP En la transformación Isotérmica, el Trabajo de expansión es igual al Trabajo de circulación.

P

V

P1

P2

1

2

V1

V2

t = Constante

11

38º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución Adiabática. Las transformaciones Adiabáticas son aquellas en las que no se intercambia calor con el Medio Exterior. Q = 0 El Primer Principio: Q = ΔU + W Nos queda: 0 = ΔU + W Por otra parte: ΔU = Cv. ΔT Además: W = P. ΔV Reemplazando: 0 = Cv. ΔT + P. ΔV En la Expansión Adiabática del gas, se realiza Trabajo positivo a expensas de la Energía Interna que disminuye, como su Temperatura. En la Compresión Adiabática, el Trabajo recibido se emplea en aumentar su Energía Interna y por lo tanto su Temperatura. La relación entre los Calores Específicos a Presión Constante y a Volumen Constante la designamos con la letra k, es decir: k = Cp / Cv

T. v k-1 = Constante

P

V

P1

P2

V1

V2

t1

2

ADIABATICA

Expansión

W +

1

t2

12

p. v k = Constante

P2 / P1=( v1 / v2)

k T2 / T1=( v1 / v2)

k-1 =( P2/ P1) k-1/k

El Trabajo de expansión se calcula: W = - Cv. ΔT W = Cv . (T1 – T2 ) El Trabajo de Circulación: Lc = W + p1. v1 - p2. v2 Lc = k . W El Trabajo de Circulación es igual al Trabajo de Expansión multiplicado por el coeficiente k de la Adiabática. 39º)- Analiza la variación de energía interna, el calor y el trabajo en una evolución Politrópica Las Transformaciones Politrópicas son aquellas que se efectúan a Calor Específico Constante. El aumento de Temperatura es proporcional a la cantidad de Calor suministrada. La disminución de Temperatura es proporcional a la cantidad de Calor quitada al fluido en su transformación. Es decir: Calor Específico C = ΔQ / ΔT ΔQ = C. ΔT Partiendo del Primer Principio: Q = ΔU + W Sabiendo que: ΔU = Cv. ΔT y W = P. ΔV Reemplazando: C. ΔT = Cv. ΔT + P. ΔV (C – Cv). ΔT + P. ΔV = 0

13

Utilizando la fórmula de Mayer: Cp = Cv + R Se llega: ΔT / T + (Cp – Cv) / (Cv – C). ΔV/ V = 0 A la relación la llamamos : (Cp – Cv) / (Cv – C) = m – 1 Se puede escribir: ΔT / T + ( m – 1 ).ΔV/ V = 0 Despejando m: m = 1 + (Cp – Cv) / (Cv – C) m = (C – Cp) / (C – Cv)

T. v m-1 = Constante

P.v m = Constante T2 / T1=( v1 / v2)

m-1 =( P2/ P1) m-1/m

El Trabajo de Expansión: W= P1. v1 /(m – 1) . ( 1 - T2 / T1 ) = P1. v1 /(m – 1) . { 1 -( P2/ P1)

m-1/m} = W = P1. v1 /(m – 1) . { 1 -( v1/ v2)

m-1} = kgm/kg El Trabajo de Circulación : Lc = m . P1. v1 /(m – 1) . { 1 -( P2/ P1)

m-1/m} = Lc = m . W El Calor intercambiado en un Politrópica: Q = C . ΔT A partir de: m = (C – Cp) / (C – Cv) m = (Cp – C) / (Cv – C) (C – mC) = (Cp –m Cv) Como Cp = k Cv C(1 – m) = (k Cv –m Cv) = (k – m ) . Cv

14

C =(k – m ) / ( 1 – m ) . Cv Q = (k – m ) / ( 1 – m ) . Cv (T2 - T1 ) Por lo tanto: Q = A/ ( k – 1 ) . (k – m) / 1 – m) . (v2 P2 - P1 v1) = Kcal/Kg Cálculo de m:

p1 v1 m = P2 v2

m

m .( log v1 - log v2 ) = log p2 - log p1

m =( log p2 / log p1 )/ (log v1 / log v2) 40º)- ¿Qué se entiende por Entalpía?.

