Ciclo de Carnot Informe

7/22/2019 Ciclo de Carnot Informe

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INSTITUTO DE FORMACION DOCENTE JOSEMANUEL ESTRADA

CARRERA: PROFESORADO EN EDUCACION TECNOLOGICA.

PROFESOR: RAMON OSCAR FERNANDEZ.

ALUMNOS: -ALFONZO, DANIEL.

-ESQUIVEL, CRISTINA.

-PEREZ, LAURA.

-ROJAS, NATALIA.

TEMA: TERMODINAMICA: CICLO DE CARNOT O DE REFRIGERACION.

CURSO: 1°3°

A Ñ O LECTIVO: 2013

Para comprender la termodinámica y su aplicación en la vida cotidiana primero debemos

definirla y analizar sus leyes.



Termodinámica: Es la rama de la Física que estudia a nivel macroscópico las transformaciones de la

energía (especialmente las que son afectadas por el calor y la temperatura.) y cómo esta

energía puede convertirse en trabajo (movimiento).

La termodinámica estudia los sistemas que se encuentran en equilibrio. Esto significa que

las propiedades del sistema (la presión, la temperatura, el volumen y la masa, que se

conocen como variables termodinámicas) son constantes.

Los principios de la termodinámica se pueden aplicar por ejemplo: al diseño de motores,

al cálculo de la energía liberada en reacciones o a estimar la edad del Universo.

Para todo esto, existen, leyes de la termodinámica a saber:

1) LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA:



A esta ley se le llama de "equilibrio térmico". El equilibrio térmico debe entenderse comoel estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.

Esta ley dice "Si dos sistemas A y B están a la misma temperatura, y B está a la mismatemperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura". Esteconcepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta

después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibe la posición cero.

Un ejemplo de la aplicación de esta ley lo tenemos en los conocidos termómetros.

2) PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA O PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LAENERGÍA:

"La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipode energía en otro".

Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico,

el calor cedido por el sistema será igual al trabajo recibido por el mismo, y viceversa.

Ejemplo: una taza de café caliente dejada en un cuarto frío de enfría después de un cierto

tiempo.

La cantidad de energía perdida por el café es igual a la cantidad de energíaganada por el aire circundante.

3)SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA:



La Segunda Ley de la Termodinámica afirma que en el Universo, los sistemas se dirigen

espontáneamente de una situación organizada hacia una desorganizada, hasta alcanzar

el equilibrio (estado de máxima entropía).

De la segunda ley se deriva que, en un proceso natural, el calor se transfiere siempre de

un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura y nunca al contrario. Si

quisiéramos realizar lo contrario sería mediante un proceso artificial, con la intervención

de un trabajo.

Ejemplo: Un cubo de hielo posee una estructura cristalina en la que sus átomos se

mantienen vibrando en posiciones fijas. Este sólido representa una situación de orden, por

lo que su entropía es baja.

Cuando se funde el hielo, pasa al estado líquido, en el que las moléculas tienen ciertalibertad de movimiento de traslación, es decir, mayor número de grados de libertad y por lo tanto, mayor desorden.

La segunda ley de termodinámica ha sido expresada de muchas maneras:

-Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que,

operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un

depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Es decir que no existe una máquina que sea 100% eficiente, que convierta todo el calor

en trabajo

-Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto

sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la

entrada de energía por trabajo.

Es decir, que el calor no puede pasar por si sólo (sin invertir trabajo) de unatemperatura baja a otra más alta.



4) TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

El cero absoluto no puede alcanzarse por ningún procedimiento que conste de un número

finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se

puede llegar a él.

Una vez enunciadas las leyes de la termodinámica pasaremos a analizar el tema elegido

por el grupo, para esto citaremos primeramente a su creador.

NICOLÁS LEONARD SADI CARNOT:

Ingeniero y científico francés. Nació en parís el 1 de junio de 1796 y murió el 24 de agosto

de 1832.Describió el ciclo térmico que lleva su nombre (ciclo de Carnot), a partir del cual

se deduciría el segundo principio de la termodinámica.

En 1824 describió su concepción del motor ideal, el llamado motor de Carnot, en el que seutiliza toda la energía disponible. Descubrió que el calor no puede pasar de un cuerpo

más frío a uno más caliente, y que la eficacia de un motor depende de la cantidad de calor

que es capaz de utilizar. Este descubrimiento es la base de la segunda ley de la

termodinámica.

MAQUINA DE CARNOT y CICLO DE CARNOT



Es una maquina ideal, que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre

el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción entre dos temperaturas.

El ciclo termodinámico utilizado se denomina ciclo de Carnot. Una máquina de Carnot es

el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.

Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido a una biela

que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contieneuna cierta cantidad de gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos

fuentes de temperaturas constantes T 1 < T 2 . Las transferencias de calor entre las fuentes

y el gas se hacen isotérmicamente, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta

parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansión y

una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, por lo que esta parte del

ciclo es también reversible.

Carnot imaginó la máquina de vapor como si fuera un molino de agua donde el calor desciende de la fuente caliente que se encuentra a temperatura elevada (T1) hacia la

fuente fría o sumidero, a baja temperatura (T2), generando trabajo durante su paso.

