Sentido natural de los procesos

Transcripción

1 Sentido natural de los procesos

2 Sentido natural de los procesos H H H H H H H H O O O O H O H O H H H O H O H H H H H H H H H H O O O O H O H O H H O H H H O H dos volumenes de H un volúmen de O dos volumenes de moléculas de agua

3 Sentido natural de los procesos sustancia a temperatura elevada T 1 Q sustancia a temperatura fría T 2

4 Sentido natural de los procesos Degradación de la energía Energía mecánica energía química energía eléctrica Energía cinética molecular calor Procesos naturales tienden a estados de mayor probabilidad Procesos reversibles (isotérmicos, adiabáticos, isocoros, isobáricos). Son ideales Procesos irreversibles (disipativos). reales

5 Entropía (S) (transformación) Es una cantidad térmica simple que expresa con propiedad el cambio en la probabilidad del estado del sistema cuando se introduce calor (Rudolf Clausius. 1865) S Nklnw N: nro de partículas k=cte de Boltzman w: probabilidad del estado Es una función de estado E=E(P,,T,U,S)

6 Segunda ley de la termodinámica En los procesos reversibles ds Q T El cambio en la entropía es el cociente entre el calor intercambiado y la temperatura absoluta en el intervalo de intercambio En el universo, la entropía siempre aumenta.

7 Segunda ley de la termodinámica 1g de hielo a 0ºC se funde cal 1gx80 mlf g cal S 0,29 T 273K K J J S 0,29x4,18 1,21 K K J S 1,21 K

8 Segunda ley de la termodinámica ds ds En un proceso reversible la suma de los cambios de entropía del ambiente y el sistema es nula ds ds En un proceso irreversible la entropía del ambiente y el sistema aumenta ds 0 U La entropía del universo está siempre en aumento

9 Segunda ley de la termodinámica Clausius No existe un ciclo en el que se transfiera calor de una fuente fría a una fuente caliente No es posible

10 Segunda ley de la termodinámica Kelvin Planck No es posible No se puede transformar totalmente en trabajo el calor tomado de una fuente caliente

11 Máquinas térmicas No es posible (violación de enunciado de Kelvin Planck) es posible Móvil perpetuo de segunda especie

12 Máquinas térmicas es posible No es posible (violación de enunciado de Clausius) Móvil perpetuo de segunda especie

13 Rendimiento de una Máquina térmica W Q Q Q e 1 Q Q Q

14 Rendimiento de una Máquina térmica e Q1 Q1 W Q Q 1 2

15 Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824 P 1, 1,T 1 P 2, 2,T 1 a b 2 1 Q d P 4, 4,T c P 3, 3,T 2 Q 2

16 Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824 P P 1 T 2 a Q 1 P 2 W b P 4 P 3 d Q c T 1

17 Q e 1 2 Q1 Ciclo de Carnot Sadi Carnot, Q1 du W W nrt1ln Q du W W 2 Q2 nrt2 ln nrt2 ln nrt2ln T2ln 4 4 e nrt1 ln T1 ln P 1 P 2 P 4 P 3 P T 2 a d W Q 1 b Q c T 1

18 T T T T Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824 P 1 P T 2 a Q 1 T T T 1 1 T P 2 P 4 P 3 d W b Q c T 1

19 Ciclo de Carnot Sadi Carnot, 1824 e 1 T ln T1 ln 1 P 1 P 2 P T 2 a W Q 1 b e 1 T ln P 4 P 3 d Q T1 ln T 1 2 e 1 T 1 c T 1

20 Ciclo Otto y Diesel P P Q 1 P 3 c P 2 b c P 4 P 2 P 1 Q 1 b W d a Q 2 P 3 P 1 W d a Q

21 CICLO OTTO Máquinas de encendido de chispa.

22 Características El ciclo no implica fricción. Procesos de expansión y compresión se dan en forma de cuasi equilibrio. Las tuberías aisladas (pérdida de calor despreciable). Aire Estándar El fluido de trabajo es aire y se comporta como un gas ideal. Todos los procesos internos reversibles. La combustión se sustituye por un proceso de adición de calor externo. El proceso de escape se sustituye por un proceso de rechazo de calor.

23 Fases del Ciclo Otto: Admisión. Compresión. Combustión (carrera de fuerza). Escape.

24 Admisión: La válvula de admisión se abre y se aspira una carga de aire y combustible a una presión, teóricamente, igual a la atmosférica, provocando el descenso del pistón. La válvula de escape permanece cerrada. En el ciclo real la presión del gas durante la aspiración es inferior a la presión atmosférica, por lo tanto, el cierre de la válvula de admisión se produce después que el pistón llega al extremo inferior de su carrera, es decir, se prolonga el período de admisión y entra en el cilindro la máxima cantidad de mezcla de aire y combustible. Compresion: No existe intercambio de calor entre el gas y las paredes del cilindro. La válvula de admisión y la de escape están cerradas y el pistón comienza a subir, comprimiendo la mezcla que se vaporiza. En el ciclo real, el gas cede calor al cilindro, por consiguiente el gas se enfría y adquiere menos presión.

