eficiencia termica

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Integrantes: Mauricio Lisboa. David Galaz. Juan Parraguez. Alfonso R. Zúñiga. Sección: 802

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Integrantes: Mauricio Lisboa.David Galaz.Juan Parraguez.Alfonso R. Ziga. Seccin: 802

ndice

Introduccin 3 Historia.4 Marco terico.. 6 Principio de carnot..9 Ciclo de carnot12 Diagrama de carnot16 Eficiencia trmica...18 Eficiencia trmica de un motor.22 Rendimiento calrico.23 Gasolina y diesel frente a la mquina perfecta de carnot..24 Ejercicios27 Resumen.31 Conclusin..35

IntroduccinLa termodinmica es la rama de la fsica que describe los estados de equilibrio a nivel macroscpico. Estudiando los estados de equilibrio y definiendo por medio de magnitudes tales como la energa interna, la entropa, el volumen los cuales son pro definicin independientes del tiempo y todo aparato formal de la termodinmica (todos las leyes y teoras que constituyen la termodinmica) las cuales estarn dispuestas en este documento ms adelante.A continuacin se presenta el siguiente informe donde se encontrara parte de la rama de la termodinmica, que se encuentra enfocada acerca de la eficiencia trmica, tema con el cual lidiamos da a da en nuestro vivir. Adentrndonos por el principio de la historia de la mquina de vapor donde se encontrara el ingeniero Nicola Sadi Carnot, creador de teorema de la segunda ley de la termodinmica en colaboracin con otros, mostrando su teora y principio de manera explcita, demostrado por medio de formulas, esquemas, ejercicio que conllevan a lo que es la eficiencia trmica. Con demostraciones y comparaciones de problemas cotidianos como es un motor a combustin interna de un automvil, se pondr a disposicin, de manera de reflejar toda la prdida y eficiencia que contribuye este v/s lo que plantea Carnot.

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Historia

Nicols Leonard Sadi Carnot (Pars, 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832), normalmente llamado Sadi Carnot fue un ingeniero francs pionero en el estudio de la Termodinmica. Se le reconoce hoy como el fundador de la Termodinmica.Era hijo de Lazare Carnot, conocido como el Gran Carnot, y to de Marie Franois Sadi Carnot, que lleg a ser Presidente de la Repblica Francesa.-En los primeros aos del siglo XVIII la mquina de vapor fue una de las mejores creaciones, pero de primera como no todos la conocan bien la tomaban como una molestia pequea y repugnante y muy ruidosa pero una vez que llego su poca de nacimiento tuvo que quedarse. Todo esto pasaba por la mente de Leonardo Sadi Carnot, el por influencia de su padre, y Tras la guerra con el Reino Unido, Francia tuvo que importar de ese pas la maquinaria de vapor ms avanzada de la poca, lo cual revel a Carnot y el mismo se dio cuenta que su pas estaba atrasado en su desarrollo. En lugar de construir un mquina de vapor mejor, el propuso una teora mejor. La fuerza del vapor ya no era una idea nueva, de la bomba de agua impulsada por vapor de Thomas Savery en 1698, como tambin los otros inventores como Thomas Newcomen y por supuesto James Watt ellos fueron mejorando la mquina de vapor hacindola ms poderosa y ms eficiente. El descubrimiento de James Watt, que fue enfriar el vapor fuera del cilindro principal, utilizando un condensador, as haciendo progresar la era del vapor.pg. 4

Con esta idea Carnot comprendi que la mejor mquina para la naturaleza era una que pudiera trabajar igual de bien en un sentido y en el contrario. En otras palabras una maquina que pudiera tomar vapor a baja temperatura y lo lleve a altas temperaturas.En una maquina ordinaria entra calor a altas temperaturas, se genera trabajo y sale calor a baja temperatura. Carnot imagino una mquina que trabajara en sentido inverso que entre calor a baja temperatura mediante al trabajo ejercido desde afuera y se producira calor a altas temperaturas, bueno si existe uno que trabaja as y se llama frigorfico, que este con la ayuda de un motor extrae calor de donde ya esta frio y lo deposita a temperaturas ms altas en el exterior.Como el segundo principio de la termodinmica es cierto, la mquina de Carnot es la ms eficiente que permite la naturaleza. Sadi Carnot no public nada despus de 1824 y es probable que l mismo creyera haber fracasado. Ese libro, ignorado hasta entonces por la comunidad cientfica de la poca, fue rescatado del olvido por el ingeniero ferroviario mile Clapeyron, que contribuy con su nueva representacin grfica a hacer ms fcil y comprensible la teora de Carnot.Sadi carnot muri en 1832 a los 36 aos, vctima de una epidemia de clera que asol Pars. El no era una persona famosa solo era una persona de gran respeto.