Entalpía de un gas Partiendo del Primer Principio que evoluciona a Presión Constante

Qp = ΔU + W Qp = U2 – U1 + P(V2 – V1) = U2 – U1 + PV2 – PV1 = Qp = (U2 + PV2 ) – ( U1 + PV1 )= Entalpía : h = U + PV Qp = h2 – h1 La cantidad de Calor que se suministra a un fluido a Presión Constante, es igual a las diferencias entre las Entalpías final e inicial. Trabajo de Circulación: Lc = p1 v1 + U1 – U2 – p2 v2 Lc = ( U1 + PV1 ) - (U2 + PV2 ) Es decir: Lc = h1 – h2 = Kcal/kg

15

Para una transformación Adiabática, el equivalente térmico del Trabajo de Circulación realizado, es igual a las diferencias de las Entalpías inicial y final del fluido. 41º)- ¿A qué se denomina Entropía? En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo ΔS = ΔQ / T

Es el cociente entre la cantidad de calor absorbida en el proceso y la temperatura absoluta.

42º)- Enunciar la Segunda Ley de la Termodinámica según Clausius.

No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto.

43º)- Enuncie la Segunda Ley de la Termodinámica según Kelvin.

Es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura. 44º) –Explique el Ciclo de Carnot Ciclo de Carnot

Esquema de una máquina de Carnot. La máquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede calor a la fría T2 produciendo trabajo.

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo.

Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por

16

, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura.

Ciclo de Carnot

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura - entropía

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente)

1. Expansión isotermica (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, a partir de la

17

1ª ley de la termodinámica que todo el calor transferido es convertido en trabajo:

2. Desde el punto de vista de la entropía ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible:.

Expansión adiabática (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:

3. Compresión isoterma (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye:

4 Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía:

Trabajo del ciclo

Como la variación de U su valor es el mismo al inicio y al final del ciclo, y es independiente del camino, la variación de U vale cero.

Q = W

18

45º)- Enunciar los Teoremas de Carnot

a)- No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot.

b)- Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.

46º)- Exprese el rendimiento de una máquina térmica

Rendimiento

Es la relación entre el trabajo total efectuado por una máquina en un ciclo y el calor que, durante ese ciclo, se toma de la fuente de alta temperatura.

A partir del segundo teorema de Carnot se puede decir que, como dos máquinas reversibles tienen el mismo rendimiento, este será independiente de la sustancia de trabajo de las máquinas, las propiedades o la forma en la que se realice el ciclo. Tan solo dependerá de las temperaturas de las fuentes entre las que trabaje. Si tenemos una máquina que trabaja entre fuentes a temperatura T1 y T2, el rendimiento será una función de las dos como variables:

Rendimiento = 1 – Q2 /Q1

Por lo tanto, el cociente entre los calores transferidos es función de las temperaturas de las fuentes.

46º) ¿ Cómo es la eficiencia en un ciclo real respecto del de Carnot?

Todos los procesos reales tienes alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo Por lo tanto, es imposible conseguir un ciclo real libre de irreversibilidades, y por el primer teorema de Carnot la eficiencia será menor que un ciclo ideal.

47º)- Explicar el Ciclo Otto

19

Ciclo Otto en función de la presión y el volumen.

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta de cuatro procesos:

1-2: Compresión adiabática. Aumenta la energía interna. En la Compresión Adiabática, el Trabajo recibido se emplea en aumentar su Energía Interna y por lo tanto su Temperatura. 2-3: Ignición, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente antes de comenzar el tiempo útil . Debido a que en la evolución del gas el Volumen es constante, el Trabajo de expansión es nulo: W = 0. La cantidad de Calor que recibe el fluido, se emplea en aumentar su Energía Interna o sea su Temperatura. 3-4: Expansión adiabática o parte del ciclo que entrega trabajo

4-1: Escape, cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante

48º)- Motores diésel

20

En teoría, el ciclo diésel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante..

En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 ºC. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión.

49º)- Describa y esquematice el ciclo frigorífico

2 3

4

1

P

V

21

PLANTA FRIGORIFICA

Máquina frigorífica

Se basa en la propiedad física de que la evaporación de un líquido o la dilatación de un gas absorben calor, y la compresión o condensación desprenden calor.

Ciclo de refrigeración

Este ciclo obedece a la ley de los gases perfectos y la relación presión y temperatura

P·V = n·R·T

donde P es la Presión, V es Volumen, n es el número de moles, R es la constante universal de los gases y T la temperatura.

A fin de circular el fluido refrigerante y optimizar su absorción de calor se utiliza un compresor:

EVAPORADOR

CONDENSADOR

COMPRESOR

VAL.

