INTRODUCCIONEl Primer   Principio de   la   Termodinámica   implica   que   en   todo   proceso termodinámico la  energía se conserva.  Sin embargo,  este principio no es suficiente para determinar si un proceso concreto puede ocurrir o no. Por ejemplo, en un proceso cíclico, se puede convertir todo el trabajo en calor pero no se puede producir el proceso inverso, es decir, transformar todo el calor absorbido en trabajo aunque en este caso tampoco se viole el Primer Principio.  Mediante   ese   ejemplo   se   deduce   también   que   no   todas   las formas de energía son igualmente aprovechables.

Necesidad del Segundo Principio

Por  ello,  es  necesario  establecer  otro  principio   (Segundo Principio  de   la Termodinámica) que indique cuándo un proceso puede ocurrir y cuándo no, aunque se siga cumpliendo el Primer Principio. En este tema se darán varios enunciados del Segundo Principio, siendo todos ellos equivalentes.

Se definirá también una nueva función de estado, llamada entropía (S), que permitirá   caracterizar   en   qué   sentido   tienen   lugar   los   procesos termodinámicos.

Ejemplos

Se presentan algunos casos en los que el proceso siempre tiene lugar en el mismo sentido, aunque si ocurriera en el sentido inverso no se violaría el Primer Principio.

   Conducción  de   calor  de  un   cuerpo   caliente  a  otro   frío:   cuando ponemos  en contacto  dos  cuerpos  a  distinta   temperatura  el   calor siempre  se   transfiere  del  cuerpo caliente  al  cuerpo  frío,  nunca  en sentido contrario.

 Movimiento con rozamiento: una masa que se desliza sobre una superficie con rozamiento pierde su energía cinética transformándose en calor disipado. La experiencia nos dice que en ningún caso una masa que se encuentra en reposo se enfría de forma espontánea y transformar ese calor en energía cinética, iniciando el movimiento.

  Expansión adiabática de un gas frente al vacío: el gas nunca        evoluciona en sentido inverso, comprimiéndose para volver a su estado inicial.

MAQUINAS TERMICAS

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo.

El   desarrollo   de   la   Termodinámica   y   más   en   concreto   del   Segundo Principio   vino  motivado  por   la   necesidad  de  aumentar   la   cantidad  de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma empírica, se llega así al primer enunciado del Segundo Principio:

Enunciado de Kelvin-Planck

No   es   posible   ninguna   transformación cíclica que   transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo.

Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada  en   trabajo  debe   cederse  en   forma  de   calor   a  otro   foco térmico, es decir,  una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos.   El   esquema  más   sencillo   de   funcionamiento   es   entonces   el siguiente:

1. Absorbe   una   cantidad   de   calor   Q1 de   un   foco   caliente   a   una temperatura T1

2. Produce una cantidad de trabajo W

3. Cede una cantidad de calor Q2 a un foco frío a una temperatura T2

Como   la   máquina   debe   trabajar   en   ciclos,   la   variación   de energía interna es   nula.   Aplicando   el Primer   Principio el   trabajo   producido   se puede expresar:

En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s)

Rendimiento (η)

El   objetivo  de   una  máquina   es   aumentar   la   relación   entre   el   trabajo producido  y  el   calor  absorbido;   se  define  pues  el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la  limitación impuesta por enunciado  de  Kelvin-Planck,   el   trabajo  es   siempre  menor  que  el   calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno:

Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las máquinas más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%.

Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:

REFIGERADORASUn refrigerador es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a   una   cierta   temperatura   y   cederlo   a   otro   que   se   encuentra   a   una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua,   aire   u   otras   sustancias)   que   realiza   una   serie   de transformaciones termodinámicas de   forma   cíclica,   para   que   pueda   funcionar   de   forma continua, como sucede con las máquinas térmicas.

Como   ya   se   ha   comentado   en   la introducción el   paso   de   calor   de   un cuerpo frio a otro caliente no se produce de forma espontánea. Se llega así a un nuevo enunciado del Segundo Principio:

Enunciado de Clausius:

No es posible el paso de calor de un cuerpo frío a uno caliente sin el consumo de trabajo.

Se puede representar un refrigerador de forma esquemática de la siguiente manera:

Absorbe una cantidad de calor Q2 de un foco frío a una temperatura T2

Consume una cantidad de trabajo W

Cede una cantidad de calor Q1 a un foco caliente a una temperatura T1Como se ha comentado anteriormente, un refrigerador trabaja en ciclos, por lo que la variación de energía interna es nula. Teniendo en cuenta el criterio de signos, el calor cedido al foco caliente será:

En este caso, la potencia es evidentemente una potencia consumida.

Eficiencia Un refrigerador se optimizará reduciendo el  trabajo consumido para  la misma cantidad de calor extraída del foco frío. La eficiencia (ε) de un refrigerador se define entonces como:

La limitación impuesta por el enunciado de Clausius nos indica simplemente que la eficiencia debe ser menor que infinito, ya que el trabajo debe ser distinto de cero.