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Marco terico Primera ley de la termodinmica: Ley de la conservacin de la energa. La energa no se crea ni se destruye solo se transforma.Resulta claro que los procesos van en una cierta direccin y no en direccin contraria. La primera ley de la termodinmica no restringe la direccin de un proceso, pero satisfacerla no asegura que en realidad ocurra el proceso. Segunda ley de la termodinmica: La energa de un proceso fluye en una sola direccin la cual posee una calidad y una cantidad determinada.

La segunda ley de la termodinmica Enunciado de Kelvin-Planck: Ninguna maquina trmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo til.

La segunda ley de la termodinmica Enunciado de Clausius: Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningn otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.

Deposito de energa trmica: En el desarrollo de la segunda ley de la termodinmica es muy conveniente tener un hipottico cuerpo que posea una capacidad de energa trmica relativamente grande, que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningn cambio de temperatura. Tal cuerpo se llama depsito trmico. Importante aclara que un depsito que suministra energa en forma de calor se llama fuente y otro que absorbe energa se llama sumidero.

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Maquinas trmicas: El trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos son las maquinas trmicas. Caractersticas de estas:1) Reciben calor de una fuente a alta temperatura (petrleo, gasolina)2) Convierten parte de este calor en trabajo.3) Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero.4) Operan en un ciclo. Las maquinas trmicas y otros dispositivos cclicos en comn requieren hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo.

Q entrada: Cantidad de calor suministrada al vapor de una caldera desde una fuente de alta temperatura

Q salida: Cantidad de calor rechazada hacia el sumidero de baja temperatura.

W salida: Cantidad de trabajo que entrega el vapor sobre el elemento.

Entropa: es unamagnitud fsicaque, mediante clculo, permite determinar la parte de laenerga que no puede utilizarse para producirtrabajo. Es unafuncin de estadode carcterextensivoy su valor, en unsistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La entropa describe loirreversiblede los sistemastermodinmicos.

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Proceso isotrmico: Se denominaproceso isotrmicooproceso isotermoal cambio reversible en unsistema termodinmico.

Proceso Adiabtico: Entermodinmicase designa comoproceso adiabticoa aqul en el cual elsistema(generalmente, unfluidoque realiza untrabajo) no intercambia calorcon su entorno.

Transferencia de calor: Enfsica,la transferencia de calores el paso deenerga trmicadesde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Proceso reversible: Se denominanprocesos reversiblesa aquellos que hacen evolucionar a unsistema termodinmicodesde un estado deequilibrio1inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a travs de infinitos estados de equilibrio.

Proceso Irreversible: Entermodinmica, el concepto deirreversibilidadse aplica a aquellos procesos que, como laentropa, no son reversibles en eltiempo. Desde esta perspectiva termodinmica, todos los procesos naturales son irreversibles

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Principio de CarnotLa segunda ley de la termodinmica restringe la operacin de dispositivos cclicos segn se expresa mediante los enunciados de Kelvin Planck y Clausius. Una maquina trmica no puede operar intercambiando calor con un solo deposito y un refrigerador no puede funcionar sin una entrada neta de energa de una fuente externa.Se pueden obtener valiosas conclusiones a partir de estos enunciados; dos de estas son sobre la eficiencia trmica de maquinas reversibles e irreversibles (es decir reales) y se conocen como principios de Carnot, los cuales se expresan como:1) La eficiencia de una maquina trmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una maquina reversible que opera entre los mismos dos depsitos.2) La eficiencia de las maquinas trmicas reversibles que operan entre los mismos dos depsitos son las mismas.Estos dos enunciados se pueden comprobar mediante la demostracin de que la violacin de cualquiera de estos da como resultado la violacin de la segunda ley de la termodinmica. Para comprobar el primer enunciado considerar dos maquinas trmicas que operan entre los mismos depsitos, una es reversible y la otra irreversible. Despus a cada mquina se le suministra la misma cantidad de calor QH. La cantidad de trabajo producida por la maquina trmica reversible es W (rev), y la que produce la irreversible es W (irrev).Violando el primer principio de Carnot, se supone que la maquina trmica irreversible es ms eficiente que la reversible, por lo tanto entrega ms trabajo que la reversible. Ahora se invierte la maquina trmica reversible y opera como refrigerador, el cual recibir una entrada de trabajo W (rev), y rechazar pg. 9

