APLICACIONES DE LA PRIMERA LEY DE LA

TERMODINAMICA

Transformación adiabática

Definición

• adiabático, ca. (De a-2 y diabático). adj. Fís. Se dice del recinto entre cuyo interior y exterior no es posible el intercambio térmico. || 2. Fís. Se dice de la transformación termodinámica que un sistema experimenta sin que haya intercambio de calor con otros sistemas.

AISLANTE TÉRMICO

GAS

Cuando un gas se expande adiabáticamente, efectúa trabajo pero no absorbe ni libera calor

Aplicando la primera ley de la termodinámica, ΔU = Q – T, a una transformación adiabática, como Q=0, vemos que

ΔU = -T

AISLANTE TÉRMICOAISLANTE TÉRMICO

Cuando un gas encerrado en un cilindro, cuyas paredes están hechas de un material aislante térmico. Debido a esto, si el gas se expande (o se comprime), no podría ceder ni recibir de su vecindad.

Una transformación como esta, en la cual el sistema no intercambia calor con su vecindad, es decir en la cual Q=0, se denomina transformación adiabática.

Transformación Isotérmica

Definición

• isotérmico, ca. adj. Se dice del proceso en que la temperatura permanece constante. || 2. Que mantiene la temperatura. Bolsa isotérmica. Prenda isotérmica.

Es cuando un gas absorbe cierta cantidad de calor Q y se expande realizando un trabajo T.

Si el trabajo que el gas realiza fuera igual al calor que absorbe, es decir, si Q = T, tendríamos, por la primera ley de la termodinámica.

∆U = Q – T donde ∆U = 0

El hecho de que la energía interna permanezca constante indica que la temperatura tampoco sufrió alteraciones, y por tanto, que el gas se expandió isotérmicamente.

Calorímetro

• El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

• Un termo de paredes dobles con vacío entre ellas es en principio un calorímetro aceptable para el rigor de nuestras experiencias. El termo se llama vaso Dewar y lleva el nombre del físico y químico escocés James Dewar pionero en el estudio de las bajas temperaturas.

Máquinas Termodinámica

¿Qué es una máquina térmica?

La primera máquina térmica

• Inventor Herón siglo I D.C

• No pudo ser empleada con fines prácticos para la producción de grandes cantidades de energía mecánica.

• Las primeras máquinas térmicas de vapor inventadas en el siglo XVIII, eran muy rudimentarias y tenían un rendimiento muy bajo; es decir, consumían una gran cantidad de combustible para producir un trabajo relativamente pequeño.

Máquinas térmicas

• 1769: J. Watt inventa la máquina de vapor.

• 1816: R. Stirling inventa el motor de aire caliente.

• 1839: J. Ericsson desarrolla varios modelos de motores de aire caliente

• 1876: N. Otto desarrolla el motor de combustión interna (a

gasolina)

• 1883: C. Laval desarrolla las turbinas de vapor

• 1892: R. Diesel inventa el motor a compresión (Diesel)

• 1930: F. Whittle inventa la turbina a gas para aviones

• 1944: En Alemania se desarrollan los motores para cohetes

(von Braun)

•

Motor a vapor

Watt 1769

Ciclo de Rankine• 1-2: Compresión adiabática hasta

la presión de la caldera (la T cambia muy poco)

• 2-3: calentamiento isobárico del agua hasta el punto de ebullición

• 3-4: Vaporización isobárica e isotérmica del agua hasta convertirse en vapor saturado

• 4-5: calentamiento isobárico del vapor convirtiéndolo en vapor a temperatura Th

• 5-6: Expansión adiabática del vapor hasta vapor frío

• 6-1: condensación isobárica e isotérmica del vapor, convirtiéndolo en agua

• En una planta de potencia de vapor operando en un Ciclo Rankine con recalentamiento, el vapor ingresa a la turbina HP a 15 MPa y 620oC y se condensa en el condensador a a una presión de 15 kPa. Si la humedad (título o calidad) contenida en la turbina no excede el 10%, determine (a) la presión de recalentamiento (b) la eficiencia térmica del ciclo.

