1 LEY PROCESOS CERRADOS: CICLOS I

Transcripción

1 1 LEY PROCESOS CERRADOS: CICLOS I GIRALDO TORO. REVISÓ PhD. CARLOS A. ACEVEDO. PRESENTACIÓN HECHA EXCLUIVAMENTE CON EL FIN DE FACILITAR EL ESTUDIO. MEDELLÍN 2016

2 La tecnología por sí sola no basta. También tenemos que poner el corazón y la disciplina. Jane Goodall GIRALDO T. 2

3 CICLOS TERMODINÁMICOS GIRALDO T. 3

4 CONTENIDO Conceptos básicos: Introducción. Ciclos de potencia, Ciclos de refrigeración. Análisis general de Energía en un ciclo. Herramientas de análisis para un ciclo: diagramas PV y modelo de reservas de energía. Procesos en un ciclo. Convenciones. GIRALDO T. 4

5 Introducción. En un proceso cíclico el estado final es el mismo que el inicial, el proceso se repite periódicamente. Los procesos cíclicos son la base de las máquinas o motores térmicos y de los refrigeradores, los cuales operan de forma periódica. LINC INTERESANTE GIRALDO T. 5

6 Ciclos de potencia, Ciclos de refrigeración Los ciclos de potencia corresponden a los motores térmicos puesto que se genera potencia para operar máquinas y diversos procesos. Los ciclos de refrigeración se refieren a los aires acondicionados, refrigeradores y bombas de calor. LINC INTERESANTE GIRALDO T. 6

7 En cada ciclo se intercambia energía entre un foco caliente y uno frio a través de un fluido de trabajo. La energía intercambiada y los dos focos tienen como propósito hacer factible el ciclo. Además, parte del calor que entra se convierte en trabajo útil para algún tipo de proceso externo. GIRALDO T. 7

8 Análisis general de energía en un ciclo. En un ciclo se parte de un estado 1 y se llega de nuevo al mismo estado 1, por tanto el cambio en las propiedades es 0. Por ejemplo el cambio de: E = 0 (1) U=0 (2) GIRALDO T. 8

9 Análisis de Energía en un ciclo (sistema cerrado) E alm = U = E entra E sale (3) Para un ciclo U=0, por tanto: 0=E entra - E sale E entra = E sale (4) (5) GIRALDO T. 9

10 Herramientas de análisis para un ciclo. Existen dos herramientas para el análisis de las máquinas térmicas y los refrigeradores: 1. LOS DIAGRAMAS PV. 2. LOS MODELOS DE RESERVA DE ENERGÍA. GIRALDO T. 10

11 1. GIRALDO T. 11

12 Sucesión de procesos en un ciclo Para facilitar el estudio de los ciclos, los diagramas PV generalmente se idealizan mediante aproximaciones y combinaciones de procesos isobáricos, isocóricos, isotérmicos, adiabáticos e isoentrópicos. Estos procesos se organizan de manera lógica y secuencial en un diagrama PV, iniciándose en punto, siguiendo una trayectoria a través de los diferentes procesos y regresando al punto inicial. GIRALDO T. 12

13 Por ejemplo, el siguiente diagrama para un ciclo muy simple e idealizado de un motor térmico, está compuesto por los siguientes procesos: De A a B ocurre un proceso isocórico (volumen constante) mediante adición de calor al sistema. No hay trabajo. Entra calor al sistema. GIRALDO T. 13

14 AB: Q agregado. No W hecho BC: W hecho por el gas. Q agregado DA: W hecho sobre el gas. Q extraído CD: Q extraído. No W hecho D Figura 1. Diagrama PV para un ciclo simple compuesto de cuatro procesos: dos isobáricos y dos isocóricos. 14

15 De B a C ocurre un proceso isobárico expansivo. El sistema recibe calor. Hay trabajo. De C a D ocurre un proceso isocórico (volumen constante). Sale calor del sistema. No hay trabajo. De D a A ocurre un proceso isobárico compresivo. Se extrae calor. El sistema recibe trabajo. GIRALDO T. 15