Calor hacia el depsito de alta temperatura. Como el refrigerador esta rechazando calor en la cantidad de QH hacia el depsito de temperatura alta y la maquina trmica irreversible est recibiendo la misma cantidad de calor desde este depsito, el intercambio de calor neto para este dispositivo es cero. As, este se podra eliminar si la descarga QH del refrigerador va directamente a la maquina trmica irreversible.Ahora si se consideran juntos el refrigerador y la maquina irreversible, se tiene una maquina que produce trabajo neto en la cantidad de W (irrev)-W (rev), mientras intercambia calor con un solo deposito, lo cual viola el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley. Por lo tanto la suposicin es incorrecta. Entonces se concluye que ninguna maquina trmica puede ser ms eficiente que una maquina trmica reversible que opere entre los mismos depsitos.

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Q revQ irrev Q revQHQHW revW irrevDeposito a baja temperatura TLMTReversibleMTIrreversibleDeposito alta temperatura a THTambin es posible comprobar de manera similar el segundo principio de Carnot. Esta vez, se reemplaza la maquina irreversible por otra reversible que es ms eficiente, por lo tanto entrega ms trabajo que la primera mquina reversible. Siguiendo el mismo razonamiento, se tiene al final una maquina que produce una cantidad neta de trabajo mientras se intercambia calor con un solo deposito, lo cual viola la segunda ley. As se concluye que ninguna maquina trmica reversible puede ser ms eficiente que otra que opera entre los mismos dos depsitos, sin importar como se completa el ciclo o la base de fluido utilizado.

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Ciclo de CarnotLas maquinas trmicas son dispositivos cclicos y el fluido de trabajo de una de estas maquinas vuelve a su estado inicial al final de cada ciclo. Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y durante otra se hace trabajo sobre el fluido. La diferencia entre estos dos momentos es el trabajo neto que entrega la maquina trmica. La eficiencia del ciclo de una maquina trmica depende en gran medida de cmo se ejecute cada uno de los procesos que constituyen el ciclo. El trabajo neto y por lo tanto la eficiencia del ciclo, se pueden maximizar durante procesos que requieren la mnima cantidad de trabajo y entregan lo ms posible, es decir mediante procesos reversibles. Por lo tanto, no es sorprendente que los ciclos ms eficientes sean los reversibles, o sea, ciclos que consisten por completo en procesos reversibles.En la prctica no es posible lograr ciclos reversibles porque no se pueden eliminar las irreversibilidades relacionadas con cada proceso. Sin embargo, los ciclos reversibles proporcionan lmites superiores al desempeo de los ciclos reales. Las maquinas trmicas y los refrigeradores que funcionan en ciclos reversibles sirven como modelos con los cuales comparar las maquinas trmicas y los refrigeradores reales. Los ciclos reversibles sirven tambin como puntos de partida en el desarrollo de ciclos reales y se modifican segn sea necesario para satisfacer ciertos requerimientos.Es probable que el ciclo reversible ms conocido sea el ciclo de Carnot, propuesto en 1824 por el ingeniero francs Sadi Carnot. La maquina trmica que terica que opera en el ciclo de Carnot se llama maquina trmica de Carnot, cuyo ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotrmicos y dos adiabticos, y es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estable.

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Los cuatro procesos reversibles que conforman el ciclo de Carnot son los siguientes:Expansin isotrmica reversible: Inicialmente la temperatura del gas es TH y la cabeza del cilindro est en contacto estrecho con una fuente a temperatura TH. Se permite que el gas se expanda lentamente y que realice trabajo sobre los alrededores. Cuando el gas se expanda a su temperatura tiende a disminuir, pero tan pronto como disminuye la temperatura, cierta cantidad de calor se transfiere del depsito hacia el gas, de modo que la temperatura de este se eleva a TH. As la temperatura del gas se mantiene constante en TH. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el depsito nunca excede una cantidad diferencia, este es un proceso reversible de transferencia de calor. E l proceso continua hasta que el embolo alcanza la posicin 2. La cantidad de calor total transferido al gas durante este proceso es QH.

