Procesos Termodinámicos.

Segunda ley de la termodinámica

Esta segunda ley de la termodinámica tiene que ver con la restricción de convertir la energía interna en trabajo mecánico y la dirección en la que de manera espontánea el calor fluye.

Esta ley presenta dos principios:

·El primer principio, fue establecido por Lord Kelvin, indica la imposibilidad de construir una máquina térmica que transforme todo el calor que se le suministra en trabajo mecánico, porque las transformaciones que experimenta la energía la “deterioran” en formas menos útiles.

· El segundo principio, fue establecido por Ander Clausius, afirmando que el calor no puede, por si mismo, sin la intervención de un agente externo pasar de un cuerpo frío a uno caliente, ya que de manera espontánea fluye de una fuente caliente a una fría.

CICLO TERMODINÁMICO

Es un proceso que devuelve un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales.

Máquina Térmica

Una maquina térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Su funcionamiento consta de la siguiente manera, en el depósito caliente, la sustancia de trabajo aumenta su temperatura y su presión, después se introduce en la maquina térmica, donde se expande o se experimenta una combustión que realiza un trabajo mecánico, para luego enviarse a un depósito frío con la finalidad de disminuir su temperatura y reanudar el ciclo.

Características del ciclo de Carnot.

· El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin importar la cantidad de calor que se transfiera permanecen constantes.

· Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se podría invertir.

· El fluido de trabajo de una maquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatura infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la fuente de baja temperatura e el caso de un refrigerador

Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas, tal como se muestra en la figura.

PROCESO ADIABATICO.

Es proceso especial en el cual no se lleva acabo interacción térmica alguna, debido a que sus fronteras son fronteras adiabáticas, es decir, no permiten el flujo de calor a través de ellos.

PROCESO ISOTÉRMICO.

Es un proceso que ocurre a temperatura constante. Un cuerpo que tiene por lo menos una propiedad que puede medir, que cambia ocurren cambios en su temperatura puede ser usado como termómetro. Una propiedad así se denomina propiedad termométrica. La sustancia que exhibe cambios en la propiedad termométrica se conoce como sustancia termométrica.

Máquina de vapor

Una máquina de vapor es un tipo de maquina térmica, lo conforman varias partes esenciales, como son, el depósito caliente (caldera), el cilindro con embolo (pistón), el depósito frío (condensador) y la sustancia de trabajo (vapor de agua). En esta máquina se aprovecha que al transformarse el agua en vapor, esta sufre una expansión que altera su volumen y se vuelve 1700 veces mayor al que tenía en su fase líquida, y con esta gran energía se produce su trabajo mecánico.

Motores de combustión interna

También llamados motores de explosión, son otro tipo de máquina térmica. Este usa su combustible dentro de la cámara de cilindro, el principio consiste en aprovechar la expansión acompañada de gran aumento de presión y temperatura de los gases producidos después de la combustión, para comunicar un empuje al embolo y a través de una biela con las articulaciones en sus extremos, transformar el movimiento de vaivén en uno de rotación del cigüeñal.

Motores de reacción

Este es otro tipo de máquina térmica, abarca principalmente a turborreactores y cohetes, ambos tienen como base de funcionamiento la tercera ley de Newton de acción y reacción.

· El motor turborreactor consta de un generador de gases muy calientes, los cuales son expulsados hacia el exterior a través de una tobera que provoca el movimiento del cuerpo hacia delante.

· El motor tipo cohete, a su vez, no requiere aire atmosférico, ya que contiene ya las sustancias químicas que al mezclarse provocan la combustión y producen gases muy calientes dentro de una cámara de combustión, que al ser expulsados con gran fuerza originan el impulso del vehículo.

Elementos del motor de reaccion

· Difusor de entrada: La tobera de entrada tiene como funciones principales evitar las pérdidas de presión estática que a la vez es aumentada por el compresor. Se convierte presión dinámica en presión estática mediante el difusor. Otra de sus funciones es la entrega de aire sin turbulencias.

