TEMA 7: TERMODINÁMICA. MÁQUINA TÉRMICA Y MÁQUINA FRIGORÍFICA. 1.- Transformación de un sistema termodinámico

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1 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TMA 7: 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 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 n 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 airecombustible, et.) l trabajo es el area encerrada entre nuestra curva termodinámica y el eje de abcisas Magnitudes básicas: - cuación de estado de un gas ideal. = n.r.t, T = cte - Trabajo realizado = F.d =.S.d= ( ) - Calor absorbido - 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. = + U donde U es la variación de energía interna, es el calor agregado al sistema y el trabajo realizado or el sistema. - Segundo rinciio de la termodinámica:. s imosible transferir calor desde un foco frio a un foco caliente sin un aorte externo de energía

2 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Tios de transformaciones: 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. =.. ϫ = cte = Índice adiabático de un gas ideal.- Transformaciones cíclicas: n las máquinas térmicas los sistemas evolucionan de forma que artiendo de un estado inicial, vuelven a él, mediante transformaciones cerradas. 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. 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: trabajo encerrado en la curva. TOTAL = +, que corresonde al

3 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz 3.- Máquina térmica: 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 externo, ermite obtener un desnivel térmico entre dos focos. stas dos formas de trabajar nos clasifican las máquinas térmicas: Máquina térmica directa: Motores térmicos 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 Reciben trabajo ara asar calor desde un foco frio a otro caliente. ste roceso tiene un rendimiento o eficiencia T c = T T c = T MT MTI T f = T T f = T MTD: máquina térmica directa. j: 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. j: máquina frigorífica: se extraen calorías del foco frio (medio a refrigerar) y lo transfieren al foco caliente, consumiendo un trabajo. Cálculo de la eficiencia o rendimiento: 3

4 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz T c = T T c = T T c = T ( ) Motor Térmic o ( ) Máquina Frigorífica Bomba de calor ( ) T f = T T f = T T f = T frigoría = caloría extraída n las máquinas térmicas inversas el rendimiento uede ser mayor del 00%, or eso hablamos de eficiencia y no de rendimiento. sto 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. 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. P T c =0 =0 4 T f 3 4

5 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz : 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. = 0 3 4: 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.- jercicios: - jercicio : Un motor térmico de 0 C consume Kcal/h. Calcula el rendimiento del motor y el calor suministrado al foco frio. - jercicio : Una máquina térmica que sigue un ciclo de Carnot toma 00 Kcal del foco caliente a 380ºC y cede 500 Kcal al foco frio. Calcula: a) Rendimiento de la máquina b) Temeratura del foco frio - jercicio 3: Un motor térmico que describe el ciclo ideal de Carnot resenta un rendimiento del 45% cuando la temeratura ambiente es de 0ºC. Calcula: a) Temeratura del foco caliente b) n cuántos grados se tendría que aumentar la temeratura del foco caliente ara alcanzar un rendimiento del 60%? 5

6 TCNOLOGÍA INDUSTRIAL I. Deartamento de Tecnología. IS Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz - jercicio 4: Una máquina funciona según el ciclo reversible de Carnot entre dos focos a -3 ºC y ºC y recibe desde el exterior una energía de 7000 KJ. Calcula: a) ficiencia de la máquina cuando funciona como máquina frigorífica b) ficiencia de la máquina cuando funciona como bomba de calor c) nergía térmica entregada al foco caliente d) nergía térmica desde el foco frio - PAU Junio 009/00 De acuerdo al segundo rinciio de la termodinámica: a) xlique el fundamento del funcionamiento de los motores térmicos b) xlique el fundamento del funcionamiento de las máquinas frigoríficas - PAU Setiembre 009/00 Algunos roductos hortofrutícolas ueden conservarse a una temeratura comrendida entre 6 y C durante varios días hasta el momento de su consumo. Para conseguir que la temeratura de la cámara de un almacén sea constantemente 0 C se emlea una máquina térmica reversible que funciona de acuerdo al Ciclo de Carnot. Considerando que la temeratura media en el exterior es de 5 C en invierno, y 5 C en verano, calcule: a) La eficiencia de la máquina térmica en la éoca de invierno, y en la de verano b) l calor retirado de la cámara o aortado a la misma en cada estación, si la otencia calorífica utilizada es de 3 k - PAU Setiembre 009/00 Una máquina térmica funciona de acuerdo con un ciclo de Carnot erfecto entre las temeraturas T = 56ºC y T = 77ºC. Si el calor tomado del foco caliente es de 350 J, determine: a) Rendimiento de la máquina. b) Calor aortado al foco frío. c) Trabajo realizado. d) Temeratura del foco frío si se desea conseguir un rendimiento del ciclo del 56%. - PAU Setiembre 007/008 Una máquina frigorífica de,5 k de otencia mantiene una temeratura en su interior de C, funcionando de acuerdo al Ciclo de Carnot. Considerando que el valor de la temeratura en el exterior de la máquina se mantiene constante en 8 C, calcule: a) l rendimiento de la máquina b) l calor eliminado or unidad de tiemo del interior del frigorífico c) l calor aortado or unidad de tiemo al exterior del frigorífico 6

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