Motor de aire caliente (Stirling)

• Stirling 1816El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.El principio de funcionamiento es el trabajo hecho por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio o hidrógeno) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.

• 1-2: pistón izquierdo permanece arriba y el derecho sube hasta la mitad de su recorrido comprimiendo gas frío que cede Q. Compresión isotérmica

• 2-3: pistón izq. baja y derecho sube. No hay cambio de volumen. Gas pasa de lado frió a caliente, quedando a Th gracias al calor Qr suministrado por el regenerador

• 3-4: pistón derecha permanece fijo y el izq. sigue descendiendo, con el gas en

• contacto con calor, expandiéndose y absorbiendo calor.

• 4-1: Ambos pistones se mueven en sentidos opuestos, forzando ahora al gas a pasar del lado caliente al frío, cediendo el mismo calor Qr al regenerador. Esto es a V cte.

Motor de combustión interna

EL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Es una reproducción del motor de combustión interna que funcionaba con gas inventado por el alemán NIKOLAUS OTTO (1832- 1891) en 1876, el cual destacó por ser mucho más silencioso que otros motores inventados anteriormente. Es el precursor de los motores que usan los automóviles en la actualidad.

Ciclo de Otto

a) Carrera de admisión (5-1)b) Carrera de compresión (1-2)c) Ignición (2-3)d) Carrera de expansión (3-4)e) Apertura de la válvula de escape (4-1)f) Carrera de escape (1-5)

Turbina a vapor

Motor Diesel

Ciclo Diesel

Turbina a Gas

Motor de cohete

Calefacción

Conclusión

Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y mecánica.

Hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cuál:

• Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.• La máquina realiza un trabajo• Libera calor a una fuente a temperatura más baja.

Ejemplos

Termoeléctrica

El motor de combustión interna

Una máquina térmica transporta alguna sustancia de trabajo a través de un proceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estado inicial.

• Si una sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en u n proceso cíclico es el área encerrada se debe presentar con un gráfico PV

• La eficiencia térmica, de una máquina térmica se define como la razón del trabajo neto realizado al calor absorbido.

En otras palabras

• Una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda energía calorífica absorbida en trabajo mecánico.

• La segunda ley de la termodinámica establece que esto no es posible.

Segunda Ley de la Termodinámica

Los procesos termodinámicos se pueden clasificar en reversibles e

irreversibles.

Proceso reversible

• Es aquel en el que un sistema puede cambiar de un estado inicial a otro final a través de numerosas etapas de modo que la transferencia de W y Q hacia y desde el sistema se tal que en cualquiera de las etapas sucesivas sea tal que el sistema pueda retornar hacia su etapa original. Se dice que estas etapas sucesivas están en equilibrio permanente. Estos cambios son ideales porque en requieren de tiempo infinito, sin embargo en la naturaleza los procesos reales ocurren a tiempos finitos.

Proceso irreversible

• Ocurren espontáneamente en una dirección determinada con cambios drásticos del sistema y su entorno lo que hace imposible la reversibilidad.

• Es importante observar, que los cambios de energía en un cambio de estado irreversible o reversible es siempre el mismo debido a que la energía es una función de estado y solo depende del estado final e inicial sin importar como se realizó el proceso.

Tanto el trabajo W como el calor Q en ambos procesos es distinto, sin embargo la diferencia entre ellos (E) es siempre la

misma.

Ejercicios

1. a).- Explique qué se entiende por una máquina térmica.b).- Trate de describir cuál es la fuente caliente y cuál es la fuente fría de la máquina de Herón.

2.- Observando el esquema de la máquina de Watt, conteste:

a).- Cuando el pistón está subiendo, la válvula A ¿está abierta o cerrada? ¿y la válvula B?. Explique.

b).- Explique por qué después de alcanzar la parte más alta del cilindro el pistón desciende para regresar a la posición inicial.

c).- Durante el descenso del pistón ¿cuál de las válvulas está abierta y cuál está cerrada?