Ejercicios Resueltos de Segundo Principio de La Termodinamica (Corregido)
Segundo Principio Termo
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LEYES DE LA TERMODINAMICA 2º PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA 2º PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
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LEYES DE LA TERMODINAMICA
2º PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA2º PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
CONSIDERACIONES GENERALESCONSIDERACIONES GENERALES
El rasgo característico de una sociedad industrializada ha llevado al hombre a la necesidad de utilizar la energía para fines acertados o desacertados
Excepto la energía hidraulica cuya potencia mecánica es directamente utilizable, la mayor parte de las formas de aprovechamiento industrial de la energía proviene de un proceso de combustión de combustibles (carbón, petróleo, leña, etc.)
El proceso de combustión libera energía interna y la convierte en calor
CONSIDERACIONES GENERALESCONSIDERACIONES GENERALES
La energía calórica en general es utilizable para la calefacción de habitaciones, cocinar, fundición de metales, para poner en para poner en funcionamiento una máquinafuncionamiento una máquina, etc.
El funcionamiento de la máquina permite transformar esta energía calórica en energía mecánica
El problema que debe resolver el ingeniero es llevar a cabo esta conversión con el máximo rendimiento posible
CONSIDERACIONES GENERALESCONSIDERACIONES GENERALES
La transformación de CALOR en ENERGIA MECANICArequiere siempre de algún tipo de motor, tal como una máquina de vapor, un motor de gasolina o un motor Diesel
Dato: 1 Kg. de carbón produce cuando se quema alrededor de 7000 Kcal (1 cal = 4.18 Joule)
Podría teóricamente suponerse que sería capaz de realizar un trabajo de 29260000 Joule
Sin embargo, las máquinas de vapor no suministran en la práctica más allá de entre un 5 a un 30% de este valor
CONSIDERACIONES GENERALESCONSIDERACIONES GENERALES
Las pérdidas debidas a los gases de combustión y a los rozamientos no constituyen la más grande de las pérdidas
La mayor pérdida la constituyen el escape de los gases
NO SE HA CONSTRUIDO NINGUN MOTOR NO SE HA CONSTRUIDO NINGUN MOTOR TERMICO QUE NO ARROJE AL EXTERIOR EN EL TERMICO QUE NO ARROJE AL EXTERIOR EN EL ESCAPE UNA FRACCIÓN RELATIVAMENTE ESCAPE UNA FRACCIÓN RELATIVAMENTE GRANDE DEL CALOR QUE SE LE HA GRANDE DEL CALOR QUE SE LE HA SUMINISTRADOSUMINISTRADO
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICATERMODINAMICA
La imposibilidad de construir un motor que transforme íntegramente una cantidad de calor dada en trabajo mecánico, es una ley fundamental de la naturaleza conocido como el SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICASEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICAEl 2º Principio de la Termodinámica establece que: “No es posible una transformación del 100%, de energía calórica en trabajo mecánico para cualquier tipo de motor”Sadi Carnot (ingeniero francés) fue quien primero abordó el problema del rendimiento de un motor térmico desde un punto de vista fundamental y teórico
IDEAS DE S.CARNOTIDEAS DE S.CARNOT
Primero: Se suministra energía al motor en forma de calor, a una temperatura relativamente elevada
Segundo: El motor realiza un trabajo mecánico
Tercero: El motor cede una cantidad inferior de calor a una región de temperatura inferior
FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR TERMICODE UN MOTOR TERMICO
Para mayor sencillerz, consideramos un motor que funcione según un ciclo cerrado donde se manifiestan el calor y el trabajo como formas de energía asociadas a un motor térmicoEn este proceso cíclico, la sustancia que se expande contra el pistón es llevada periódicamente a su estado inicial, logrando que su variación de energía interna sea nula
FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR TERMICODE UN MOTOR TERMICO
EJEMPLO: Una máquina a vapor con un condensador
El vapor del escape se condensa
Se obliga a entrar a la caldera, para volver a utilizar el agua, completándose así un ciclo
INTERPRETACION: La sustancia sirve para transmitir calor de un cuerpo a otro y en virtud a los cambios de volumen, convertir parte del calor en trabajo mecánico
TRANSFORMACIONES DE ENERGIA TRANSFORMACIONES DE ENERGIA EN UN MOTOR TERMICOEN UN MOTOR TERMICO
CIRCULO: Representa al motorQ2 :calor suministrado al motor y su magnitud es proporcional a la sección del tubo dispuesto en la parte superiorQ1 :calor expulsado por el escape y su magnitud es proporcional a la sección del tubo dispuesto en la parte inferiorEl tubo de la derecha representa el calor neto suministrado al motor que se convierte en trabajo mecánico
TRANSFORMACIONES DE ENERGIA TRANSFORMACIONES DE ENERGIA EN UN MOTOR TERMICOEN UN MOTOR TERMICO
Puesto que la sustancia experimenta un ciclo, vuelve periódicamente a su estado inicial y la variación de la energía interna en un número cualquiera de ciclos es nula.