16 P BC. El gas hace un trabajo expansivo sobre el medio al recibir calor. AB. No hay trabajo al no haber expansión ni compresión. Se adiciona calor. CD. El calor es extraído. No expansión ni compresión: no hay trabajo. DA. Ocurre una compresión del gas: hay trabajo sobre el sistema. V Figura 2. Diagrama PV para una máquina térmica mostrando los diferentes procesos. 16

17 AB. Incremento de presión sin cambio de volumen. Se adiciona calor. Para un gas ideal: P PV = nr T Con cambio de T y P T = P. V nr Q = nc v T V W=0 No hay cambio de volumen Figura 3. Proceso AB a volumen constante V1. 17

18 P Proceso de expansión a presión constante. El gas hace un trabajo: W = P 2 (V 2 V 1 ) El calor agregado: Q = nc p T V T = P. (V 2 V 1 ) nr Figura 5. BC. Proceso expansivo a Presión constante P 2. Figura 4. Proceso BC expansivo a presión constante P2. 18

19 P Proceso a volumen constante W = 0 El calor extraído del gas: V Q = nc v T T = V 2. (P 1 P 2 ) nr Figura 5. Proceso CD a volumen constante V2. Hay cambio de presión de P2 a P1 (P1-P2). 19

20 P Proceso compresivo a presión constante Sobre el gas se hace un trabajo: V W = P 1 (V 1 V 2 ) El calor agregado: Q = nc v T T = P 1. (V 1 V 2 ) nr VER ANIMACIÓN EXPANSIVA Y COMPRESIVA PROCESO CUASIESTÁTICO Figura 6. Proceso compresivo a presión constante P1. GIRALDO T. 20

21 Otro ejemplo en el siguiente diagrama para un ciclo de un motor térmico menos idealizado, está compuesto por los siguientes procesos: De 1 a 2 ocurre un proceso isocórico mediante adición de calor al sistema. No hay trabajo. Entra calor al sistema. GIRALDO T. 21

22 Q agregado Trabajo de expansión adiabático Trabajo de comprensión Q extraído Figura 7. Diagrama PV para un ciclo de un motor térmico: dos procesos adiabáticos y dos isocóricos. 22

23 De 2 a 3 ocurre un proceso expansivo adiabático. El sistema hace un trabajo. Hay por tanto trabajo. De 3 a 4 ocurre un proceso isocórico compresivo mediante extracción de calor al sistema. No hay por tanto trabajo. Sale calor del sistema. De 4 a 1 ocurre un proceso compresivo adiabático. El sistema recibe trabajo. 23 GIRALDO T.

24 2. Modelo de reserva de energía En este modelo se tienen en cuenta los flujos de energía con sus direcciones para las energías de entrada y salida: calor Q entrada y trabajo W entrada GIRALDO T. 24

25 Foco caliente Q ent Foco frio Figura 8. Diagrama de un modelo de reserva de energía. 25

26 Convención para un proceso en un ciclo de un motor térmico W ABA =(+W AB -W BA ) Figura 9. En un diagrama PV, si se va de A hasta B por la curva superior (sentido horario), disminuye la Presión pero el Volumen aumenta (una expansión). El proceso AB queda descrito por la curva superior AB y por convención el trabajo W se considera +. El proceso total se considera ABA, el cual incluye BA. 26

27 Si se va de B hacia A, la P aumenta pero el V disminuye (una compresión). Curva inferior. El trabajo se considera -W. Por tanto el trabajo total para ir y volver a A W ABA, se representa solo por el área entre las dos curvas. Esta área es la suma algebraica de las dos áreas con su respectivo signo. (+W AB -W BA ) esta diferencia es +. (WAB es mayor que WBA). GIRALDO T. 27

28 Todo trabajo de expansión se considera +W. Y todo trabajo de compresión se considera -W. El estudioso se preguntará porque se cambia de convención con respecto a las anteriores presentaciones de la primera ley. Es solo por funcionalidad. También se podría seguir la anterior, siempre y cuando se tenga presente y se respete su significado. GIRALDO T. 28

