Fundamentos de Termodinámica Aplicada: Refrigeración, Motores y Ciclos Termodinámicos

Fundamentos de Termodinámica Aplicada

Para mantener frío un refrigerador se necesita un suministro continuo de energía y un método para disipar calor. Existen dos tipos de refrigeradores: de compresión y de absorción.

Un motor de dos tiempos funciona así: cuando la lumbrera de admisión se abre, ingresan los gases; luego, el pistón baja. Después, este sube, subiendo también la temperatura (T) y la presión (P), mientras que el volumen (V) baja. Al llegar arriba, se genera la explosión. Los gases se expanden y el pistón baja. Se abre la válvula de escape y la mezcla se libera.

Motor de Cuatro Tiempos

1. Admisión: Válvula de admisión abierta, pistón baja (proceso isobárico).
2. Compresión: Válvulas cerradas, pistón sube.
3. Explosión y Expansión: Se produce la explosión, pistón baja (volumen constante y proceso adiabático).
4. Escape: Válvula de escape abierta, pistón sube, gases salen (proceso isométrico).

Elementos de una Máquina de Vapor

Caldera, motor, válvula de seguridad y regulador de contrapeso giratorio.

Ciclo de Carnot

Compresión isotérmica y adiabática, expansión isotérmica y adiabática.

Principios de la Termodinámica

1. Principio Cero: Si dos sistemas están en equilibrio térmico independientemente con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí.
2. Primer Principio: En toda relación entre calor (C) y trabajo (L), la cantidad de calor entregado a un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema y a la variación de su energía interna (Ei).
3. Segundo Principio: Una máquina no puede tener una eficiencia (η) del 100%. Es imposible crear una máquina que funcione con una sola fuente.
4. Tercer Principio: Podemos acercarnos tanto como queramos al cero absoluto, pero nunca alcanzarlo.

Una turbina tiene una eficiencia máxima de aproximadamente el 20%.

Tiempos de una Máquina de Vapor

1. Admisión: Entrada de vapor a alta presión.
2. Expansión: Válvulas cerradas, movimiento del pistón.
3. Expulsión: Descenso brusco de la presión por la apertura de la válvula de escape.
4. Compresión: Vapor completamente comprimido, cilindro listo para un nuevo ciclo.

En un proceso adiabático, la variación de la energía interna se transforma totalmente en trabajo, no hay traspaso de energía.

En una máquina de vapor, el pistón llega al extremo y, para hacerlo volver, es necesario desalojar el vapor mediante una válvula.

La eficiencia del ciclo de Carnot depende de las temperaturas absolutas de las fuentes.

Una turbina de gas tiene una cámara de combustión.

El motor de explosión tiene ventajas como menor peso y volumen.

El proceso isobárico se usa para calentar el gas y realizar trabajo.

El motor de explosión libera gran cantidad de energía, forma una mezcla explosiva con aire y produce una explosión interna.

Si las temperaturas T1 y T2 se igualan, la eficiencia es 0 en el ciclo de Carnot.

Una máquina térmica es un aparato que transforma calor en trabajo, y viceversa.

En un proceso isométrico, el calor se emplea para calentar el gas.

Fórmulas Clave

Qp = cv ∙ m ∙ Δt // Qp = L + Qv

Qv = cv ∙ m ∙ Δt

ΔE = Q - L = Qv // ΔE = F ∙ d, Δt = (F ∙ d) / (cv ∙ m)

L = p ∙ Δv // L = Qp - Qv // L = 2,3 ∙ n ∙ R ∙ t ∙ log (V2 / V1) // L = cp - cv

T = PV / nR R = 0,082 atm ∙ lt / mol ∙ K

n = m / PM // η = L / Q ∙ 100% // η = (T1 - T2) / T1 ∙ 100%

Procesos Termodinámicos

Isométrica (V cte): (P1 / P2) ∙ (T1 / T2)

Isotérmica (T cte): P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2

Isobárica (P cte): (V1 / V2) ∙ (T1 / T2)

Adiabática (no hay traspaso de energía)