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C I C L O D E
C A R N O T , E
N T R O P I A ,
E X E R G I A
E Q U I P O C O N F O R M A D O P O R : Á N G E L A D R I Á N C A R I N A A R G U E L L E S C E S A R A L F R E D O E M A N U E L M A R T Í N E Z M A R C O S G O N Z A L E S
Ciclo de Carnot
- El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal que
describe el proceso más eficiente posible para convertir
calor en trabajo. Se basa en dos procesos isotérmicos y dos
procesos adiabáticos. El ciclo ideal es reversible, lo que
significa que la máquina puede funcionar tanto como una
máquina frigorífica, absorbiendo calor de la fuente fría y
entregándolo a la fuente caliente, o como una bomba de
calor, cediendo calor a la fuente caliente. Sadi Carnot
publicó este concepto en 1824, abriendo el camino para la
La expansión isoterma
- Comienza con el gas a temperatura T1 y mínimo volumen,
al recibir calor de la fuente caliente. A pesar de que el gas
tiende a enfriarse al expandirse, absorbe calor de T1 y
mantiene su temperatura constante. Debido a que es un
gas ideal, su energía interna no cambia, y según la 1.ª ley
de la termodinámica, todo el calor transferido se convierte
en trabajo.
- La primera ley de la termodinámica establece que la
energía de un sistema solo puede cambiar debido al
trabajo mecánico realizado y al calor intercambiado con el
entorno. Los objetos en reposo o en movimiento tienen
diferentes formas de energía, las cuales pueden
transformarse de una a otra mediante procesos
específicos.
Compresión isoterma
- Compresión isoterma (C → D): Durante la compresión, el gas cede calor a la fuente fría, lo que evita que su temperatura aumente. Como resultado, la energía interna del gas y la temperatura permanecen constantes. Sin embargo, se debe realizar un trabajo sobre el sistema debido a la cesión de calor.
- Cuando un sistema está aislado térmicamente, evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta alcanzar el estado inicial. Durante este proceso, la energía interna del sistema aumenta y no hay intercambio de calor, por lo que se debe comunicar trabajo al sistema. 𝑄 41 = 0 → 𝑈 41 = −𝑊 41 → 𝑊 41 < 0 Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía: 𝑆 41 = 0 Compresión adiabática
La entropía se refiere al desorden en un sistema y cómo, cuando algo no está controlado, puede transformarse y desordenarse. También implica que de ese caos surge un equilibrio o homogeneidad en el sistema. La idea del desorden termodinámico fue desarrollada por Rudolf Clausius a través de una función basada en un proceso cíclico reversible. En un proceso reversible, la integral curvilínea de: 𝛿𝑄 𝑇 La variación en un proceso reversible entre los estados inicial y final depende solo de esos estados, independientemente del camino seguido. Existe una función del estado del sistema, S=f(P,V,T), llamada entropía, cuya variación en este proceso es 𝛿𝑄 . 𝑇
La ecuación establece que si el calor se transfiere al sistema, también lo hará la entropía en la misma dirección. A temperaturas más altas, el flujo de calor que entra al sistema aumenta la entropía. En el Sistema Internacional, la entropía se mide en J/K (o Clausius), que es la variación de entropía que experimenta un sistema al absorber 1 julio de calor a 1 kelvin. La entropía global del sistema es la suma de la entropía del sistema y la entropía de los alrededores. La variación de entropía del universo para un proceso dado es igual a la variación en el sistema más la de los alrededores. ∆𝑆 𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑜
Exergía es:
- La exergía es una propiedad termodinámica de una sustancia que
permite determinar el potencial de trabajo útil de una cantidad de
energía. Informa sobre la utilidad potencial del sistema como
fuente de trabajo y su variación solo depende de los estados inicial
y final del proceso, así como de las condiciones del entorno. La
exergía es el máximo trabajo teórico que puede realizar un sistema
combinado formado por un sistema cerrado y el ambiente, cuando
el sistema cerrado evoluciona hasta alcanzar el equilibrio con el
ambiente. También se define como la porción de la energía que
puede transformarse en trabajo mecánico.
- La exergía determina el valor termodinámico de un recurso y
permite analizar el desperdicio de los recursos, estableciendo
pautas para su ahorro y uso eficiente. Se ejemplifica con la quema
de combustible, donde la exergía del sistema inicial es mayor que
la de la mezcla de aire y productos de combustión, a pesar de
tener la misma energía asociada. Otro ejemplo es el agua de
refrigeración en las centrales térmicas, que a pesar de recibir una
gran cantidad de energía, tiene una exergía asociada baja
debido a su mínima utilidad para obtener trabajo.
Balances
- El balance de exergía es una combinación de balance de energía
y entropía, derivados de los principios de la termodinámica. No es
un resultado independiente, pero puede utilizarse como
formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica.
Este método de análisis es útil para evaluar el rendimiento
energético de una instalación, permitiendo valorar las pérdidas de
energía en un proceso, la energía aprovechable de flujos salientes
en sistemas abiertos y las ventajas de métodos regenerativos en
instalaciones térmicas.
Se dividen de la siguiente manera:
Balance en sistemas cerrado
- Un sistema cerrado puede intercambiar energía con el entorno en forma de calor o trabajo, lo que implica una transferencia de exergía. Sin embargo, esta transferencia de exergía no siempre coincide con la variación de exergía del sistema, ya que parte de la exergía se destruye debido a la generación de entropía. Esto sucede en procesos reales con transferencia de energía en forma de calor, donde se genera entropía adicional debido a procesos irreversibles dentro del sistema. 2 𝐴 2
1 = න 1 𝑆𝑄 −
Balance en sistemas abiertos
- La exergía de flujo se utiliza en sistemas abiertos con transferencia de masa, y representa la exergía asociada a una corriente material que atraviesa un volumen de control específico. Se expresa en magnitudes específicas por unidad de masa. Donde:
0
0
2
- 𝑔. 𝑧 2 h, s, C y z son: entalpía, entropía, velocidad, altura de flujo respectivamente. ℎ 0
0
0 son: las propiedades evaluadas en el estado muerto g: es la gravedad