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Expansin adiabtica reversible: En el estado 2, el depsito que estuvo en contacto con la cabeza del cilindro se elimina y se reemplaza por aislamiento para que el sistema se vuelva adiabtico. El gas contina expandindose lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye de TH a TL. Se supone que el embolo no experimenta friccin y el proceso est en casi equilibrio, de modo que el proceso es irreversible as como adiabtico.

Compresin isotrmica reversible: En el estado 3, se retira el aislamiento de la cabeza del cilindro y se pone a este en contacto con un sumidero a temperatura TL. Despus una fuerza externa empuja el cilindro hacia el interior de modo que se realiza trabajo sobre el gas. A medida que el gas se comprime, su temperatura tiende a incrementarse, pero tan pronto como aumenta una cierta cantidad, el calor se transfiere desde el gas hacia el sumidero, lo que causa que la temperatura del gas descienda a TL. As la temperatura del gas permanece constante en TL. Como la diferencia de temperatura entre el gas y el sumidero nunca excede una cantidad diferencia, este es un proceso de transferencia de calor reversible, el cual continua hasta que el embolo alcanza el estado 4. La cantidad de calor rechazado del gas durante el proceso es QL.

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Compresin adiabtica reversible: El estado 4 es tal que cuando se elimina el depsito de baja temperatura, el aislamiento se coloca de nuevo en la cabeza del cilindro y el gas se comprime de manera reversible hasta volver a su estado inicial (estado 1). La temperatura sube de TL a TH durante este proceso de compresin adiabtica reversible, que completa el ciclo.

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Diagrama de Carnot

El diagrama P-V, muestra que el rea bajo la curva del proceso el trabajo de frontera para procesos en cuasi equilibrio (internamente reversible). Se observa entonces que para este caso el rea bajo la curva 1-2-3 es el trabajo que realiza el gas durante la parte de expansin del ciclo y el rea bajo la curva 3-4-1 es el trabajo realizado sobre el gas durante la parte de compresin del ciclo. El rea que encierra la trayectoria del ciclo (rea 1-2-3-4-1) es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo. Observar que si acta de esta manera poco generosa y se comprime el gas de forma adiabtica en el estado 3 en lugar de hacerlo de modo Isotrmico en un esfuerzo por ahorrar QL, se terminara de nuevo en el estado 2, de manera que se vuelve a trazar la trayectoria del proceso 3-2. De este modo se ahorrara QL pero no se podra obtener ninguna salida de trabajo neto de esta mquina. pg. 16

Esto ilustra una vez ms la necesidad de que una maquina trmica intercambie calor con al menos dos dispositivos a diferentes temperaturas para operar en un ciclo y producir una cantidad neta de trabajo.El ciclo de Carnot tambin se puede aplicar en un sistema de flujo estable.Por ser un ciclo reversible el de Carnot es el ms eficiente que opera entre dos lmites de temperatura especificados. Aun cuando el ciclo de Carnot no se puede lograr en la realidad, la eficiencia de los ciclos reales se mejora al intentar aproximarse lo ms posible al de Carnot

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Eficiencia trmicaSe define como el coeficiente calculado como el cociente de la energa producida en un ciclo de funcionamiento y la energa suministrada a la maquina trmica para que logre completar el ciclo. Se designa con la letra griega ter.

Fuente

Entrada de calor:100kj 100kj

Salida de trabajo neto30kj Salida de trabajo neto20kj

Calor desecho: calor desecho:80kj 80kj

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En la ecuacin anterior (Q) salida representa la magnitud de la energa que se desperdicia con la finalidad de completar el ciclo. Pero (Q) salida nunca es cero; de esta manera, la salida neta de trabajo de una maquina trmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, solo parte del calor transferido a la maquina trmica se convierte en trabajo. La fraccin de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempao de una maquina trmica y se llama eficiencia trmica.Para las maquinas trmicas, la salida deseada es la de trabajo neto, mientras que la entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido de trabajo. Entonces la eficiencia trmica de una maquina de una maquina trmica se expresa como:Formulas:Eficiencia trmica = O bien: ter=

Tambin es posible expresarla como: ter=

Donde (W) neto salida= (Q) entrada-(Q) salida.

