Termo Dinámica

Introducción

La termodinámica es la ciencia que estudia la conversión del calor en trabajo o el proceso inverso, del trabajo en calor. Hemos visto que en esos procesos no sólo se debe conservar la energía, sino que también hay límites para la eficiencia.

• La primera ley de la termodinámica es un replanteamiento del principio de la conservación de la energía. Indica que el calor neto Q impartido a un sistema es igual al trabajo neto W realizado por el sistema más el cambio neto de la energía interna U del sistema. Simbólicamente,

Q= W + U

• En termodinámica, el trabajo W se realiza con frecuencia sobre un gas. En esos casos el trabajo suele representarse en función de la presión y el volumen. Un diagrama P–V es útil también para medir W. Si la presión es constante,

W = PV

W = área bajo la curva P–V

• Se presenta casos especiales de la primera ley cuando una de las cantidades no se somete al cambio.

a) Proceso adiabático:

Q = 0 W = -U

b) Proceso isocórico:

V = 0 W = 0 Q = U

c) Proceso isotérmico

T = 0 U = 0 Q = W

• La segunda ley de la termodinámica impone restricciones a la posibilidad de satisfacer la primera. En suma, indica que en todo proceso tiene lugar cierta pérdida de energía a causa de las fuerzas de fricción u otras de disipación. Un motor 100 por ciento eficiente, o sea aquel que convierte todo el calor de entrada en un trabajo útil de salida, no es posible.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, y que tiene el rendimiento mas alto de cualquier otro ciclo que transfiera energía de una fuente caliente a una fuente fría. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama p-V es el siguiente

Tramo A-B isoterma a la temperatura T1

Tramo B-C adiabática

Tramo C-D isoterma a la temperatura T2

Tramo D-A adiabática

Refrigeración

Se puede pensar que un refrigerador es una maquina térmica que opera en sentido inverso.

Un diagrama esquemático de un refrigerador aparece en la sig. Figura:

Durante cada ciclo, un compresor o dispositivo similar proporciona trabajo mecánico (W) al sistema, extrayendo una cantidad de calor (Q frio) de un deposito frio y cediendo una cantidad de calor (Q cal) a un deposito caliente.

De acuerdo con la primera ley, el trabajo de entrada esta dado por:

W= (Q cal) – (Q frio)

Proceso de refrigeración

Este mismo proceso es aplicable a diversos dispositivos de refrigeración, desde una planta comercial hasta un refrigerador domestico.

Entre sus componentes principales son:

1. Refrigerante

2. Compresor

3. Condensador

4. Un tanque de almacenamiento del liquido

5. Una válvula de estrangulamiento

6. Un evaporador.

El refrigerante es un gas que se licua fácilmente por medio de un incremento en la presión o una caída de temperatura. El más común de los refrigerantes industriales es el amoniaco que hierve a los -28°F bajo una presión de 1atm. Entre los refrigerantes domésticos el más común es el freón 12 que hierve a -22°F a presión de una atm.

El cambio de presión afecta drásticamente las temperaturas de condesacion y vaporización de todos los refrigerantes.

Proceso:

El compresor suministra el trabajo de entrada necesario para que el refrigerante se mueva a través del sistema.

Cuando se mueve el embolo a la derecha, succiona el refrigerante a través de una válvula de admisión a una presión un poco más alta que la atmosfera y próxima a la temperatura ambiente. Durante la carrera de trabajo, la válvula de admisión se cierra y la de descarga se abre.

El refrigerante que emerge, a alta temperatura y presión, circula hacia el condesado donde es enfriado hasta que se licua. El condensador se puede enfriar mediante una corriente de agua o con ventilador eléctrico. Durante esa fase se libera una cantidad de calor (Qcal) del sistema.

El refrigerante líquido condensado, aun en condiciones de alta presión y temperatura, se almacena en un depósito líquido.

Luego, el refrigerante liquido pasa desde el tanque de almacenamiento a través de una válvula de estancamiento, causando un descenso brusco de la temperatura y la presión.

Aunque la refrigeración es mejor conocida por uso en aire acondicionado en edificio y por el tratamiento, transporte y preservación de alimentos y bebidas, también se emplea a gran escala en la industria, por ejemplo en la manufactura del hielo y la deshidratación de gases. Las aplicaciones en la industria del petróleo incluyen la purificación de aceites lubricantes, reacciones a baja temperatura y separación de hidrocarburos volátiles.

La licuefacción de gases es un proceso afín, que tiene importantes aplicaciones comerciales.

El término de refrigeración implica mantener la temperatura del sistema por debajo de los alrededores, para la cual se requiere una continua absorción de calor a un nivel de baja temperatura, usualmente acompañado por la evaporación de un líquido en proceso de flujo en estado estable.

El vapor formándose regresa a su estado líquido original por cualquiera de los métodos siguientes: el más común consiste en una simple compresión seguida de condensación.

Proceso de licuefacción

La licuefacción de gases es un proceso común para diferentes fines;

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