29 Convención para la dirección del recorrido en un ciclo Los ciclos que representan el funcionamiento de motores térmicos se recorren en sentido horario. Los ciclos que representan el funcionamiento de los refrigeradores son recorridos en sentido antihorario. GIRALDO T. 29

30 Convención de signos para Mores térmicos: +W ABA Desde el punto de vista del uso para un sistema externo en un motor térmico, el trabajo producido es positivo W+. Se genera potencia. Desde el punto de vista del ciclo, el trabajo será negativo porque se pierde energía para el sistema. GIRALDO T. 30

31 Se tomará de referencia el primer criterio de +W ABA, reforzado además porque el trabajo de expansión es mayor que el trabajo de compresión y por tanto la diferencia es +. GIRALDO T. 31

32 El trabajo realizado por el gas en la figura 10 1a) para ir de A hacia B es +W y es toda el área bajo la curva superior AB. El trabajo realizado por el gas en la figura 10 1a a) para ir de B hacia a es - y es área bajo la curva BA inferior. El trabajo total es el resultado de la suma de las dos áreas con su respectivo signo: + (+W AB - W BA ) y es positivo. GIRALDO T. 32

33 Máquina térmica Refrigerador a) b)

34 El caso de la figura 10 b) corresponde a un refrigerador y se recorre en sentido antihorario. Si se parte de A por la curva inferior se llega a B, luego a partir de B se llega a A. El trabajo realizado es: W AB - W BA = W BA + W AB, el cual es negativo por ser mayor W BA GIRALDO T. 34

35 El signo es solo convencional. En este caso de los ciclos y para estar de acuerdo con algunas fuentes termodinámicas, se usará el singo +W para el trabajo de las máquinas o motores térmicos. Y trabajo negativo W (negativo) para los refrigeradores por tener que inyectarles W eléctrico para que funcionen. GIRALDO T. 35

36 De la Figura 10 5 también se puede comprobar que el trabajo realizado por un gas depende de la trayectoria que se realiza para ir desde el estado inicial al estado final, no del estado inicial ni final. Cuando un gas experimenta más de una transformación, el trabajo total es la suma del trabajo (con su signo) realizado por el gas en cada una de ellas. GIRALDO T. 36

37 Máquina térmica Refrigerador a) b) Figura En el primer caso a) se tiene un motor térmico que da o realiza trabajo +, (el trabajo se considera +). En el segundo caso un refrigerador que recibe trabajo para poder transferir calor de un foco frio a uno caliente, el trabajo es -.W. GIRALDO T. 37

38 Para referirse al foco caliente o cualquier otra energía calórica de entrada se usa Q entrada, si fuera trabajo sería W entrada. Para referirse al foco frio o cualquier otra energía calórica de salida se usa Q salida, si fuera trabajo sería W salida Q entrada, Q salida, W salida, W salida como tales se consideran en valor absoluto. GIRALDO T. 38

39 Y la dirección del flujo de energía esta predeterminado también por la Segunda Ley dela Termodinámica. Va del foco caliente al frio. GIRALDO T. 39

40 Figura Direcciones de Flujo de calor y Energía en forma de trabajo en un motor térmico. CÓMO FUNCIONA UN FRIGORÍFICO GIRALDO T. 40

41 Ŋ= T ent T ent T sal Figura Direcciones del Flujo de calor y Energía en forma de trabajo en un refrigerador ideal. Eficiencia de un refrigerador. GIRALDO T. 41

42 La dirección la determina el sentido horario o antihorario. GIRALDO T. 42

43 BILIOGRAFÍA n_y_a_presi%c3%b3n_const vp4/s1600/refrigerador+1.png ance+de+energia+ciclo&source=bl&ots=ramrvfu9-p&sig=wfzqg40hpkpjus99- evx0-3keg8&hl=es&sa=x&ved=0ahukewi988- bgnfjahujzcykhbvhdjmq6aeijzae#v=onepage&q=balance%20de%20energia%2 0ciclo&f=false 43