EXP.

Temperatura de

Evaporación = -15ºC

Presión de

Compresión = 10 atm.

22

CICLO DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN

1. El compresor absorbe el refrigerante como un gas a baja presión y baja temperatura y lo mueve comprimiéndolo hacia el área de alta presión, donde el refrigerante es un gas a alta presión y alta temperatura.

Evolución isoentálpica. Aumenta su temperatura y recibe trabajo..

2. Al pasar por el condensador el calor del refrigerante se disipa al medio condensante. El refrigerante se licua y sigue a alta presión. Entrega el calor absorbido en el evaporador más el de compresión a presión constante

3. De ahí, pasa a través del dispositivo regulador de presión que separa las áreas de alta presión y baja presión mediante una reducción de la sección de paso. Al bajar la presión, la temperatura de saturación del refrigerante baja, permitiendo que absorba calor. Expansión adiabática.

4. Ya en el lado de baja presión, el refrigerante llega al evaporador donde absorbe el calor del ambiente y se evapora a temperatura constante. De ahí pasa otra vez al compresor cerrando el ciclo.

Elementos

Los elementos mínimos son:

Refrigerante: es un fluido con propiedades especiales de punto de evaporación y condensación. Su función consiste en, mediante los cambios de presión y temperatura inducidos, absorber calor en un lugar y disiparlo en otro, principalmente mediante un cambio de líquido a gas y viceversa.

Compresor: es un dispositivo mecánico que bombea y comprime el fluido refrigerante, creando una zona de alta presión y generando el movimiento del refrigerante en el sistema.

Condensador: generalmente es un serpentín de cobre con laminillas de aluminio a modo de disipadores de calor. Es un intercambiador y su función consiste en liberar o disipar el calor del refrigerante al ambiente.

Evaporador: también es un serpentín, pero su presentación varía. En los equipos de acondicionamiento de aire es muy similar al condensador, pero en los refrigeradores domésticos suele ir oculto en las paredes del congelador. Es otro intercambiador y su función es que el refrigerante absorba calor del área refrigerada.

Válvula de expansión , Su función consiste en controlar el paso del refrigerante desde al área de alta presión a la de baja presión. Mediante este dispositivo el refrigerante se expande reduciendo su presión y temperatura, además regula el caudal de fluido refrigerante.

23

50º)- Describa y esquematice el ciclo del vapor CICLO DEL VAPOR

CICLO DE RANKINE

CALDERA

SOBRECALE

NTADOR

TURBINA-

EL VAPOR

EXPANSIONA

HASTA LA

SATURACION

CONDENSADOR

BOMBA

VAPOR

TEMPE. VAPOR: 450ºC

PRESION: 25 ATM

TEMP. DEL

AGUA:

90ºC

24

El proceso del Ciclo

El ciclo Rankine es un ciclo de planta de fuerza que opera con vapor. Este es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energía cinética, donde perderá presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder ingresarlo a la caldera.

Aunque existen algunas mejoras al ciclo, como por ejemplo agregar sobrecalentadores a la salida de la caldera que permitan obtener vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar así el rendimiento del ciclo.

Diagrama T-s del ciclo

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine, mostrando el proceso no-ideal.

S.C.

25

Existen cuatro procesos distintos en el desarrollo del ciclo, los cuales van cambiando el estado del fluido. Estos estados quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s. Los procesos que tenemos son los siguientes (suponiendo ciclo ideal con procesos internamente reversibles):

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador.

Proceso 2-3: Transmisión de calor desde el fluido de trabajo al refrigerante a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido saturado.

Proceso 3-4: Compresión isoentrópica en la bomba. En él se aumenta la presión del fluido mediante un compresor o bomba, al que se le aporta un determinado trabajo.

Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera.

En la realidad, los procesos no son internamente reversibles, pues tenemos distintas irreversibilidades y pérdidas, lo que se refleja en que los procesos 1-2 y 3-4 no son isentrópicos.

Variables

calor de entrada(energía por unidad de tiempo)

Flujo de masa (masa por unidad de tiempo)

potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)

eficiencia termodinámica del proceso (potencia absorbida por la turbina de entrada de calor, adimensional)

, ,

,

Estas son las "Entalpías específicas" a los puntos indicados en el diagrama T-S

Ecuaciones

26

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtienen del balance de energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la potencia de salida con respecto al calor de entrada.

27