· Compresor: El compresor es un elemento que tiene como misión elevar la presión estática. Tal y como dice su nombre, el compresor comprime el aire de entrada. Es por eso que se requieren compresores que tengan una elevada compresión, poco peso y poco volumen. Los compresores se pueden dividir en centrífugos y axiales. El compresor centrífugo consta, normalmente de uno o dos juegos de rotor-estator y tiene una área frontal grande. El compresor axial, en cambio, tiene varios juegos rotor-estator, lo que le proporciona una compresión mucho más elevada y progresiva. Tiene poca área frontal y se puede conseguir un empuje más elevado.
· Cámara de combustión: En la cámara de combustión tiene lugar la reacción entre el aire que descarga el compresor y el combustible inyectado. Normalmente hay un flujo primario (el que combustiona) y un flujo secundario que se utiliza para expandir gases y para refrigerar. Existen, principalmente, dos tipos de cámaras de combustión: la cámara de combustión individual y la cámara de combustión anular única.
· Turbina: La turbina se utiliza para obtener la energía mecánica de los gases de salida. La turbina, por así decirlo, funciona de modo inverso al compresor. Es la pieza más crítica a la hora de diseñarla. Hay que tener en cuenta que funciona sobre las 50.000 rpm - 90.000 rpm. Es por eso que se utilizan las llamadas superaleaciones que tienen como función principal aguantar las temperaturas y los esfuerzos mecánicos que se generan en dicha cámara (fluencia termomecánica) a 900ºC.
· Tobera de salida: La tobera de salida es la que propiamente expande los gases de salida. Para hacer tal tarea tiene diversas formas según la velocidad de vuelo del avión. Es convergente para velocidades supersónicas y divergente para subsónicas. Por esa razón en algunos aviones, especialmente los cazas, hay toberas de geometría variable que se adaptan automáticamente a la gran variedad de velocidades a las que vuelan esos aviones.

Eficiencia térmica:

Cualquier maquina térmica desperdicia cierta cantidad de calor, ya que no hay perfectas, exceptuando la ideal conocida como la máquina de Carnot, que no presenta perdidas y su eficiencia depende exclusivamente de las temperaturas con las que absorbe y cede el calor.

Cuanto mayor sea su diferencia en temperaturas de entrada y salida, mayor será también la eficiencia. El limite es la resistencia de los materiales.

E= Tr x100 Tr = Q1 – Q2 E= Q1 – Q2 x100 E= T1 – T2 x100 Q1 Q1 T1
Q1	Calor suministrado	Cal (calorías)
Q2	Calor de salida	Cal (calorías)
T1	Temperatura de entrada de fuente caliente	K
T2	Temperatura de salida	K
Tr	Trabajo mecánico	J (joule) 1J = Nm
1 cal = 4.2 J K: grados Kelvin

Funcionamiento del refrigerador.

Un refrigerador es una máquina térmica que con ayuda de energía externa "transporta" el calor de un punto a otro.
Básicamente el funcionamiento de un refrigerador consiste en que una sustancia absorba calor del foco frío y lo libere en el foco caliente, para ello se suministra energía.

El fundamento de la refrigeración se basa en que al evaporarse un líquido toma el calor de los cuerpos que lo rodean.
Así, un refrigerador es una máquina térmica que funciona en sentido inverso; es decir, si el calor se transfiere de manera natural desde un depósito de alta a uno de baja temperatura, un refrigerador transfiere el calor de un depósito de baja temperatura (el compartimento para alimentos) a uno de alta temperatura (el aire de la cocina); pero esto sólo se logra mediante el trabajo externo suministrado por un motor (compresor) eléctrico.

Por medio del motor se disminuye la presión del líquido refrigerante, hasta llegar a tal punto que el líquido se evapora tomando calor del interior del refrigerador. Como consecuencia, los alimentos se enfrían. Cuando el refrigerante en estado gaseoso se transforma nuevamente en líquido, disipa calor, lo cual ocurre en un condensador que está siempre fuera del compartimento para alimentos.

Si te interesó el tema y quieres conocer más, anexamos los links de las páginas web de donde obtuvimos parte de la información que te mostramos:

http://fisicacefa11.over-blog.org/article-30040201.html

http://www.fisicarecreativa.com/guias/procesos.pdf

http://grupos.emagister.com/documento/proceso_termodinamico/1044-79781