¿Qué son los ciclos termodinámicos?
Se denomina ciclo termodinámico al circuito de transformaciones termodinámicas realizadas en uno o más dispositivos o máquinas térmicas. El objetivo de estas transformaciones es la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura, o de manera inversa, a producir mediante la aportación de trabajo el paso de calor de la fuente de menor temperatura a mayor temperatura.
La obtención de trabajo a partir de dos fuentes térmicas a distinta temperatura se emplea para producir movimiento. Por ejemplo, el accionamiento de turbinas para la generación de energía eléctrica.
En un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámico de obtención de trabajo. Se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, al revés de como tendería a suceder naturalmente. Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y en refrigeración.
¿Y cómo se clasifican?
Ciclo de Carnot: El ciclo de Carnot es un ciclo teórico diseñado para comparar la eficiencia térmica de las máquinas térmicas. Es un ciclo reversible realizado por una "máquina de Carnot" conectada a dos fuentes de diferente temperatura. Utiliza como agente de trabajo un gas ideal mediante cuyas transformaciones se obtiene trabajo mecánico.
Ciclo de Rankine orgánico: El Ciclo de Rankine orgánico es un modelo de predicción del funcionamiento de un sistema de turbinas de vapor. Este modelo utiliza un fluido orgánico de alto peso molecular con un cambio de fase de líquido a vapor o punto de ebullición, que sucede a temperatura más baja que el cambio de fase de agua a vapor.
Ciclo Diesel: El ciclo diesel es uno de los ciclos más utilizados en los motores térmicos de los automóviles.
En este tipo de motor el movimiento se produce por la autoignición del combustible debido a altas temperaturas provocadas por la compresión del combustible.
Durante el ciclo diésel se producen cuatro procesos: dos procesos isentrópicos alternados con un proceso isocórico y un proceso isobárico.
Ciclo Stirling: El ciclo de Stirling es un ciclo termodinámico que expresa los motores del principio de Stirling
El ciclo de Stirling se considera un ciclo reversible, lo que significa que si se agrega energía mecánica al ciclo, actuará como una bomba de calor para calentar o enfriar e incluso para un enfriamiento profundo o extremo.
También es un ciclo cerrado en el que el fluido que fluye en su interior nunca sale del ciclo.
¿Como se evalúa la eficiencia térmica en un ciclo termodinámico?, explique mediante un ejemplo.
Según la primera ley de la termodinámica (conservación de la energía), el trabajo realizado por el motor térmico (𝑊) está relacionado con el calor absorbido y el calor rechazado:
w=Q1- Q2
La eficiencia térmica (𝜂) se define como la relación entre el trabajo útil producido y el calor absorbido por el sistema:
η=W/Q1
Sustituyendo el valor del trabajo:
η = (Q1 - Q2)/Q1
Simplificando:
η = 1 - Q2/Q1
𝜂 = Eficiencia térmica
W = Trabajo
Q1 = Calor de entrada
Q2 = Calor de salida
Ejemplo: un motor recibe 1500 J de calor de una fuente caliente y desecha 600 J de calor al ambiente (foco frío). Queremos calcular la eficiencia térmica del motor.
η = 1 - 600/1500
η = 0.6 * 100
η = 60%
¿Que son las leyes de la termodinámica?, caracterice cada una de ellas.
Se conoce como leyes de la termodinámica o principios de la termodinámica a un conjunto de formulaciones que caracterizan a los sistemas termodinámicos a partir de sus cantidades físicas fundamentales: temperatura, energía y entropía.
Se denomina sistemas termodinámicos a una parte del universo que se aísla teóricamente para poder estudiarla.
Existen cuatro leyes de la termodinámica, enumeradas del cero al tres. En ellas se describe cómo operan dichos sistemas ante diversas circunstancias y contextos, y prohíben la existencia de algunos fenómenos, como el movimiento perpetuo. Se trata de las formulaciones más elementales de esta rama de la física.
La termodinámica es una rama de la física dedicada a la descripción de los estados de equilibrio de los sistemas físicos a nivel macroscópico, es decir, aquellos cuyas características son determinables por elementos internos y no por fuerzas externas que actúan sobre ellos. Por esta razón, considera que la energía solo puede intercambiarse de un sistema a otro en forma de calor o de trabajo.
Ley cero de la termodinámica
La “ley cero” es llamada así porque a pesar de haber sido la última en postularse, establece preceptos fundamentales para las otras tres.
Indica que “si dos sistemas están en equilibrio térmico de forma independiente con un tercer sistema, deben estar también en equilibrio térmico entre sí”.
Primera Ley de la termodinámica
También conocida como la “Ley de la Conservación de la Energía”, establece que en cualquier sistema físico aislado, la cantidad total de energía será la misma a lo largo del tiempo, aunque pueda transformarse en otras formas de energía.
Dicho de otro modo: “en un sistema aislado, la energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse”.
Segunda Ley de la termodinámica
Este segundo principio establece que “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse en el tiempo”, esto es, que el desorden de todos los sistemas incrementa hasta que hayan alcanzado el equilibrio.
Dicho de otro modo: dado el tiempo suficiente, todos los sistemas tienden al equilibrio, que es el estado de máximo desorden, máxima entropía.
Esta ley postula la irreversibilidad de los fenómenos físicos, e introduce la función de estado de entropía (S).
Así como la primera ley relaciona las distintas energías que intervienen en un proceso, la segunda ley impone restricciones a su dirección y un límite superior a la eficiencia de una máquina térmica. Esto quiere decir que ninguna máquina que convierte calor en trabajo puede hacerlo con 100% de eficiencia.
Tercera Ley de la termodinámica
Conocida también como el Postulado de Nerst, esta ley plantea que la entropía de un sistema llevado al cero absoluto es una constante definida:
Al llegar al cero absoluto (0 K), los procesos de los sistemas físicos se detienen.
Al llegar al cero absoluto (0 K), la entropía poseerá un valor mínimo constante.
Realice un ejemplo de cada ley de la termodinámica.
Ejemplo de la ley Cero de la
termodinámica
La ley cero puede expresarse lógicamente
como que si A = C y B = C, entonces A= B.
Ejemplo de la primera Ley de termodinámica
+Ejemplo de la segunda ley de termodinámica
Ejemplo de la tercera ley de termodinámica
