Termodinámica: Ciclos, Eficiencia y Entropía

Enunciado de Kelvin-Planck

El enunciado de Kelvin-Planck se basa en el funcionamiento de una máquina térmica o frigorífica. ¿Qué ocurriría si no fuera cierto?

Si no fuera cierto, se tendría una máquina perfecta sin pérdidas.

Máquinas Térmicas

¿Es posible desarrollar un ciclo de máquinas térmicas reversibles que sea más eficiente que un ciclo de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura?

No es posible. Ninguna máquina térmica que funcione entre dos focos térmicos dados puede tener mayor rendimiento que una máquina reversible que opere entre esos dos focos.

¿Cuáles son las deficiencias del ciclo de Carnot utilizando como fluido de trabajo el vapor de agua?

• Eficiencia limitada: La temperatura crítica máxima está limitada por la transferencia de calor al sistema de dos fases.
• Proceso 2-3: El contenido de humedad del vapor reduce la vida útil de los álabes.
• Proceso 4-1: La compresión de una mezcla (líquido-vapor) dificulta el control de la condensación.

Máquinas Térmicas: Ciclo Otto

Describa los procesos que conforman el ciclo Otto:

• Admisión: La válvula de admisión se abre, el pistón baja y la mezcla combustible-aire entra en el cilindro.
• Compresión: La válvula se cierra, el pistón sube y la mezcla de aire-combustible se comprime.
• Explosión: La bujía produce una chispa eléctrica, el combustible se inflama y empuja el pistón hacia abajo.
• Escape: La válvula de escape se abre, el pistón sube y expulsa los productos de combustión.

¿En qué tipo de encendido se basa su funcionamiento?

Máquina de encendido a chispa.

Para una misma relación de compresión, ¿qué motor posee mayor eficiencia: Otto o Diesel?

Rendimiento Otto > Rendimiento Diesel

¿En cuál de los ciclos se pueden utilizar relaciones de compresión mayores?

Diesel.

Entropía

Un gas ideal es sometido a un proceso entre dos temperaturas específicas, primero a presión constante y luego a volumen constante. ¿En cuál caso el gas ideal experimentará un cambio de entropía más grande?

La entropía es función de la temperatura, presión y volumen. Si la temperatura aumenta, la entropía también aumentará. A presión constante o volumen constante, con cambio de temperatura, la entropía cambiará. Si la temperatura permanece constante, a presión o volumen constante, la entropía permanecerá constante.

Un sistema se somete a un proceso entre dos estados fijos, primero de manera reversible y después de modo irreversible. ¿En cuál caso el cambio de entropía es mayor? ¿Por qué?

El cambio de entropía en un proceso irreversible es mayor. Para un proceso reversible, el cambio de entropía del sistema es cero. Sin embargo, para el universo, el cambio de entropía es cero.

Establezca cuándo ΔS del universo es negativo, cero o positivo para cada uno de los procesos:

• Positivo (+): Fusión reversible del hielo a 1 atm y 0°C (El cambio de entropía del universo es cero para procesos reversibles, pero positivo si consideramos la irreversibilidad del proceso de fusión a temperatura y presión constantes).
• Cero (0): Expansión adiabática reversible de un gas ideal.
• Positivo (+): Expansión isotérmica reversible de un gas ideal (El cambio de entropía del universo es cero para procesos reversibles, pero positivo si consideramos la irreversibilidad del proceso de expansión isotérmica).