Fundamentos de Termodinámica: Leyes, Procesos y Ciclos Clave

Principios de la Termodinámica

Principio Cero de la Termodinámica

Establece el concepto de equilibrio térmico. Es la base fundamental para la medida de temperaturas mediante termómetros. Si dos sistemas aislados A y B se ponen en contacto térmico, acaban alcanzando el equilibrio térmico. Si un sistema A está en equilibrio térmico con un sistema B, y B está en equilibrio térmico con un sistema C, entonces C y A también están en equilibrio térmico.

Primera Ley de la Termodinámica

También conocida como el principio de conservación de la energía, establece que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Segunda Ley de la Termodinámica

Indica la dirección en la que ocurren los procesos termodinámicos y establece límites a la eficiencia de la conversión de calor en trabajo. Implica que el calor fluye espontáneamente de una región de mayor temperatura a otra de menor temperatura, y que no es posible construir una máquina térmica cíclica cuyo único efecto sea transferir calor de un foco frío a uno caliente sin aporte de trabajo externo, ni una cuyo único efecto sea convertir íntegramente el calor absorbido en trabajo.

Procesos Termodinámicos

• Proceso Isobárico: La presión se mantiene constante durante todo el proceso.
• Proceso Isotérmico: La temperatura se mantiene constante durante todo el proceso.
• Proceso Isométrico (o Isocórico): El volumen se mantiene constante durante todo el proceso.
• Proceso Adiabático: No hay intercambio de calor entre el sistema y su entorno (Q=0).

Conceptos Fundamentales

Energía

Capacidad para realizar un trabajo. Su unidad en el Sistema Internacional es el Julio (J).

Potencia

La rapidez con la cual se efectúa trabajo o se transfiere energía en el tiempo. Potencia = Energía / Tiempo. Su unidad en el SI es el Vatio (W), que equivale a J/s.

Trabajo

Se realiza trabajo cuando una fuerza actúa a lo largo de una distancia. El trabajo realizado es el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento por la magnitud del desplazamiento (dW = F · dx). Es una forma de transferencia de energía que aparece en la frontera del sistema.

Calor

Forma de energía transferida espontáneamente entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. El intercambio de calor siempre se produce desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Es una cantidad transitoria que aparece en la frontera del sistema debido a una diferencia de temperaturas.

Leyes de los Gases Ideales

• Ley de Boyle-Mariotte: Para una cierta cantidad de gas a temperatura constante (proceso isotérmico), el producto de la presión (P) y el volumen (V) se mantiene constante (P * V = constante).
• Ley de Gay-Lussac: Para una cierta cantidad de gas a volumen constante (proceso isocórico o isométrico), el cociente entre la presión (P) y la temperatura absoluta (T) es constante (P / T = constante).
• Ley de Charles: Para una cierta cantidad de gas a presión constante (proceso isobárico), el cociente entre el volumen (V) y la temperatura absoluta (T) permanece constante (V / T = constante).

Ciclos Termodinámicos

Ciclo Rankine Simple Ideal

Ciclo fundamental para las centrales de vapor. Si el fluido de trabajo pasa a través de los diversos componentes sin irreversibilidades y sin transferencia de calor no deseada al entorno, los procesos en la turbina y la bomba son isoentrópicos.

1. Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo (vapor) a través de la turbina, desde el estado 1 (alta presión y temperatura) hasta la presión del condensador (estado 2).
2. Proceso 2-3: Transferencia de calor desde el fluido de trabajo a presión constante en el condensador, condensándose hasta líquido saturado (estado 3).
3. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica en la bomba hasta la presión de la caldera (estado 4, líquido comprimido).
4. Proceso 4-1: Transferencia de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera, evaporándolo y calentándolo hasta el estado 1, completando el ciclo.

Ciclo Otto Ideal

Modelo termodinámico para motores de encendido por chispa.

1. Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del aire (o mezcla aire-combustible).
2. Proceso 2-3: Adición de calor a volumen constante (simula la combustión), mientras el pistón está en el punto muerto superior (PMS).
3. Proceso 3-4: Expansión isoentrópica (carrera de potencia).
4. Proceso 4-1: Cesión de calor a volumen constante, mientras el pistón está en el punto muerto inferior (PMI), devolviendo el aire a su estado inicial.

Ciclo Diesel Ideal

Modelo termodinámico para motores de encendido por compresión. Supone que la adición de calor ocurre durante un proceso a presión constante.

1. Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del aire.
2. Proceso 2-3: Adición de calor a presión constante (simula la inyección y combustión del diésel), que comienza cuando el pistón está en el PMS y continúa durante parte de la carrera de expansión.
3. Proceso 3-4: Expansión isoentrópica (resto de la carrera de potencia).
4. Proceso 4-1: Cesión de calor a volumen constante, mientras el pistón está en el PMI. Este proceso sustituye termodinámicamente a los procesos de admisión y escape de los motores reales.