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Los dispositivos cclicos de inters prctico como las maquinas trmicas, los refrigeradores y las bombas de calor operan entre un medio de alta temperatura, a temperatura TH y otro de baja temperatura TL. Para uniformar el tratamiento de maquinas trmicas, refrigeradores y bombas de calor, se definen estas dos cantidades:QH= magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cclico y el medio de alta temperatura TH.QL= magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cclico y el medio de baja temperatura TL. Cabe observar que QL y QH estn definidas como magnitudes, por lo tanto son cantidades positivas .La direccin de QH y QL se determinan fcilmente mediante inspeccin. Entonces el trabajo neto y las relaciones de eficiencia trmica para cualquier maquina trmica tambin se pueden expresar como

=

O bien: =

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La eficiencia trmica de una maquina trmica siempre es menor a la unidad porque QL y QH se definen como cantidades positivas.La eficiencia trmica es una medida de qu tan eficiente una maquina trmica convierte el calor que recibe en trabajo, de hay que los ingenieros traten constantemente de mejorar las eficiencias de estos dispositivos dado que mayor eficiencia significa menos consumo de combustible y por lo tanto menores costos y menos contaminacin ambiental.Las eficiencias trmicas de dispositivos que producen trabajo son relativamente bajas en donde las ms eficientes rechazan casi la mitad de la energa que reciben como calor de desecho; en donde tambin cabe destacar que algunas maquinas trmicas se desempean mejor que otras aun as recibiendo la misma cantidad calrica de la fuente. Los motores ordinarios de automviles de ignicin por chispa tienen una eficiencia de alrededor de 25 por ciento. Es decir, un motor de automvil convierte cerca de 25 por ciento de la energa qumica de la gasolina en trabajo mecnico. Este nmero es tan alto como 40 por ciento de los motores diesel y las grandes centrales de turbinas de gas y tan alto como 60 por ciento de las grandes centrales elctricas que funcionan con gas y vapor. As incluso con las maquinas trmicas ms eficientes disponibles en la actualidad, casi la mitad de la energa suministrada termina en ros, lagos, o en la atmosfera como energa de desecho o intil.

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Eficiencia Trmica del MotorLa gasolina es la fuente de energa en un motor. Quemarla significa generar la fuerza suficiente para mover el conjunto mvil y adems entregar un excedente para fuerza de giro.

Un motor de pistones, alimentado con gasolina, no es capaz de alcanzar 100% deeficiencia trmica. Es decir, no puede aprovechar todo el calor generado por la combustin para transformarlo en fuerza motriz. Los motores de combustin interna a gasolina son derrochadores, ya que su eficiencia trmica es bastante pobre. Alrededor de 30% de la energa calrica que disponen, la transforman en movimiento y la otra parte la disipan (prdida), hacia la atmsfera o sistema de refrigeracin. Su popularidad se basa en la agilidad de aceleracin que presentan, a diferencia de otros tipos como el diesel, que arrojan mejor eficiencia trmica pero son mucho ms lentos y ruidosos.

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Rendimiento Calrico

No todos los motores de combustin interna desperdician igual cantidad de calor durante su funcionamiento. Comparando motores de caractersticas iguales, se considera ms eficiente a aquel que utilice mayor porcentaje de calor para producir fuerza motriz. Muchas son las razones por la cual un motor puede cambiar su eficiencia trmica. Como ejemplo podemos mencionar un motor que est siendo refrigerado en exceso. Es decir, su sistema de refrigeracin no es el apropiado ya que retira mayor calor que el adecuado. Como consecuencia de esto el conjunto opera a temperaturas menores y su potencia decae.

