TEMA 2: TERMODINÁMICA. MÁQUINA TÉRMICA Y MÁQUINA FRIGORÍFICA

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1 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TMA : TRMODINÁMICA. MÁUINA TÉRMICA Y MÁUINA FRIGORÍFICA La termodinámica es la arte de la física que se ocua de las relaciones existentes entre el calor y el trabajo. l calor es una forma de energía, y al suministrar calor a ciertos disositivos, estos lo transforman en trabajo mecánico, y en érdidas or calor. Una máquina térmica es un disositivo caaz de arovechar el calor que recibe ara roducir trabajo. l calor que recibe (que se uede obtener de una reacción química, combustión), lo absorbe un sistema, normalmente un fluido, que irá transformando arte de esa energía térmica en energía mecánica. l 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 e n aumento de temeratura. Por efecto de la resión () ejercida or un gas, el istón sufre una fuerza F que lo deslaza desde una osición inicial (A) a una osición final (B), mientras recorre una distancia d. d l trabajo realizado or el gas se uede calcular como: B. d A Cuando aumento de volumen, el trabajo se considera ositivo (exansión), y cuando disminuye el volumen, el trabajo es negativo (comresión)..- Transformación de un sistema termodinámico n todo roceso, el trabajo realizado or un fluido, no deende sólo del estado 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 airecombustible, et.) Magnitudes básicas: - cuación de estado de un gas ideal. n.r.t, T cte - Trabajo realizado: el trabajo es el area encerrada entre nuestra curva termodinámica P y el eje de abcisas B. d A

2 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz - Calor: es la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea - Primer rinciio de la termodinámica (ley de la conservación de la energía): Para un sistema cerrado la energía total se conserva, la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Una máquina térmica transforma una arte del calor recibido en trabajo y el resto lo destina a modificar su energía interna. + U donde U es la variación de energía interna, es el calor agregado al sistema y el trabajo realizado or el sistema. Transformaciones básicas: Transformación isobára: constante Transformación isocora: constante P P T T T T. ( - ). 0 Transformación isoterma: T constante.. P Transformación adiabática: 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..

3 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz.- Transformaciones cíclicas: Una transformación cíclica o ciclo, es cuando el gas, desués de sufrir distintas transformaciones, vuelve a su estado inicial. Todas las máquinas térmicas y refrigeradores funcionan cíclicamente. l unto de inicio y fin, tiene las mismas condiciones de resión, volumen y temeratura. n un ciclo, la variación de energía interna es, ues, nula. n la transformación el trabajo es ositivo. n la transformación el trabajo es negativo. 3.- Máquina térmica: l 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). l trabajo neto resultante de un ciclo comleto será: TOTAL +, que corresonde al trabajo encerrado en la curva. s un conjunto de elementos que ermite obtener un trabajo mecánico a artir de un desnivel térmico natural o artificial; o bien, que, a artir de un trabajo, ermite obtener un desnivel térmico entre dos focos. stas dos formas de trabajar nos clasifican las máquinas térmicas: Máquina térmica directa: Motores térmicos Rendimiento ɳ Realizan un trabajo al asar calor desde un foco caliente a otro frio. ste roceso tiene un rendimiento Máquina térmica inversa: Máquina frigorífica y bomba de calor Rendimiento Reciben trabajo ara oder asar calor desde un foco frio a otro caliente. ste roceso tiene un rendimiento o eficiencia Foco caliente T Foco caliente T MT MTI Foco frio T Foco frio T MTD: máquina térmica directa. jemlo: motor térmico de combustión interna alternativo. Se inyecta una mezcla de aire/combustible en el interior de los cilindros donde se roducirá la combustión. l calor se transforma en trabajo mecánico y en érdidas en forma de calor. MTI: máquina térmica inversa. jemlo: máquina frigorífica Se extraen calorías del foco frio (medio a refrigerar) y lo transfieren al foco caliente, consumiendo un trabajo. 3

4 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Cálculo de la eficiencia o rendimiento: l rendimiento en cualquier máquina es la relación entre el trabajo que sale (trabajo o energía ) y el que entra (energía suministrada o ), o como la relación entre la otencia que sale y la que entra. ᶯ / u / a ᶯ P / P Pu / Pa Foco caliente T Foco caliente T Foco caliente T ( ) Motor Térmic o ( ) Máquina Frigorífica Bomba de calor ( ) Foco frio T Foco frio T Foco frio T frigoría caloría extraída n las máquinas térmicas inversas el rendimiento uede ser mayor del 00%, or eso hablamos de eficiencia. sto es osible debido a que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la otencia consumida or el comresor, que se transmite al fluido. 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. ste ciclo se conoce con el nombre de Ciclo de Carnot y es un ciclo reversible formado or dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas. s 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 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz P T c T f 3 : exansión isotérmica. l fluido toma un calor desde el foco caliente (Tc) y realiza un trabajo, aumentando de volumen. Al no haber variación de temeratura, U 0 3: exansión adiabática: l fluido realiza trabajo, aumentando de volumen, a exensas de su energía interna y disminuyendo su temeratura desde Tc hasta Tf : comresión isotérmica: l fluido cede un calor al foco frio (Tf) y recibe un trabajo, disminuyendo de volumen. Al no haber variación de temeratura, U 0 4 : comresión adiabática: l fluido recibe trabajo, disminuyendo de volumen, or lo que aumenta su energía interna y su temeratura desde Tf. hasta Tc 0 Cálculo de la eficiencia o rendimiento de una máquina con ciclo de Carnot: MT (motor térmico) T T T MF (máquina frigorífica) T T T BC (bomba de calor) T T T 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. l rendimiento máximo, sería con T 0 K (imosible). Las temeraturas deben introducirse en las fórmulas en grados Kelvin ( ºK 73ºC) 5

6 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS 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 u t P a t P en el S.I. se mide en atio ( ) Otra unidad de medida es el caballo de vaor C ( C 735 ) 6