25 Combustion: Ambas válvulas permanecen cerradas. Al llegar el pistón a la parte superior de su carrera, el gas comprimido se inflama por la chispa de la bujía. La combustión de toda la masa gaseosa es instantánea, por lo tanto el volumen no variará, y la presión aumentará rápidamente. En el ciclo real la combustión no es instantánea y el volumen de la mezcla va variando mientras se propaga la inflamación. Expansion: El gas inflamado empuja al pistón. Durante la expansión, no hay intercambio de calor, al aumentar el volumen, la presión aumenta. El aumento de la temperatura en el interior del cilindro durante la combustión produce, en la expansión, que los gases cedan calor al cilindro y se enfrían, dando como resultado una presión menor.

26 Escape: Cuando el pistón se encuentra en el extremo inferior de su recorrido, la válvula de admisión permanece cerrada y se abre la de escape, disminuyendo rápidamente la presión, sin variar el volumen interior. Luego manteniéndose la presión igual a la atmosférica, el volumen disminuye. En la realidad el escape no se hace instantáneamente, sino que en este período los gases tienen aún una presión superior a la atmosférica.

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28 Ciclo Otto P 3 P c Q e 1 2 Q1 P 4 P 2 P 1 Q 1 b W d a Q 2 Q nc (T T ) 1 v c b Q nc (T T ) nc (T T ) 2 v a d v d a 2 1 e 1 nc ( T T ) v nc (T d a T ) v c b

29 Ciclo Otto P 3 P 4 P 2 P 1 P Q 1 b c W d a Q 2 T 1 1 a 1 b nc v( Tc 1 Tb ) 1 1 e 1 nc (T T ) v c b 1 c 2 2 d 1 (Tc T b) 1 e 1 (T T ) 1 Ta Tb T 1 b 1 T T T c b 2 2 T Tc T d 1 c

30 Ciclo Otto P 3 P 4 P 2 P 1 P Q 1 b c W d a Q 2 2 e 1 1 si 1, ,41 e 1 8 0,56

31 CICLO DIESEL CICLO IDEAL PARA LAS MAQUINAS DE ENCENDIDO POR COMBUSTIÓN Rudolf Diesel

32 Rudolf Diesel desarrolló la idea del motor diesel y obtuvo la patente alemana en El aire se comprime hasta una temperatura superior a la temperatura de autoencendido del combustible y la combustión inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente. No hay posibilidad de autoencendido, ya que el aire solo se comprime durante el tiempo de compresión Ciclo ideal se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante

33 DIFERENCIAS Diesel & Gasolina Un motor a gasolina succiona una mezcla de gas y aire, los comprime y enciende la mezcla con una chispa. Un motor diesel sólo succiona aire, lo comprime y entonces le inyecta combustible al aire comprimido. El calor del aire comprimido enciende el combustible Espontáneamente. Un motor diesel utiliza mucha más compresión que un motor a gasolina. Un motor a gasolina comprime a un porcentaje de 8:1 a 12:1, mientras un motor diesel comprime a un porcentaje de 14:1 hasta 25:1. La alta compresión se traduce en mejor eficiencia. Los motores diesel utilizan inyección de combustible directa, en la cual el combustible diesel es inyectado directamente al cilindro. Los motores a gasolina generalmente utilizan carburación en la que el aire y el combustible son mezclados un tiempo antes de que entre al cilindro, o inyección de combustible de puerto en la que el combustible es inyectado a la válvula de succión (fuera del cilindro). La eficiencia de los motores diesel, que en general depende de los mismos factores que los motores Otto, es mayor que en cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 revoluciones por minuto (rpm o r/min), mientras que los motores Otto trabajan de a rpm. No obstante, algunos tipos de motores diesel pueden alcanzar las rpm. Como el grado de compresión de estos motores es de 14 a 1, son por lo general más pesados que los motores Otto, pero esta desventaja se compensa con una mayor eficiencia y el hecho de que utilizan combustibles más baratos.

34 Applet

35 Note que el motor diesel no tiene bujía, se toma el aire y lo comprime, y después inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión (inyección directa). Es el calor del aire comprimido lo que enciende el combustible en un motor diesel. En esta animación simplificada, el aparato verde pegado al lado izquierdo del cilindro es un inyector de combustible. El inyector debe ser capaz de resistir la temperatura y la presión dentro del cilindro y colocar el combustible en un fino rocío. Mantener el rocío circulando en el cilindro mucho tiempo, es un problema, así que los motores diesel de alta eficiencia utilizan válvulas de inducción especiales, cámaras de precombustión u otros dispositivos para mezclar el aire en la cámara de combustión y para que por otra parte mejore el proceso de encendido y combustión.

36 Un motor diesel siempre inyecta su combustible directamente al cilindro, y es inyectado mediante una parte del choque de poder. Esta técnica mejora la eficiencia del motor diesel con respecto a la del motor de gasolina. Cuando el motor diesel está frío, el proceso de compresión no debe elevar el aire a una temperatura suficientemente alta para encender el combustible.