CICLO DE CARNOT
Proceso cíclico reversible que
utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos
adiabáticas.
Máquina de Carnot
Para un sistema de este tipo los cuatro pasos son los siguientes:
- Expansión isoterma (1-2): el gas absorbe una cantidad de calor Q1 manteniéndose a la temperatura del foco caliente T1.
- Expansión adiabática (2-3): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.
- Compresión isoterma (3-4): el gas cede el calor Q2 al foco frío, sin variar de temperatura.
- Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, cerrando el ciclo.
Se calcula el trabajo:
Se dividen las variables para obtener la relación entre los volúmenes:
El rendimiento de una maquina de calor es:
El rendimiento sólo depende de las temperaturas, a mayor diferencia entre ellas mayor es el rendimiento. Siempre es menor de 1.
Refrigerador de Carnot
El ciclo se recorre en sentido antihorario, ya que el trabajo es negativo (trabajo consumido por el gas):
- Expansión adiabática (1-2): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frío T2.
- Expansión isoterma (2-3): el gas se mantiene a la temperatura del foco frío (T2) y durante la expansión, absorbe el calor Q2 de dicho foco.
- Compresión adiabática (3-4): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, sin intercambio de calor.
- Compresión isoterma (4-1): al gas cede el calor Q1 al foco caliente, manteniéndose a la temperatura de dicho foco T1 y cerrando el ciclo.
La eficiencia está definida por:
EJEMPLO: MAQUINA DE VAPOR
(FUENTES:
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/carnot.html
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm )
MOTORES TÉRMICOS
Es una máquina cíclica que transforma energía térmica en energía mecánica para producir trabajo.
Si utilizan un combustible se llama motor de combustión. Se clasifican:
-Motores de combustión externa: la combustión tiene lugar fuera del motor. El calor desprendido se transmite a un fluido intermedio que produce la energia mecánica. MÁQUINA DE VAPOR, tiene lugar en la caldera, fuera del motor.
-Motores de combustión interna: la combustión se produce en una cámara interna del propio motor.
MOTOR DE UN COCHE , donde la cámara es el cilindro y el fluido es una mezcla de combustible en lugar de vapor de agua
Dentro de los motores de combustión interna hay dos tipos:
-Alternativos: motores de explosión y de combustión
-Rotativos: turbinas de explosión y de combustión
CICLO OTTO:
-Motores de combustión interna: la combustión se produce en una cámara interna del propio motor.
MOTOR DE UN COCHE , donde la cámara es el cilindro y el fluido es una mezcla de combustible en lugar de vapor de agua
Dentro de los motores de combustión interna hay dos tipos:
-Alternativos: motores de explosión y de combustión
-Rotativos: turbinas de explosión y de combustión
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado por una chispa eléctrica (motores de gasolina, etanol, gases derivados del petróleo u otras sustancias altamente volátiles e inflamables).
CICLO:
- Admisión (1)
- El pistón baja aumentando la cantidad de mezcla (aire + combustible) en la cámara.
- Compresión (2)
- El pistón sube comprimien do la mezcla. Dada la velocidad del proceso la mezcla no tiene posibilidad de intercambiar calor con el ambiente.
- Combustión
- Con el pistón en su punto más alto, salta la chispa de la bujía. El calor generado en la combustión calienta bruscamente el aire, que incrementa su temperatura a volumen prácticamente constante (ya que al pistón no le ha dado tiempo a bajar).
- Expansión (3)
- La alta temperatura del gas empuja al pistón hacia abajo.
- Escape (4)
- Se abre la válvula de escape y el gas sale al exterior, empujado por el pistón a una temperatura mayor que la inicial, siendo sustituido por la misma cantidad de mezcla fría en la siguiente admisión.
En un motor real de explosión varios cilindros actúan simultáneamente, de forma que la expansión de alguno de ellos realiza el trabajo de compresión de otros.
(FUENTES: https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Otto
CIRCUITOS FRIGORIFICOS
Son elementos mecánicos que utilizan las propiedades termodinámicas de la materia para transformar energía térmica en forma de calor. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura.
-COMPRESOR: se encarga de elevar la presión del vapor hasta que la temperatura haga posible el paso del fluido de estado vapor a estado líquido con cesión de calor al ambiente.
-PRESOSTATOS: controlan la presión del circuito.
-CONDENSADOR: intercambia calor con una forma de serpentin en el que entra vapor a alta presión y temperatura del compresor y cede calor al ambiente.
-RECIPIENTE DE LÍQUIDO, FILTROS Y HUMEDAD: absorven las variaciones de temperatura
-VÁVULA DE EXPANSIÓN: el líquido a alta presión se transforma en una mezcla de líquido y vapor a baja temperatura y presión. Regula el caudal de entrada del fluido refrigerante.
