Master Universitario de Ingeniería Ambiental (Universidad de Huelva)Junio 2005

MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

5. Máquinas Térmicas

Trabajo

Máquinas Térmicas

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

Calor

Trabajo Mecánico

Trabajo Eléctrico

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

5. Máquinas Térmicas

• Definición: “sistema cerrado que opera de forma cíclica intercambiando (absorbiendo o cediendo) trabajo y calor con una o varias fuentes de trabajo y calor, respectivamente”

Fuente de calor

Fuente de calor

Fue

nte

de c

alor

Fuente de T

rabajoQ+

Q-

Q-

W+

Sistema Cerrado

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5. Máquinas Térmicas

Tipos de Máquinas Térmicas

Motor térmico

Fuente de calorTf

Fuente de calorTc

Qc

Qf

W

Bomba térmica Refrigerador

Fuente de calorTf

Fuente de calorTc

Qc

Qf

W

Fuente de calorTf

Fuente de calorTc

Qc

Qf

W

dasuministra

obtenida

E

ERendimiento (eficiencia):

c

f

Q

Q

Q

W 1

c

netofc

ccbomba - QQ

Q

W

QCOP

fc

ffrefrig - QQ

Q

W

QCOP

0 = Qc + Qf – W

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5. Máquinas Térmicas

Máquina de Carnot

• Dependiendo del carácter reversible o irreversible de los procesos involucrados en el ciclo, las máquinas térmicas se clasifican respectivamente en reversibles o irreversibles.

• La máquina de Carnot es una máquina térmica reversible que opera mediante ciclos de Carnot.

• Se define el ciclo de Carnot como un ciclo ideal totalmente reversible en el cual se realizan consecutivamente los siguientes procesos: compresión isoterma, compresión adiabática, expansión isoterma, expansión adiabática.

(1796-1832)

p

V

1

2T=cte.

QH

p

V

3

1

2T=cte.

Q=0

p

V

34

1

2

T=cte

T=cte.

Q=0

QL

• Al ser la máquina de Carnot totalmente reversible, ésta podrá trabajar indistintamente como motor o como bomba o refrigerador

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

6. Segundo Principio de la Termodinámica

• El Principio Cero establece la existencia de una propiedad llamada Temperatura

• El Primer Principio establece la existencia de una propiedad llamada Energía

• El Principio de Conservación de la Energía establece que la Energía siempre se conserva

¿Cuál es el sentido en el que evolucionan los procesos?

• El Segundo Principio establece la existencia de una propiedad llamada Entropía y el sentido de evolución de los procesos

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

6. Segundo Principio de la Termodinámica

Enunciado de Kelvin-Planck:

“No existe ningún proceso cuyo único resultado sea la completa conversión de calor en trabajo”.

Consecuencias: No existe ningún motor térmico con un rendimiento del 100 %

¿Es posible la completa conversión de trabajo en calor?

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

6. Segundo Principio de la Termodinámica

Enunciado de Clausius:

“No existe ningún proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un sistema a otro con mayor temperatura”.

(1822-1888)

Consecuencias: La transferencia de calor es un proceso Irreversible.

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6. Segundo Principio de la Termodinámica

Teorema de Carnot:

“No existe ninguna máquina térmica operando entre dos fuentes de calor que tenga mayor eficiencia que una máquina de Carnot operando entre esas dos mismas fuentes de calor ”.

Corolario de Carnot:

“Todas las máquinas térmicas reversibles operando entre las dos mismas fuentes de calor tienen igual eficiencia térmica ”.

Carnot

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

6. Segundo Principio de la Termodinámica

Consecuencias:

El calor transferido desde o hacia las fuentes de calor por un ciclo reversible es proporcional a la temperatura de dichas fuentes.

Motor térmico

Fuente de calorTf

Fuente de calorTc

Qc

Qf

W

Bomba térmica Refrigerador

Fuente de calorTf

Fuente de calorTc

Qc

Qf

W

Fuente de calorTf

Fuente de calorTc

Qc

Qf

W

c

f

c

frev T

T

Q

Q 11

fc

crev

TT

T

QQ

QCOP

fc

c

-bomba fc

frev

TT

T

QQ

QCOP

fc

f

-refrig

REVERSIBLE

REVERSIBLE

REVERSIBLE

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

6. Segundo Principio de la Termodinámica

Ejemplo: Caldera (Tc = 1200 K)

Central Térmica

Río (Tf = 300 K)

Alternador

|Qc| = 1000 MW

|W| = 400 MW

¿Cuál es el rendimeinto térmico real?