CongeladorUn  congelador,   es   un  equipo  de   refrigeración  que   comprende  un   compartimento  aislado térmicamente y un sistema frigorífico, bien sea por compresión o por absorción, el cual es capaz de mantener los productos almacenados en su interior a una temperatura bajo 0 ºC, normalmente entre -30 °C y -4 °C.

Los congeladores son utilizados para almacenar  los alimentos y otros productos por  largos períodos en estado de congelación y a una temperatura de régimen establecida. La finalidad del   congelado  es   cesar   la   actividad   enzimática   propia   de   todo   alimento   y   evitar,   así,   su descomposición o alteración en sus propiedades organolépticas, perdiendo así su calidad. Ese cese de actividad enzimática se produce a los -30 °C. No obstante lo anterior, la mayoría de los congeladores   operan   alrededor   de   los   -18   °C,   donde   la   actividad   enzimática   es extremadamente  lenta;  debido a esto es que no se pueden mantener  indefinidamente  los alimentos a dicha temperatura.

Se  utilizan   tanto   en   los   hogares   como  para  uso   comercial.   Los   congeladores   domésticos pueden ser parte de un refrigerador, y compartir el mismo sistema frigorífico, o pueden ser unidades independientes. Los congeladores domésticos normalmente son unidades verticales, parecidas a un refrigerador, pero dedicadas sólo a congelar, o bien unidades "tipo cofre", que son similares a  los anteriores,  pero en sentido horizontal.  Muchos congeladores modernos vienen con un dispositivo que hace hielo, en cubitos, escarchado o ambos.

CALDERAS

Una caldera es una maquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.

Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier   fuente  de  energía  se   transforma en energía  utilizable,  a   través  de un medio  de transporte en fase líquida o vapor.

Las   calderas   son   un   caso   particular   en   el   que   se   eleva   a   altas   temperaturas   de intercambiadores   de   calor,   en   las   cuales   se   produce   un   cambio   de   fase.   Además   son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.

Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para generarlo para aplicaciones como:

•  Esterilización   (tindarización),   es   común   encontrar   calderas   en   los   hospitales,   las   cuales generan   vapor   para   esterilizar   los   instrumentos  médicos,   también   en   los   comedores   con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas.

•  Calentar  otros  fluidos,  por  ejemplo,   en   la   industria  petrolera   se   calienta  a   los  petroles pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.

• Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

Es   común  la   confusión  entre  caldera   y  generador  de  vapor,  pero   su  diferencia  es  que  el segundo genera vapor sobrecalentado

PRINCIPALES TIPOS DE CALDERAS

Aunque existen numerosos diseños y patentes de fabricación de calderas,  cada una de  las cuales puede tener características propias, las calderas se pueden clasificar en dos grandes grupos; calderas pirotubulares y acuatubulares, algunas de cuyas características se indican a continuación. 

CALDERAS PIROTUBULARES

Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen 

el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el  intercambio de calor por conducción y convección. Según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico, los humos son expulsados al exterior a través de la chimenea. 

CALDERAS ACUOTUBULARES.

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las piro tubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderón o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar 

dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobre calentador, recalentador, economizador, etc. 

Estas calderas,  constan de un hogar configurado por tubos de agua,  tubos y refractario,  o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona  de   radiación  de   la   caldera.  Desde  dicho  hogar,   los  gases  calientes   resultantes  de   la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea. Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera,   se   las   suele   dotar   de   elementos,   como   los   ya   citados,   economizadores   y precalentadores,  que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando así mejor el calor sensible de dichos gases 

CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA

Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera está preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea. 

Hay que destacar que en estas calderas el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste entre el calor aportado y el caudal de 

agua, daría lugar a obtener agua caliente o vapor sobrecalentado, según faltase calor o este fuese superior al requerido.

ELEMENTOS, TÉRMINOS Y COMPONENTES DE UNA CALDERA

• Agua de alimentación: Es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización.

• Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor.

• Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones.

•  Vapor  húmedo o saturado:  Vapor  con arrastre  de  espuma proveniente  de una agua de alcalinidad elevada.

• Condensador: Sistema que permite condensar el vapor.

• Estanque de acumulación: Es el estanque de acumulación y distribución de vapor.

• Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera.

• Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera.

• Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.

• Fogón o hogar: Alma de combustión del sistema.

• Combustible: Material que produce energía calórica al quemarse.

• Agua de calderas: Agua de circuito interior de la caldera cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada.

• Ciclos de concentración: Número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación.

• Alcalinidad: Nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO3 que confiere una concentración de  iones carbonatos e hidróxilos  que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11.5.

• Desoxigenación: Tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas.

•  Incrustación: Sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera.

• Dispersante: Sistema químico que mantiene los sólidos descohesionados ante un evento de incrustación.

•  Antiincrustante:  Sistema químico  que permite  permanecer  a   los   sólidos   incrustantes  en solución.

•  Anticorrosivo: Sistema químico que brinda protección por formación de films protectivos ante iones corrosivos presentes en el agua.