De acuerdo con el 1º Primer Principio de la Termodinámica, se tiene que:
12 QQW −=
TRANSFORMACIONES DE ENERGIA TRANSFORMACIONES DE ENERGIA EN UN MOTOR TERMICOEN UN MOTOR TERMICO
CONVENCION:
W: es positivo si es el trabajo realizado por la máquina sobre un medio externo
Q2 :es positivo si es el calor absorbido por el motor desde una fuente calórica
Q1 :es positivo si es el calor entregado por el motor al sistema correspondiente a una fuente fría
12 QQW −=
RENDIMIENTO RENDIMIENTO DE UN MOTOR TERMICODE UN MOTOR TERMICO
RENDIMIENTO (E): Es la razón entre el trabajo realizado por el sistema y el calor proporcionado a este, esto es:
Habitualmente se expresa en porcentaje, esto es:
2Q
WE =
2
12(%)Q
QQE
−=
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
Es el motor corriente de cuatro tiempos, llamado así porque en cada ciclo hay cuatro procesosPartiendo del instante en que el pistón se encuentra en la parte superior de su carrera,se introduce en el cilindro durante la carrera descendente, una mezcla de combustible de vapor de gasolina y aire,permaneciendo abierta la válvula de admisión y cerrada la de escape. (Carrera de admisión). Al final de esta carrera se cierra la válvula de admisiónSe inicia una segunda fase donde el pistón se eleva realizándose una compresión aproximadamente adiabática de la mezcla de gasolina y el aire(Carrera de compresión)
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
Cerca del extremo de esta carrera, una chispa enciende la mezcla de gasolina y aire encendiento muy rápidamente produciendo una rápida combustión
La presión y la temperatura aumentan a volumen aproximadamente constante
El pistón entonces es empujado hacia abajo, expandiéndose de modo adiabático (Carrera de trabajo). Al término de esta carrera se abre la válvula de escape
La presión dentro del cilindro disminuye rápidamente hasta la presión atmosférica
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
Al levantarse el pistón en la carrera de escape obliga a salir a los gases que quedan.Se cierra la válvula de escape y se abre nuevamente la de adminsión y comienza nuevamente el ciclo
Para fines de cálculo, el ciclo de motor de combustión puede sustituirse por el ciclo del motor de aire caliente o ciclo Otto
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
Partiendo del punto a, el aire a la presión atmosférica es comprimido adiabáticamente hasta el punto bLuego es calentado a volumen constante hasta el punto cA continuación se le permite expandirse adiabáticamente hasta el punto dFinalmente se enfría a volumen constante hasta a
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
La línea ab corresponde a la carrera de compresión
La línea bc corresponde a la carrera de explosión
La línea cd corresponde a la carrera de trabajo
La línea da corresponde a la carrera de escape
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
V1 y V2 representan respectivamente los volumenes máximo y mínimo que ocupa el aire en el cilindro
La razón V1/ V2 se denomina razón de compresión y es aproximadamente 7 para un motor de combustión interna
MOTOR TERMICO MOTOR TERMICO DE COMBUSTION INTERNADE COMBUSTION INTERNA
