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
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