Ciclo de Carnot Informe

 

TEMA: TERMODINAMICA: CICLO DE CARNOT O DE REFRIGERACION.

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 esta ley se le llama de "equilibrio "equilibrio térmico". El El equilibrio térmico debe 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 22 .  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