INSTITUTO DE FORMACION DOCENTE JOSE MANUEL ESTRADA
CARRERA: PROFESORADO 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°
AÑO 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 ley se le llama llama de "equilibrio "equilibrio térmico". térmico". El equilibrio equilibrio térmico debe entenderse entenderse como el 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 misma temperatura que un tercer sistema C, entonces A y C están a la misma temperatura". Este concepto 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 LA
ENERGÍA: "La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro". Entonces esta ley expresa que, cuando un sistema es sometido a un ciclo termodinámico, 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 energía ganada 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, 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 cierta libertad 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 una
temperatura 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 se utiliza 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 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 contiene una cierta cantidad de gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T 1 < T 2 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 sigue
expandiéndose, pero de forma adiabática. En consecuencia, el trabajo se produce a costa de la energía, interna, con lo que el sistema disminuye de temperatura, hasta alcanzar un valor T1, verificándose que T2
- Compresión isoterma. El gas se comprime isotérmicamente, con lo que se produce
una 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 transforma íntegramente 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 en aumentar su energía interna, con lo que la temperatura se eleva hasta alcanzar de nuevo el valor T1 reiniciándose el ciclo. Se demuestra que el rendimiento del ciclo de Carnot, que trabaja entre las temperaturasT2yT1es:
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 cedería Q1 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 tendencia natural del flujo de calor, por lo que es necesario invertir ("gastar") trabajo externo para que sea esto posible. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, 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 temperatura requiere de dispositivos especiales llamados refrigeradores; estos son dispositivos cíclicos cuyo 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 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 gases CFC o clorofluorocarbonos, circula por un tubo que recorre las partes interna y externa de la heladera intercambiando calor. Los pasos del proceso para producir el enfriamiento son los siguientes. •
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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 compresión calienta). 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).
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Al enfriarse, enfriarse, el gas comprimido se transforma transforma en líquido líquido (los gases gases muy comprimidos se condensan) y libera más calor al ambiente (cuando un gas se hace 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. Estos procesos quitan calor del interior de la heladera (la evaporación quita calor, la expansión enfría). Al perder perder calor, el interior interior de la la heladera heladera se enfría (el cuerpo que pierde 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 refrigerant e ha llegado al final de su ciclo y está listo para volver a empezar.
