Ciclo Rankine

Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) fue hijo de Lazare Carnot, conocido como el Gran Carnot, y tío de Marie François Sadi Carnot, que llegó a ser Presidente de la República Francesa. Sadi Carnot fue un ingeniero y oficial de la milicia francesa y es el pionero y fundador en el estudio de la Termodinámica.

Hay quienes conceden a Sadi Carnot ser el padre de la Termodinámica, pero su condición de ingeniero indigna a algunos físicos quienes dan la paternidad de la Termodinámica a William Thomson (Lord Kelvin) y a Plank, inclusive se menciona que el concepto de Ciclo Carnot quizá viene de la influencia de Emile Clapeyron quien en 1834 analizó y realizó gráficos del ensayo de Sadi Carnot.

Licenciado en la Escuela Politécnica, en 1824 publicó Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en donde expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Estos trabajos, poco comprendidos, inclusive despreciados por la comunidad científica (algunos físicos prominentes) de la época, fueron más tarde conocidos en Alemania por Rudolf Clausius, que fue quien los difundió y William Thomson (lord Kelvin) quien hizo lo propio en el Reino Unido. Cabe mencionar que el ensayo de Carnot fue recogido por Clausius y Thompson para formular de una manera matemática, las bases de la termodinámica.

Como reconocimiento a las aportaciones pioneras, el principio de Carnot se rebautizó como principio de Carnot-Clausius. Este principio permite determinar el máximo rendimiento de una máquina térmica en función de las temperaturas de su fuente caliente y de su fuente fría. Cuando Luis XVIII envió a Carnot a Inglaterra para investigar el elevado rendimiento de sus máquinas de vapor, se dio cuenta que la creencia generalizada de elevar la temperatura lo más posible para obtener el vapor mejoraba el funcionamiento de las máquinas. Poco después descubrió una relación entre las temperaturas del foco caliente y frío y el rendimiento de la máquina. Como corolario se obtiene que ninguna máquina real alcanza el rendimiento teórico de Carnot (obtenido siguiendo el ciclo de Carnot), que es el máximo posible para ese intervalo de temperaturas. Toda máquina que sigue este ciclo de Carnot es conocida como máquina de Carnot.

Sadi Carnot no publicó nada después de 1824 y es probable que él mismo creyera haber fracasado. Su pensamiento es original, único en la historia de la ciencia moderna, pues a diferencia de lo que le sucede a muchos otros científicos, no se apoya en nada anterior y abre un amplio campo a la investigación.

Un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia, cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo (mentalmente) de todo lo demás. Así todo lo que lo rodea es entonces el entorno o el medio donde se encuentra el sistema.

La envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones (entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente.

Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar como: aislados (o adiabáticos), cerrados y abiertos.

El sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno y este es un modelo imaginario cuya frontera o límite del sistema impide cualquier tipo de intercambio.

El sistema cerrado es el sistema que sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia, es decir, aquel cuya frontera admite únicamente el intercambio de energía.

El sistema abierto que es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA.

L a primera ley de la termodinámica es un enunciado del principio de la conservación de la energía y afirma que la energía total es una propiedad termodinámica. La primera ley de la termodinámica puede establecerse del modo siguiente: Durante la interacción entre un sistema y sus alrededores, la cantidad de energía ganada por el sistema debe ser exactamente igual a la energía pérdida por su entorno.

La primera ley puede aplicarse para el análisis de dos tipos de sistemas: cerrados y abiertos; en este caso daremos una breve definición de los sistemas abiertos.

Dada la complejidad de la ecuación de la conservación de la energía se dividirá el análisis de volúmenes de control (sistemas abiertos) en dos etapas: proceso de flujo permanente y, los procesos generales de flujo no permanente.

Un gran número de problemas de ingeniería implica flujo de masas hacia y de un sistema, en consecuencia se modelan como volúmenes de control. En general cualquier región arbitraria en el espacio puede elegirse como un volumen de control. Las fronteras de un volumen de control reciben el nombre de superficie de control y son tanto reales como imaginarias.

Un volumen de control tiene un tamaño y forma fijos, pero también incluye una frontera móvil. Sin embargo, la mayor parte de los volúmenes de control, tienen frontera fijas y, por ello, no implica interacciones de calor y de trabajo igual que en un sistema cerrado, además de la interacción de la masa.

PROCESO DE FLUJO PERMANENTE.

Un gran número de dispositivos en ingeniería operan durante largos periodos de tiempo bajo las mismas condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo permanente. Los dispositivos que implican estos dispositivos son representados por medio de un proceso un poco idealizado, denominado proceso de flujo permanente. Un proceso de este tipo es definido como un proceso durante el cual un fluido fluye permanentemente por un volumen de control. Es decir, las propiedades del fluido cambian de un punto a otro dentro del volumen de control, pero en un punto fijo permanecerán iguales durante todo el proceso. Un proceso de flujo permanente se caracteriza por lo siguiente:

1. Ninguna propiedad dentro del volumen de control cambia con el tiempo. De modo que el volumen V, la masa m y el contenido de energía total E del volumen de control permanecen constantes durante un proceso de flujo permanente y la masa total o energía que sale de él.

2. Ninguna propiedad cambia en las fronteras del volumen de control con el tiempo. Así, las propiedades del fluido en una entrada y en una salida permanecerán iguales durante todo el proceso. No obstante, las propiedades pueden ser diferentes en distintas aberturas. Incluso varían por toda sección transversal de una entrada y una salida. Pero todas las propiedades, incluso la velocidad y la elevación, deben permanecer constantes con el tiempo en una posición fija.

3. Las interacciones de calor y de

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