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Gasolina y diesel frente a la mquina perfecta de carnot

Los motores de gasolina y disel son mquinas trmicas y, por tanto, estn limitadas por el mximo absoluto de Carnot, pero su funcionamiento es sustancialmente distinto y, por definicin, menos eficiente, que el de la mquina reversible y perfecta por muchos motivos. As pues, sera ms exacto hacerun modelo terico de un motor disel o gasolina idealespara conocer su eficiencia mxima e insuperable.Este modelo existe y es una especie de adaptacin del ciclo reversible de Carnot al ciclo de funcionamiento de estos motores en concreto. No vamos a bucear en sus frmulas, pero s vamos a curiosear en sus resultados.Empezando por un motor de Ciclo Otto (gasolina convencional), tomando datos razonables para las variables implicadas, laeficiencia mxima de un motor teorico perfecto de gasolina con una relacin de compresin 8:1 es de un 56,5.En el caso delciclo diesel, que difiere ligeramente de la gasolina y permite relaciones de compresin mayores, eneste clculo realizado sobre el modelo terico de este ciclo, se puede ver que surendimiento perfecto para una relacin de compresin de 18:1 sera de un 63,2%.En el mundo realno es posible construir motores que funcionen o se acerquen siquiera a estas condiciones

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Estos rendimientos (que son inferiores al mximo absoluto de Carnot) corresponderan a motores ideales, lo que implica cosas como ausencia de rozamientos, prdidas nulas por bombeo, procesos instantneos de combustin, apertura y cierre de vlvulas en tiempo cero, procesos muy lentos de compresin y expansin y un aislamiento trmico sin prdidas de energa. Dicho de otro modo, en el mundo realno es posible construir motores que funcionen o se acerquen siquiera a estas condiciones.Lo que todo ello significa es que, en el diseo de un motor trmico, el objetivo no puede ser convertir toda la energa qumica en movimiento, sinointentar no desperdiciar mucho ms de la mitad, en el mejor de los casos.

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Como ejemplo notable de la eficiencia mxima alcanzable en el mundo real por un motor disel, ya expusimos con cierto detalle el caso delmotor alternativo ms potente del mundo, un disel naval de 109.000 CV.Su eficiencia mxima era de un 51,5% girando alrededor de 100 rpm. Puesto que su lentitud lo hace mucho ms eficiente que un disel automovilstico, cabe suponer que ningn disel montado en un coche a da de hoy se encuentre ahora mismo muy por encima de un 40% de rendimiento en su rgimen de trabajo y carga ptimos, si es que lo alcanza, y desde luego no en toda su gama de revoluciones.Por lo que respecta a los motores de gasolina, deberan estar alrededor de 2/3 de esa cifra segn las numerosas referencias consultadas, as que podramos tomar como valor aproximado de rendimiento ptimo para un gasolina moderno un aprovechamiento no muy superior al 30% de la energa consumida, suponiendo que se alcance tal cota y, de nuevo, no en toda la gama de revoluciones y niveles de carga.

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Ejercicios1. Produccin de potencia neta de una maquina trmica.Se transfiere calor a una maquina trmica desde un horno a una tasa de 80 MW. Si la tasa de rechazo de calor hacia un rio cercano es 50 MW, determine la salida de potencia neta y la eficiencia trmica para esta maquina trmica.Solucin: se cuenta con las tasas de transferencias de calor hacia y desde una maquina trmica. Se determinara la salida de potencia neta y la eficiencia trmica.Suposiciones: se ignoran las perdidas de calor por las tuberas y otros componentes.Anlisis: en la figura se ofrece un esquema de la maquina trmica. El horno sirve como un deposito de alta temperatura para la maquina y el rio como un deposito de temperatura baja. Las cantidades dadas se pueden expresar como:

La salida de potencia neta para esta maquina trmica es

La eficiencia trmica se determina sin dificultad como:

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Explicacin: la maquina trmica convierte en trabajo 37.5 por ciento del calor que recibe.

RIO MTHORNO

Qh=80 MW

Wneto, salida

QL=50 MW

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2. Tasa de consumo de combustible de un automvilUn motor de automvil con una salida de potencia de 65 hp tiene una eficiencia trmica de 24%. Determine la tasa de consumo de combustible de este automvil si el combustible tiene un poder calrico de 19000Btu/Lbm(es decir, 19000 Btu (poder calrico) de energa se libera por cada Lbmde combustible quemado).Solucin: se cuenta con los datos de la salida de potencia y eficiencia de un motor de automvil. Se determinara la tasa de consumo de combustible del automvil.Suposiciones: la salida de potencia del automvil es constante.Anlisis: la figura 6-17 se ofrece el esquema de un motor de automvil, el cual es propulsado convirtiendo en trabajo 24% de la energa qumica liberada durante el proceso de combustin. La cantidad de entrada de energa requerida para producir una salida de potencia de 65 hp se determina a partir de la definicin de eficiencia trmica como: Para suministrar energa a esta tasa, al maquina debe tener combustible a una tasa de: Ya que se liberan 19000 Btu de energa trmica por cada Ibm de combustible quemado.Explicacin: si se pudiera duplicar la eficiencia trmica del automvil, la tasa de consumo de combustible se reducira a la mitad.pg. 29

