Principios de Sistemas Abiertos y Termodinámica

Primera Ley: Sistemas Abiertos

En estos sistemas hay flujo de masa y energía.

Flujo de Masa: Cantidad de masa que fluye por un sistema por unidad de área, volumen y tiempo. En sistemas abiertos, se conserva la masa. Si el fluido es incomprensible, la densidad a la entrada es igual a la salida.

Trabajo de Flujo: Trabajo realizado por el fluido para desplazarse por el sistema. Por conservación de energía, las energías de ingreso deben ser iguales a las de salida.

Entalpía: Propiedad termodinámica que muestra las variaciones energéticas en un proceso entre la entrada y salida de un sistema abierto. Es una propiedad exacta, depende solo de la entrada y salida.

Equipos que Operan a Flujo Permanente

a) Caldera: Suministra calor a un fluido (generalmente agua) para elevar su temperatura o vaporizarlo. Es estático y no realiza trabajo.

b) Turbina de Gas o Vapor: Recibe un fluido a alta presión y energía, que se expande realizando trabajo al eje.

c) Compresores y Bombas: Elevan la presión del fluido de trabajo continuamente.

d) Tobera: Acelera un fluido por la disminución del área y la caída de presión, sin realizar trabajo pero con pérdida de calor.

e) Válvulas: Regulan el flujo, con caída de presión. No hay calor ni trabajo, proceso isoentálpico.

Ciclos Termodinámicos

a) Ciclo de Trabajo

Transforma calor en trabajo en una máquina térmica (motor).

Características

• El sistema recibe calor a altas temperaturas.
• Rechaza calor a bajas temperaturas.
• Entrega trabajo al ambiente.

Planta de Energía

Aspectos: Eficacia (costos) y Eficiencia (rendimiento).

Rendimiento de la Planta: Trabajo neto / Calor absorbido.

Potencia Desarrollada: Trabajo Neto x frecuencia del ciclo.

Poder Calorífico: Energía absorbida / Masa consumida.

b) Ciclo de Refrigeración

Transforma calor de baja a alta temperatura usando trabajo (refrigeradores, bombas de calor).

Características

• Recibe calor a baja temperatura.
• Rechaza calor a alta temperatura.
• Requiere trabajo extra.

Nota: No tienen eficiencia, sino Coeficiente de Operación (COP): Salida deseada / Trabajo neto.

Segunda Ley Termodinámica

Describe el sentido espontáneo de los procesos y mide la calidad de la energía.

Reconoce la unidireccionalidad de la transferencia de calor y la transformación del trabajo en calor.

Entropía: Desorden, optimiza procesos considerando reversibilidad/irreversibilidad.

Proceso Irreversible: Etapa con mismas características en ambos sentidos o equilibrio termodinámico.

Equilibrio Termodinámico

• Sin cambios mecánicos por variación de presión.
• Sin reacciones químicas, volumen constante.
• Equilibrios térmicos, temperatura constante.

Procesos Irreversibles: Causados por irreversibilidades internas (fricción, combustión) o externas (térmicas, mecánicas).

Enunciado de Clausius: El calor no se transfiere espontáneamente de frío a caliente sin trabajo externo.

Enunciado de Kelvin-Planck: Ninguna máquina convierte todo el calor en trabajo, cede parte a menor temperatura.

Ciclo de Carnot: Basado en 4 procesos reversibles (2 adiabáticos, 2 isotérmicos), determina rendimientos térmicos.

Entropía: Función de estado que describe las irreversibilidades. En procesos sin intercambio de calor, la entropía es constante (isoentrópicos).