-ACUMULADOR DE SUCCIÓN: evita que llegue aceite al compresor.
BOMBA DE CALOR
Es un
aparato cuyo funcionamiento se basa en la termodinámica. Consiste en
transportar energía en forma de calor de un ambiente (que puede ser
aire, agua o suelo) a otro. Este proceso se genera a través del cambio
de estado de gas a líquido de un fluido refrigerante por medio de la
temperatura ambiente y con ayuda de un compresor.
Las bombas de calor son empleadas en equipos de climatización,
en este caso, para aportar calor pero
también hay bombas de calor que funcionan con un ciclo inverso, es
decir, que aportan frío al local. En esta caso estamos hablando de una bomba de calor reversible.
TIPOS:
BOMBA AIRE-AIRE: el calor que se toma del el aire se transfiere directamente al aire del local que debe calentar.BOMBA AIRE-AGUA: el calor se toma del aire y se transfiere a un circuito de agua.
BOMBA AGUA-AGUA: el sistema toma el calor de un circuito de agua en contacto con un elemento que le proporcionará el calor (la tierra, capa freática) para transferirlo a otro circuito de agua como en el caso anterior.
BOMBA GEOTÉRMICA: este tipo de bombas de calor obtiene la energía del terreno a través de un fluido caloportador que absorbe el calor del suelo y lo transmite al circuito frigorífico de la bomba.
COMPONENTES:
La bomba de calor aire-agua consta de dos partes: el grupo bomba de calor situado en la parte superior y el depósito de acumulación en la parte inferior. La bomba de calor está basada en el aprovechamiento de la energía que producen los cambios de estado del fluido refrigerante. Este fluido circula por el interior de un circuito cerrado que consta de:- Compresor, cuyo trabajo permite el desarrollo del proceso y que requiere de electricidad para su funcionamiento.
- Condensador. Intercambiador de calor a través del cual el fluido refrigerante en forma de vapor cede toda su energía al agua del depósito. A medida que va cediendo la energía condensa y vuelve a estado líquido.
- Válvula de expansión. Componente del circuito por el que pasa el fluido refrigerante y que supone una reducción brusca de la presión y también un descenso notable de la temperatura.
- Evaporador. Otro intercambiador de calor que permite el intercambio entre el fluido refrigerante y el aire ambiente. En este intercambiador el fluido refrigerante pasa a estado vapor.
FUNCIONAMIENTO:
Un ejemplo claro de bomba de calor es el frigorífico.
En este caso, se transfiere el calor del interior del frigorífico
(reduciendo su temperatura) hacia el exterior, aumentando la temperatura
de la estancia. El principio de funcionamiento de la bomba de calor se basa en los principios de la termodinámica y se puede estructurar en 4 pasos:
- En el primer paso el fluido refrigerante se encuentra a baja
temperatura y a baja presión y, por lo tanto, en estado líquido. El aire
aspirado del ambiente pasa a través del evaporador, dónde el fluido
refrigerante absorbe la temperatura del aire ambiente y cambia de
estado. Al mismo tiempo, el aire es expulsado a una temperatura más
baja.
-El fluido refrigerante llega en forma de vapor pero
todavía a baja presión. Pasándolo a través del compresor se produce un
aumento de la presión con el consiguiente aumento de temperatura.
-Como resultado se obtiene vapor en un estado elevado de
energía. Este vapor es el que circula por el
condensador donde va cediendo toda la
energía al agua acumulada, volviendo así a estado líquido.
-En el último paso del proceso, el fluido refrigerante ya en
estado líquido se hace pasar por la válvula de expansión para obtener de
nuevo el fluido en sus condiciones iniciales, es decir, a baja presión
y a baja temperatura. De esta forma se puede volver a iniciar el
proceso.
FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA DE CALOR REVERSIBLE
Una bomba de calor
utiliza las propiedades de cambio de estado de un fluido refrigerante.
Este fluido refrigerante en estado de vapor o gas es comprimido por un
compresor. Al elevar la presión cede calorías a un condensador y pasa a
estado líquido. Después atraviesa un descompresor: su presión y su
temperatura se eleva, y pasa al estado gaseoso dentro de un evaporador
donde recupera calorías y genera calor.
En el caso de una bomba de calor reversible,
este ciclo se invierte, de forma que el evaporador se colocará dentro
de la estancia y el condensador fuera provocando el efecto inverso:
transferir el calor de dentro del local a fuera de forma que la
temperatura de la estancia bajará. Así, obtenemos frío.
Seria impráctico tener dos equipos, por
lo cual cada intercambiador de calor (uno dentro y otro fuera del
edificio) debe funcionar tanto como condensador como evaporador, según
sea el modo de operación. Un método de lograr esto consiste en añadir
una válvula de inversión en el ciclo, además del compresor y el dispositivo de estrangulamiento.