AtmosferaMotor de automvil(Idealizado)Cmara De combustin

Qh

Wneto, salida=65 hp

QL

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ResumenLa segunda ley de la termodinmica establece que un proceso ocurre en cierta direccin, no en cualquiera. Un proceso no ocurre a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda ley de la termodinmica. Los cuerpos que pueden absorber o rechazar cantidades finitas de calor en forma isotrmica se llaman depsitos de energa o depsitos de calor.El trabajo se puede convertir directamente en calor, pero este no se puede convertir en trabajo sino nicamente por medio de ciertos dispositivos llamados maquinas trmicas. La eficiencia trmica de una maquina trmica se define como

Donde Wneto, salida es la salida de trabajo neto de la maquina trmica. Qh la cantidad de calor suministrada a la maquina y QL la cantidad de calor que la maquina cede.Los refrigeradores y las bombas de calor son dispositivos que absorben calor de medios de baja temperatura y lo ceden hacia la atmosfera a medios de mayor temperatura. El desempeo de un refrigerador o bomba de calor se expresa en trminos del coeficiente de desempeo, definido como

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El enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinmica establece que ninguna maquina trmica puede producir una cantidad neta de trabajo mientras intercambia calor con un solo deposito. El enunciado de Clausius de la segunda ley expresa que ningn dispositivo puede transferir calor de un cuerpo ms frio a otro caliente sin dejar un efecto sobre los alrededores.Cualquier dispositivo que viola la segunda ley de la termodinmica se llama maquina de movimiento perpetuo. Se dice que un proceso es reversible si tanto el sistema como los alrededores pueden volver a su condicin original.Cualquier otro proceso es irreversible. Los efectos que hacen que un proceso sea irreversible son la friccin, la expansin o compresin sin cuasi equilibrio y la transferencia de calor por una diferencia de temperatura finita, las cuales se denominan irreversibles.El ciclo de Carnot es un ciclo reversible compuesto por cuatro procesos reversibles, dos isotrmicos y dos adiabticos.Los principios de Carnot establecen que las eficiencias trmicas de las maquinas trmicas reversibles que operan entre dos depsitos son las mismas, y que ninguna maquina de este tipo es ms eficiente que una reversible que opera entre los mismos dos depsitos. Estos enunciados crean el fundamento para establecer una escala termodinmica de temperatura relacionada con las transferencias de calor entre un dispositivo reversible y los depsitos a alta y baja temperaturas, por medio de

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Por lo tanto, la relacin QH/QL se puede reemplazar por TH/TL para dispositivos reversibles, donde TH y TL son las temperaturas absolutas de los depsitos de temperaturas alta y baja, respectivamente.Una maquina trmica que opera en un ciclo reversible de Carnot se llama maquina trmica de Carnot. La eficiencia trmica de una maquina trmica de Carnot, as como de las otras maquinas trmicas reversibles esta expresada por

Esta es la eficiencia mxima que puede tener una maquina trmica que opera entre dos depsitos a temperaturas TH y TL.Los COP de refrigeradores reversibles y las bombas de calor se obtienen de una manera similar

Y

De nuevo, estos son los COP ms altos que puede tener un refrigerador o una bomba de calor que opera entre los lmites de temperatura TH y TL.

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ConclusinAl concluir est trabajo deja en nosotros una amplia gama de conocimientos entre cuales est la gran importancia de conocer los fundamentos de la termodinmica, eficiencia trmica, etc.Tambin nos adentramos al mundo de Carnot quien a sus 28 aos comienza con sus invenciones tomando como base a las maquinas a vapor tratando de mejorarlas al 100% tratando de generar energa sin perdidas de calor (reversible).Hoy en da los fbricas automotrices tratan de desarrollar los motores ms eficiente posible pero sin resultados satisfactorios, ya que al ser motores de ciclo Otto tienen un gran lmite termodinmico y queda muy al debe en comparacin a la mquina perfecta de Carnot, esperemos que algn da se logre a llegar a lo que un da so Carnot y la eficiencia trmica.

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