El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos donde la temperatura se mantiene constante y dos procesos adiabáticos donde no hay intercambio de calor. La máquina de Carnot absorbe calor de una fuente caliente, realiza trabajo al expandirse de forma isoterma y adiabática, cede calor a una fuente fría al comprimirse de forma isoterma y adiabática, y tiene el máximo rendimiento posible para cualquier máquina que funcione entre las mismas temperaturas.
Procesos Reversibles e irreversibles. Termodinámicacecymedinagcia
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
La segunda ley de la termodinámica establece que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100 por ciento. Entonces cabe preguntar, ¿cuál
es la eficiencia más alta que pudiera tener una máquina térmica? Antes de contestarla es necesario definir primero un proceso idealizado, llamado proceso
reversible. Los procesos que se estudiaron al comienzo de este capítulo ocurrieron en cierta dirección, y una vez ocurridos, no se pueden revertir por sí mismos de
forma espontánea y restablecer el sistema a su estado inicial. Por esta razón se clasifican como procesos irreversibles. Una vez que se enfría una taza de café, no se calentará al recuperar de los alrededores el calor que perdió. Si eso
fuera posible, tanto los alrededores como el sistema (café) volverían a su condición original, y esto sería un proceso reversible. Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Es decir, tanto el sistema
como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles. Se debe señalar que es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un proceso, sin importar si éste es reversible o irreversible. Pero
para procesos reversibles, esta restauración se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores, mientras que para procesos irreversibles los alrededores normalmente hacen algún trabajo sobre el sistema, por lo tanto no vuelven a su estado original. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, sólo son
idealizaciones de procesos reales. Los reversibles se pueden aproximar mediante
dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles. Entonces, quizá se pregunte por
qué preocuparse de esta clase de procesos ficticios. Hay dos razones: una es que son fáciles de analizar, puesto que un sistema pasa por una serie de estados
de equilibrio durante un proceso reversible; y otra es que sirven como modelos idealizados con los que es posible comparar los procesos reales. En la vida diaria, el concepto de una “persona correcta” es también una
idealización, tal como el concepto de un proceso reversible (perfecto). Quienes insisten en hallar a esa persona correcta para establecerse están condenados a
permanecer solos el resto de sus vidas. La posibilidad de hallar la pareja ideal no es mayor que la de hallar un proceso perfecto (reversible). Del mismo modo,
una persona que insiste en tener amigos perfectos seguramente no tiene amigos. Los ingenieros están interesados en procesos reversibles porque los dispositivos que producen trabajo, como motores de auto
Generación de Potencia en Centrales Térmicas de Vapor teniendo como principio el funcionamiento del Ciclo Rankine, su funcionamiento, las leyes que intervienen, entre otros temas de importancia.
Procesos Reversibles e irreversibles. Termodinámicacecymedinagcia
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
La segunda ley de la termodinámica establece que ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100 por ciento. Entonces cabe preguntar, ¿cuál
es la eficiencia más alta que pudiera tener una máquina térmica? Antes de contestarla es necesario definir primero un proceso idealizado, llamado proceso
reversible. Los procesos que se estudiaron al comienzo de este capítulo ocurrieron en cierta dirección, y una vez ocurridos, no se pueden revertir por sí mismos de
forma espontánea y restablecer el sistema a su estado inicial. Por esta razón se clasifican como procesos irreversibles. Una vez que se enfría una taza de café, no se calentará al recuperar de los alrededores el calor que perdió. Si eso
fuera posible, tanto los alrededores como el sistema (café) volverían a su condición original, y esto sería un proceso reversible. Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Es decir, tanto el sistema
como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles. Se debe señalar que es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un proceso, sin importar si éste es reversible o irreversible. Pero
para procesos reversibles, esta restauración se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores, mientras que para procesos irreversibles los alrededores normalmente hacen algún trabajo sobre el sistema, por lo tanto no vuelven a su estado original. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, sólo son
idealizaciones de procesos reales. Los reversibles se pueden aproximar mediante
dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles. Entonces, quizá se pregunte por
qué preocuparse de esta clase de procesos ficticios. Hay dos razones: una es que son fáciles de analizar, puesto que un sistema pasa por una serie de estados
de equilibrio durante un proceso reversible; y otra es que sirven como modelos idealizados con los que es posible comparar los procesos reales. En la vida diaria, el concepto de una “persona correcta” es también una
idealización, tal como el concepto de un proceso reversible (perfecto). Quienes insisten en hallar a esa persona correcta para establecerse están condenados a
permanecer solos el resto de sus vidas. La posibilidad de hallar la pareja ideal no es mayor que la de hallar un proceso perfecto (reversible). Del mismo modo,
una persona que insiste en tener amigos perfectos seguramente no tiene amigos. Los ingenieros están interesados en procesos reversibles porque los dispositivos que producen trabajo, como motores de auto
Generación de Potencia en Centrales Térmicas de Vapor teniendo como principio el funcionamiento del Ciclo Rankine, su funcionamiento, las leyes que intervienen, entre otros temas de importancia.
El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal que consta de cuatro procesos reversibles: dos isotérmicos y dos adiabáticos. El objetivo del ciclo de Carnot es convertir el calor absorbido de una fuente a alta temperatura en trabajo útil y rechazar el calor residual a una fuente a baja temperatura. El ciclo de Carnot tiene la mayor eficiencia posible de un motor térmico, que depende solo de las temperaturas de las fuentes de calor. El ciclo de Carnot se representa en un diagrama P-V (presión-volumen) como se muestra a continuación:
1. Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que 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
y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione
cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina
térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son
reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor
de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que
suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es
extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es
extraer calor de la fuente caliente, bomba de calor.
2. Esquema de una
máquina de Carnot. La
máquina absorbe
calor desde la fuente
caliente T1 y cede
calor a la fría
T2 produciendo
trabajo.
4. Etapas del ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos
procesos isotermos (a temperatura constante)
y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Las
aplicaciones del Primer principio de la
termodinámica están escritos acorde con
el Criterio de signos termodinámico.
5.
6. Expansión isoterma:
(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, y despreciando los cambios en
la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la
termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en
trabajo
7. 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.
8. 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.
9. 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