¿Cuál sería el rendimiento térmico máximo posible?

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6. Segundo Principio de la Termodinámica

Teorema de Clausius :

“En cualquier proceso cíclico de un sistema, la suma total del calor absorbido Q pesada por la inversa de la temperatura T a la cual se cede dicho calor es menor o igual que cero ”:

0δ

T

QDesigualdad de Clausius

Consecuencias :

• Existe una función de estado S (ENTROPÍA) tal que en procesos reversibles se cumple:

• En general:

• Si el sistema es aislado (Q = 0):

2

1

rev12

δ

T

QSS

2

1

12δ

T

QSS

012 SS Principio de Incremento de Entropía

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

Capacidad de obtener un trabajo útil

7. Las Máquinas Térmicas y la Degradación de la Energía

• Enunciado K-P clasifica al trabajo y al calor como transferencias de energía de mayor y menor calidad.

• El trabajo aprovechable o útil que se puede obtener de una transferencia de calor, será mayor cuanto mayor sea la temperatura a la que se ceda el calor el calor cedido a mayor temperatura tiene mayor calidad.

La energía tiene cantidad y calidad

La obtención de trabajo útil entraña diferentes procesos de conversión energética:

• Las irreversibilidades destruyen la calidad de la energía.

• Aún en conversiones reversibles, si se opera de forma cíclica, parte de la energía entrante no se aprovecha.

Cada vez que la energía se transfiere se conserva y se degrada

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

7. Las Máquinas Térmicas y la Degradación de la Energía

¿Cómo podríamos cuantificar la degradación de la energía en un proceso? Asociamos concepto de

degradación con pérdida de capacidad de realizar trabajo.

Trabajo máximo ‘potencial’

capaz de desarrollar Trabajo real desarrollado

Trabajo perdido

Antes Después

Para poder cuantificar la pérdida de trabajo aprovechable en un proceso y compararlo con otros, se

introduce una nueva función de estado del sistema denominada EXERGÍA, Ex

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

IRREVERSIBILIDAD: - Trabajo perdido por rozamientos\irreversibilidades.- Magnitud extensiva.- No es función de estado.- I 0

7. Las Máquinas Térmicas y la Degradación de la Energía

Conceptos previos :

• Ambiente: región que rodea e interactúa con el sistema y que se mantiene siempre a T0 y p0 constantes.

• Estado Muerto: Estado del sistema en equilibrio termodinámico con el ambiente que le rodea.

• Sistema Combinado: Sistema + ambiente.

EXERGÍA: propiedad usada para determinar el potencial de trabajo útil de una cantidad de energía de un sistema en un determinado estado.

La exergía no representa el trabajo que un sistema realiza en la realidad, sino el máximo trabajo posible que se podría haber obtenido sin violar las leyes de la termodinámica

Wcomb = (E – U0) + p0(V – V0) – T0(S – S0) – I

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

Ex Wcomb, máx = (E – U0) + p0(V – V0) – T0(S – S0)

7. Las Máquinas Térmicas y la Degradación de la Energía

Es una función de estado del sistema

Para sistemas cerrados : Excerrado = E + p0 V – T0 S

Excerrado = Wcarnot + Wneto útil – I =

IVpWQT

Ttotal

][1 00

Trabajo para que el ambiente deje sitio al sistema en su expansión, no es aprovechable

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MÓDULO 7, Tema 2: Calor y Trabajo (G. López)

• Los motores térmicos reciben suministros de exergía de un consumo de combustibles fósiles o renovables.

• La destrucción y pérdida de exergía evitable representa un derroche de la utilidad potencial de dichos recursos energéticos.

• El desarrollo de nuevos equipos y la mejora del diseño de los ya existentes que reduzcan las fuentes de ineficiencia permitirá un mejor uso de las fuentes energéticas.