FISICA
Introduccion
Esta ley experimental axiomatica nos permite analizar cualitativamentc los procesos o
transformaciones de la energia; esta ley servira para definir la posibilidad de realizacion
de un proceso termodinamico y sus limitaciones fisicas reales. La segunda Ley de la
Termodinamica sera determinante para afirmar la validez de un proceso termodinamico
cualquiera y la importancia de producir un trabajo efectivo.
CONCEPTOS PREVIOS
^ F O C O TERMICO
Es aquel sistcma de masa inmensamente grande al cual se le puede sustraer o entregar
calor, sin que su temperatura experimente notables cambios. \
ft
FUENTE
Es aquel foco termico que transfiere calor a la sustancia de trabajo. Ejm : generadores de
vapor, calderos, hornos, etc.\
SUMIDERO
Es aquel foco termico en el cual se desfoga el calor previamente utilizado, normalmente
recepciona calor. Su temperatura siempre es menor que la temperatura de la fuente. Ejm:
los condensadores, camisetas de agua, radiadores, etc.
MAQUINA TERMICA
Es aquel dispositivo que para su operacion continua requiere de una fuente y un sumidero,
la maquina termica es aquel dispositivo mecanico que se encarga de transformar la energia
calorifica que se le transfiere, en energia mecanica. Ejm : Los motores de combustion
interna (petroleo, gasolina), las turbinas a vapor, los turbo compresores, etc. Un ejempio
tipico de maquina lo constituye la planta de generacion de vapor, mostrado en la figura.
*3^&inuutindmlca.
DESCRIPCION
El vapor procedente del caldero se expande adlabaticamente en la turbina, desaric :.
1
trabajo, hasta una presion mucho menor. En el condensador el vapor disipa calor al trans-
formarse en liquido.
Puesto que la presion en este es mucho menor que la presion en el caldero; una bomba incrementa
la presion del liquido para inti-oducirlo a este, requiriendose un trabajo negative para ello.
Mediante la adicion de calor en el caldero, el h'quido se vaporiza y va nuevamente a la
turbina completandose as! el ciclo termodinamico mostrado. La maquina termica (turbina)
tiene por objetivo transformar el calor en el trabajo y tambien se le denomina maquina dey^
potencia y a su ciclo; ciclo de potencia.
; Cantidad de calor suministrada al
vapor en la caidera de una fuente
de alta temperatura (homo, caidera).
Cantidad de calor liberado del vapor
PA
en el condensador en un sumidero de
baja temperatura (la atmosfera, un rio,
caidera
condensador
etc.)
: Cantidad de trabajo entregado por el
vapor cuando se expande en la turbiQB
na.
boraba
/
W g : Cantidad de trabajo requerido para
comprimir el agua a la presion de la
caidera.
REPRESENTACION SINTETICA D EU N A MAQUINA TERMICA
caldero,
homo
Fuente
Donde; observamos que :
0 .
QA = W N + Q B
QB
condensador
Sumideto
E F I C I E N C L \E U N A M A Q U I N A T E R M I C A
in)
De la ecuacion anterior " Qgrepresenta la magnitud de la energia desechada para completar el ciclo. Pero " Qg " nunca es cero; asi que la salida de trabajo neto de una maquina
termica siempre es menor que la cantidad de entrada dexaion Es decir, solo la parte del
calor transferido a la maquina termica se convierte en trabajo. Se define eficiencia termica
a la fraccion de la entrada de calor que se convierte en trabajo neto en la salida.
_QA-QB
QA
QA
WN _ 1
QB
QA
QA
M A Q U I N A R E F R I G E R A D O R A (MR)
Es obvio por la experiencia, que el calor fluye en direccion de la temperatura decreciente;
de medios de alta temperatura a medios de baja temperatura. Este proceso de transferencia sucede en la naturaleza sin requerir ningun dispositivo. Sin embargo, el proceso inverse, no puede ocurrir por si solo.
^ L a transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura
requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. U
Los refrigeradores, como las maquinas termicas, son dispositivos ciclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeracion se llama refrigerante. El ciclo de refrigeracion que
se usa con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeracion por compresion de vapor, que
incluye cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una valvula de
expansion y un evaporador, como muestra la figura.
medio circundante como
el aire de la codna
QA
coadensadoi
SOOKfti
60°C
SOOKfe
30°C
vSlvulade
expansion
Wneto, sal
compresor
120Kr^
-20X
120KPa
-25°C
evaporador
espacio refrigerado
Componentes basicos de un sistema de refrigeracion y condiciones de operacion comunes.
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REPRESENTACION SINTETICA D EUNA MAQUINA REFRIGERADORA
1*^
(MR)
WN=QA-QB
QA
W(,j: Entrada de trabajo neto a! refrigerador.
WN
MR
: Magnitud del calor liberado al ambiente caliente a temperatura " T ^ ".
'QB
Qg : Magnitud del calor extraido de! espacio
refrigerado a temperatura "Tg". \
TB
C O E F I C I E N T E D E O P E R A C I O N (PR)
La eficiencia de un refrigerador se expresa en terminos del coeficiente de operacion (COP),
denotado por COP^ . El objetivo de un refrigerador es quitar cabr (Qg) del espacio refrigerado. Para iogrado, requiere una entrada de trabajo de Wfj. De ese modo e! COP de un
refrigerador puede expresarse como :
\\
salida deseada _ Qg
entrada requerida W..,
El principio de la conservacion de la energia para un dispositivo ciclico requiere que :
W „ = Q , - Q 3 (KJ)
Observe que el vapor de COPR puede ser mayor que la unidad. La cantidad de calor
extraido del espacio refrigerado puede ser mayor que la cantidad de entrada de trabajo. Lo
cual contrasta con la eficiencia termica que nunca puede ser mayor que 1.
BOMBA
D E CALOR
Otro dispositivo que transfiere calor de
un medio de baja temperatura a uno de
alta temperatura es la bomba de calor,
mostrada en forma esquematica en la figura.
QB
0
