Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Exergía, Ciclos y Componentes

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Definiciones Básicas

• Sistema: Región del espacio objeto de estudio, limitada por fronteras (superficies reales o ficticias) a través de las cuales puede interactuar. Todo lo externo al sistema se considera el entorno o ambiente.
• Estado: Condición en la que se encuentra un sistema, definida por sus propiedades termodinámicas (también llamadas variables de estado).
• Proceso: Es una transformación que lleva al sistema de un estado inicial a un estado final.
• Ciclo: Es una secuencia de procesos que comienza y termina en el mismo estado.
• Propiedad: Características macroscópicas observables o medibles de un sistema, como la masa, volumen, energía, presión y temperatura. Sirven para describir el estado de un sistema.

Exergía: La Energía Utilizable

La exergía, o energía utilizable, representa el trabajo máximo que se puede obtener de un sistema cuando este interactúa con un ambiente determinado (focos térmicos) hasta alcanzar el equilibrio con dicho ambiente. El trabajo útil máximo está relacionado con el calor transferido y el rendimiento de Carnot.

Exergía asociada al Trabajo (W)

La magnitud de la transferencia de exergía asociada al trabajo (W) se evalúa como el máximo trabajo útil que podría obtenerse durante una interacción entre el sistema y el ambiente.

Trabajo útil máximo: W_útil = W - p₀ (V₂-V₁)

Donde W es el trabajo total, p₀ es la presión del ambiente y (V₂-V₁) es el cambio de volumen del sistema.

Exergía asociada al Calor (Q)

La magnitud de la transferencia de exergía que acompaña al calor (Q) es equivalente al trabajo máximo que podría realizarse suministrando dicho calor a un ciclo de potencia reversible que opera entre la temperatura de la fuente (T_f) y la temperatura del ambiente (T₀).

Exergía del calor: Ex_Q = (1 - T₀/T_f) * Q

Primer Principio de la Termodinámica

El valor del trabajo neto realizado por o sobre un sistema cerrado durante un proceso adiabático entre dos estados determinados depende únicamente de los estados inicial y final, y no de los detalles del proceso.

Matemáticamente, se expresa como la conservación de la energía:

ΔU = Q - W

(donde ΔU es el cambio en la energía interna, Q es el calor transferido al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema).

Segundo Principio de la Termodinámica y Ciclo de Carnot

Enunciados del Segundo Principio

• Enunciado de Kelvin-Planck (aplicado a motores térmicos): Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo cuyo único efecto sea absorber calor de una única fuente térmica y producir una cantidad neta de trabajo. (Nota: El trabajo sí puede convertirse íntegramente en calor).
• Enunciado de Clausius (aplicado a máquinas frigoríficas): Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor de un cuerpo más frío a uno más caliente sin aporte externo de trabajo.

Teorema de Carnot

Ningún motor térmico que opere entre dos focos térmicos dados puede tener una eficiencia (η) mayor que la de un motor de Carnot reversible operando entre los mismos dos focos.

Dispositivos Termoeléctricos y de Medición

Efecto Seebeck

Es la conversión directa de una diferencia de temperatura (ΔT) en electricidad (voltaje). Se genera un voltaje cuando existe una diferencia de temperatura (ΔT) entre las uniones de dos metales o semiconductores diferentes.

Termistor

Se basa en el principio de que la resistencia eléctrica de ciertos materiales (generalmente semiconductores) varía significativamente con la temperatura. Típicamente (para termistores NTC), el valor de la resistencia decrece exponencialmente al aumentar la temperatura.

La relación Resistencia-Temperatura a menudo se aproxima por: R = A * e^(B/T), donde T es la temperatura absoluta.

Termopar

Dispositivo formado por la unión de dos metales o semiconductores diferentes. Produce un voltaje (basado en el Efecto Seebeck) que es función de la diferencia de temperatura (ΔT) entre la unión de medición y una unión de referencia.

Componentes de Sistemas Termodinámicos

Tobera

Es un dispositivo diseñado para aumentar la velocidad de un fluido (líquido o gas) a expensas de su presión, generalmente mediante una reducción gradual de la sección transversal en la dirección del flujo.

Difusor

Es un dispositivo diseñado para aumentar la presión de un fluido a expensas de su velocidad, generalmente mediante un aumento gradual de la sección transversal en la dirección del flujo.

Turbina

Dispositivo que extrae energía de un fluido en movimiento (líquido o gas) y la convierte en trabajo útil, generalmente haciendo girar un eje mediante un sistema de álabes o paletas.

Ciclos Termodinámicos Avanzados

Ciclo de Turbina de Gas Regenerativo

En un ciclo de turbina de gas simple, los gases de escape que abandonan la turbina suelen tener una temperatura considerablemente mayor que la del aire ambiente. La regeneración aprovecha parte de la energía de estos gases calientes para precalentar el aire antes de que entre en la cámara de combustión (combustor). Esto reduce la cantidad de combustible necesario para alcanzar la temperatura deseada en la entrada de la turbina, aumentando la eficiencia del ciclo.

Ciclo Rankine Regenerativo

En el ciclo Rankine simple, todo el vapor se expande completamente en la turbina y luego se condensa, requiriendo una cantidad significativa de calor en la caldera para volver a convertir el líquido en vapor. En el ciclo Rankine regenerativo, se extrae (o "sangra") una parte del vapor de la turbina en etapas intermedias de la expansión. Este vapor extraído se utiliza para precalentar el agua de alimentación que va hacia la caldera (generalmente en calentadores de agua de alimentación). Al precalentar el agua, se reduce la cantidad de calor que debe suministrarse en la caldera procedente de la fuente externa (combustible), lo que aumenta la eficiencia térmica promedio del ciclo.