Ciclo de Carnot:

Proceso reversible con 4 etapas:

- Expansión isoterma. El gas se expande a temperatura constante, T1, absorbiendo del

foco caliente una cantidad de calor,Q1. Por ser la transformación isoterma, el calor

absorbido se transforma íntegramente en trabajo mecánico.

- Expansión adiabática. Se deja de suministrar calor al sistema, que sigueexpandiéndose, pero de forma adiabática. En consecuencia, el trabajo se produce a costade la energía, interna, con lo que el sistema disminuye de temperatura, hasta alcanzar unvalor T1, verificándose que T2<T2.



- Compresión isoterma. El gas se comprime isotérmicamente, con lo que se produceuna cantidad de calor Q2 que es absorbido por el foco frío, cuya temperatura es T2. Por ser la transformación isoterma, el trabajo consumido en comprimir el gas se transformaíntegramente en calor.

- Compresión adiabática. El sistema deja de desprender calor y sigue comprimiéndose,

pero adiabáticamente. En consecuencia, el trabajo efectuado por el gas se emplea enaumentar su energía interna, con lo que la temperatura se eleva hasta alcanzar de nuevoel valor T1 reiniciándose el ciclo.Se demuestra que el rendimiento del ciclo de Carnot, que trabaja entre lastemperaturasT2yT1es:



Ciclo de Carnot inverso:

La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose

entonces frigorífico. Se extraería calor Q2 del foco frío aplicando un trabajo W , y cederíaQ1 al foco caliente.El refrigerador de Carnot, opera en sentido inverso al de la máquina de Carnot. El motor extrae calor de la fuente fría y lo cede a la fuente caliente, en contra de la tendencianatural del flujo de calor, por lo que es necesario invertir ("gastar") trabajo externo paraque sea esto posible. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que seemplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al fococaliente, que es la atmósfera.



Refrigeradores:

La refrigeración se emplea para extraer calor de un recinto, disipándolo en el ambiente.

Se dice que hay refrigeración cuando la temperatura deseada es menor que la del

ambiente. Esto es de gran importancia en la industria alimentaria, la licuación de gases, y

para la condensación de vapores.

La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperaturarequiere de dispositivos especiales llamados refrigeradores; estos son dispositivos cíclicoscuyo fluido de trabajo se denomina refrigerante.Existen varias clases de procesos de refrigeración pero el más conocido es el:

-ciclo de refrigeración por compresión:Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase

líquida a fase de vapor .En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo:

el evaporador , lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador doméstico;

el condensador-enfriador , que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte

posterior;

el compresor que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte inferior

del refrigerador .

la válvula de expansión que es un tubo capilar.



El proceso cíclico de enfriamiento de la heladera:

El enfriamiento se produce mediante un proceso cíclico en el cual un gas, como los gasesCFC o clorofluorocarbonos, circula por un tubo que recorre las partes interna y externa dela heladera intercambiando calor. Los pasos del proceso para producir el enfriamiento son

los siguientes.

• Se comprime el gas en una parte de su recorrido que se encuentra en el exterior

de la heladera (el compresor). Entonces aumenta su temperatura (la compresióncalienta).

• Se permite que el gas comprimido y caliente se enfríe (en el condensador)

liberando calor al ambiente (el calor se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío).



• Al enfriarse, el gas comprimido se transforma en líquido (los gases muy

comprimidos se condensan) y libera más calor al ambiente (cuando un gas sehace líquido libera calor).

• El líquido pasa por un tubo muy delgado (capilar) que impide su expansión, al

sector que se encuentra dentro de la heladera.

• El líquido pasa a un tubo más grueso (evaporador), en la parte interior, que

permite que el líquido se evapore y que el gas formado se expanda. Estosprocesos quitan calor del interior de la heladera (la evaporación quita calor, laexpansión enfría).

• Al perder calor, el interior de la heladera se enfría (el cuerpo que pierde calor

disminuye su temperatura).

• El gas pasa al exterior de la heladera donde vuelve a ser comprimido y todo el

proceso se vuelve a repetir.

COMO FUNCIONA UN AIRE ACONDICIONADO:

El proceso de refrigeración comienza en el compresor, que es el encargado de hacer

recircular el refrigerante por el sistema y crear una diferencia de presión entre el

evaporador y el condensador.

El gas freón, se aplica por el lado de baja presión después de haberle hecho un vacío

total al sistema. El gas es expulsado al condensador a mucha presión.

Las moléculas del gas a presión son forzadas a unirse por lo que pierden energía en

forma de calor, cuando las moléculas se han unido lo suficiente y el calor se ha disipado el

refrigerante cambia de gas a líquido.

El refrigerante líquido se almacena en un recipiente a la salida del condensador.

En este punto el refrigerante está totalmente líquido listo para entrar a la válvula de



expansión pero primero debe pasar por el filtro deshidratador que limpia el refrigerante de

partículas extrañas y agua.

La válvula de expansión consta de un orificio autoajustable limitando el paso del

refrigerante creando una significativa caída de presión en el evaporador, al salir de la

válvula el refrigerante se encuentra en un medio con una presión baja. Al estar libre de

presión, el refrigerante empieza a evaporarse cambiando su estado de líquido a gaseoso.

En esta parte del proceso, el refrigerante absorbe calor mientras se evapora, dejando tras

de sí un espacio frio.

En este punto el refrigerante ha llegado al final de su ciclo y está listo para volver a

empezar.



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