Máquinas y Refrigeradores térmicos
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Máquinas y Refrigeradores térmicos Ciclos termodinámicos 1. Máquina térmica Convierte parcialmente calor en trabajo. El calor que se extrae del foco caliente se convierte en trabajo y calor que se cede al foco frío. La sustancia de trabajo puede ser agua, aire, gasoil, gasolina.. Foco Caliente Th Qh>0 Máquina Qc<0 Tc Foco Frío W>0 1.1 Procesos cíclicos Pueden funcionar como máquinas térmicas. Ciclo: el primer estado y el último tienen la misma temperatura. ∆U = 0 W = Qh + Qc > 0 Área positiva encerrada por el ciclo en un diagrama pV Ideal Rendimiento térmico W = Qh W Qh + Qc Qh − Qc = = κ= Qh Qh Qh κ = 1− Qc Qh 2. Ciclo de Carnot Ciclo de rendimiento máximo. Isoterma Æ Adiabática ÆIsoterma Æ AdiabáticaÆ 2. Ciclo de Carnot (2) 1Æ2 Expansión Isotérmica. T=cte 2Æ3 Expansión Adiabática. Q=0 3Æ4 Compresión Isotérmica. T=cte 4Æ1 Compresión Adiabática. Q=0 P1V1 = P2V2 T1 = T2 γ V2 W12 = Qh = nRTh ln > 0 V1 γ P2V2 = P3V3 W23 = Cv (T2 − T3 ) T2V2γ −1 = T3V3γ −1 P3V3 = P4V4 T3 = T4 Q=0 V4 W34 = Qc = nRTc ln < 0 V3 P4V4γ = P1V1γ W41 = Cv (T4 − T1 ) T4V4γ −1 = T1V1γ −1 Q=0 2. Ciclo de Carnot (3) Trabajo total Rendimiento Entropía W = Qh + Qc Qc W23 +W41 = 0 Tc = 1− κ = 1− Qh Th ∆S = ∆ S h + ∆S c = 0 3. Ciclo Diesel Isobara Q23>0 Adiabática Adiabática Q41<0 Isocora Adiabática Æ Isobara ÆAdiabáticaÆ IsócoraÆ 3. Ciclo Diesel (2) γ γ 1Æ2 Compresión P1V1 = P2V2 Adiabática. Q=0 γ −1 W12 = Cv (T1 − T2 ) 2Æ3 Expansión Isobara. T3V2 = T2V3 P=cte P2 = P3 W23 = P2 (V3 − V2 ) T1V1 3Æ4 Expansión Adiabática. Q=0 Q=0 = T2V2γ −1 P3V3γ = P4V4γ γ −1 T3V3 Q23 = C p (T3 − T2 ) W34 = Cv (T3 − T4 ) γ −1 = T4V4 4Æ1 Compresión isócora. T4V1 = T4V1 V=cte P4 = P1 Q=0 W41 = 0 Q41 = Cv (T1 − T4 ) 3. Ciclo Diesel (3) Grado de compresión Trabajo total V2 r= V1 W = Qh + Qc Rendimiento Entropía Cv (T1 − T4 ) = 1− κ = 1− Qh C p (T3 − T2 ) Qc ∆S = ∆S 23 + ∆S 41 = 0 4. Refrigerador térmico Extrae calor de un foco frío. El calor se extrae del foco frío realizando trabajo y se cede al foco caliente. La sustancia de refrigeración puede ser agua, aire, gasoil, gasolina.. Foco Caliente Th Qh<0 Refrigerador Qc>0 Tc Foco Frío W<0 4.1 Procesos cíclicos Pueden funcionar como refrigeradores térmicos. Son los mismos ciclos que la máquina, pero recorridos en sentido contrario. Ciclo: el primer estado y el último tienen la misma temperatura. ∆U = 0 W = Qh + Qc < 0 Área negativa encerrada por el ciclo en un diagrama pV Eficacia térmica Qc Qc = ε= W Qh − Qc ε= 1 Qh −1 Qc 4.2 Ciclo de Carnot (ref.) 1Æ4 Expansión Adiabática. Q=0 P4V4γ = P1V1γ T4V4γ −1 = T1V1γ −1 4Æ3 Expansión P3V3 = P4V4 Isotérmica. T=cte 2Æ1 Compresión Isotérmica. T=cte W32 = Cv (T3 − T2 ) P2V2γ = P3V3γ γ −1 T2V2 γ −1 = T3V3 P1V1 = P2V2 T1 = T2 Q=0 V3 W34 = Qc = nRTc ln > 0 V4 T3 = T4 3Æ2 Compresión Adiabática. Q=0 W14 = Cv (T1 − T4 ) Q=0 W21 = Qh = nRTh ln V1 <0 V2 4.2 Ciclo de Carnot (ref.) Trabajo total Eficacia Entropía W = Qh + Qc ε= 1 Qh −1 Qc = W23 +W41 = 0 1 Th −1 Tc ∆S = ∆ S h + ∆S c = 0
