Conceptos Clave de Termodinámica: Procesos, Energía y Rendimiento

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica es el cociente entre la energía térmica recibida (o cedida) por un sistema y su variación de temperatura.

Procesos Termodinámicos

Proceso Reversible

Un proceso reversible es aquel en el que tanto el trabajo interno (Wr) como el trabajo mecánico (Wm) son cero. Para que una transformación termodinámica sea reversible, basta con que el trabajo interno sea cero.

Proceso Irreversible

Un proceso irreversible es aquel en el que se provoca una destrucción de exergía, transformándose en anergía. La exergía destruida se transfiere al medio ambiente en forma de calor.

Procesos Equivalentes

Dos procesos para la misma transformación termodinámica son equivalentes cuando generan la misma anergía, es decir, tienen el mismo grado de irreversibilidad.

Irreversibilidad Interna y Externa

• Irreversibilidad interna: Asociada al trabajo interno (Wr).
• Irreversibilidad externa: Asociada al trabajo mecánico (Wm).

Exergía y Anergía

• Exergía: Fracción de la energía que puede convertirse en trabajo mecánico.
• Anergía: Fracción de la energía que NO puede convertirse en trabajo mecánico.

Exergía destruida: Es igual al incremento de anergía en un sistema (anergía generada). Se calcula en función de la entropía generada, multiplicando esta por la temperatura ambiente: EXd = Sg * Ta.

Exergía de un sistema cerrado: Es el máximo trabajo que podría obtenerse de dicho sistema al llevarlo a las condiciones del medio ambiente, sin que intervenga ningún otro sistema.

Rendimiento Exergético: Cociente entre la exergía contenida en la utilidad deseada del equipo analizado y la exergía empleada para conseguirlo.

Entropía

La entropía (S) es una propiedad de estado que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para producir trabajo. Es una magnitud extensiva y se mide en J/kgK.

Motores Térmicos

Un motor térmico es una máquina térmica que transforma calor en trabajo. Un fluido realiza un ciclo recibiendo calor de un foco a elevada temperatura, extrayendo trabajo de ese calor y cediendo calor a un foco de menor temperatura (normalmente la temperatura ambiente, Ta). Si es reversible, separa la exergía de la anergía si la temperatura del foco frío es la del medio ambiente.

Motor Térmico Reversible

Para que un motor sea reversible, debe tener reversibilidad interior (Wr=0), exterior (Wm=0) y térmica (EXd=0). Requiere aportes y cesiones de calor a través de isotermas, y el paso de una isoterma a otra debe ser a través de una adiabática (ciclo de Carnot).

Rendimiento térmico: Cociente entre el trabajo obtenido en el ciclo y el calor aplicado al mismo.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo térmico reversible, el de máximo rendimiento posible, compuesto por dos isotermas y dos adiabáticas.

Procesos de Derrame y Trabajo

• Proceso de derrame: Proceso termodinámico estacionario en un sistema abierto en el que el trabajo técnico es nulo (toberas, difusores, etc.).
• Procesos de trabajo: Proceso termodinámico estacionario en un sistema abierto en el que el trabajo NO es nulo (turbinas, bombas, etc.).

Velocidad del Sonido

La velocidad del sonido de un gas es la velocidad a la que se propaga una onda sonora, que es una pequeña perturbación de la presión. Depende de las propiedades del medio. La velocidad del sonido en un gas permite clasificar los flujos a través de la adimensionalización de la velocidad del flujo con la velocidad sónica, mediante el número de Mach (velocidad del flujo / velocidad sónica en ese medio).

Tobera y Difusor

• Tobera: Conducción de sección variable en la que el fluido que circula por ella aumenta su velocidad y disminuye su presión.
• Difusor: Conducción de sección variable en la que el fluido que circula por ella disminuye su velocidad y aumenta su presión.

Estado de Remanso

El estado de remanso es el estado que se obtiene si el fluido es decelerado isoentrópicamente hasta c=0. Es el estado de referencia en la evaluación de propiedades en procesos de derrame.

Título (en sistemas bifásicos)

El título es la fracción de vapor que tiene un sistema bifásico. Es la masa de vapor dividida por la masa total del sistema.