Guía 1 El Ciclo Carnot 2021

 

Laboratorio N°1  El Ciclo de Carnot Objetivo General:

-  Comprender el comportamiento de los ciclos de Carnot cómo bases idealizadas de la operación de los sistemas de generación de potencia y de refrigeración.

Objetivos Específicos: -  Identificar ciclos correspondientes al ciclo de Carnot usando u sando la herramienta Termograf V5.7 -  Evaluar el efecto de la variación de la temperatura Materiales:

-  Libro de texto. - 

Software Termograf V5.7

Marco Teórico: Cualquier proceso o sucesión de procesos cuyos estados finales son idénticos se conoce como ciclo. Los procesos a través de los cuales un sistema ha pasado se pueden mostrar en un diagrama de estados, pero una sección completa de d e la trayectoria también requiere una declaración del calor y del trabajo cruzando la frontera del sistema. En la figura 1, se muestra un ciclo en el que un sistema comenzando en el estado, sufre cambios en su presión y volumen a través de la trayectoria 123 y regresa a su condición inicial 1.

Figura 1. Ciclo representado en un diagrama P vs v

 Actividad de Termodinámica Termodinámica II diseñada por por la Prof. Itamar Itamar Harris

 

Si suponemos que este sistema es cerrado y que los cambios en energía potencial y cinética del mismo son despreciables, podríamos escribir un balance de energía del ciclo que sería de la siguiente manera,

eo,e  − Weo,e = ∆U = m( ƒ   − o) Siendo posible observar que  ƒ   = 

 =

o

(1)

1 , lo que implica que,

eo,e  = Weo,e

(2) 

Esto no sólo se verifica en sistema cerrados, sino que en los sistemas abiertos obtenemos una expresión similar puesto que las propiedades en el estado inicial y final son iguales. Simplemente requerimos tomar en cuenta las razones de flujo de calor y trabajo, tal cómo se muestra a continuación:

eo,e  = W eo,e

(3) 

En la práctica, la operación de los sistemas de generación de energía (máquinas térmicas), así como los equipos para refrigeración y climatización (máquinas frigoríficas), está basado en un comportamiento cíclico. A continuación, se presenta un esquemático en el que se comparan las características principales de las máquinas térmicas vs las de los refrigeradores. •

1 

•

2 

•

3 

•

Reciben calor de alguna fuente a alta temperatura (reactor (reactor  Reciben nuclear, energía solar, horno de petróleo, etc.)

Convierten parte de este calor en trabajo.  Convierten

Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor  Rechazan de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etc.) Operan en un ciclo.  Operan

4 

(a)

1 

2. 2.  

 Absorben calor de un depósito a baja temperatura

•

•

•

3

4 

5 

Calor es rechazado a un depósito a alta temperatura.  Calor Se requiere de un dispositivo de transferencia de trabajo  Se hacia el ciclo

•

Operan en un ciclo  Operan

•

Utilizan un fluido refrigerante como fluido de trabajo  Utilizan

(b)

 Actividad de Termodinámica Termodinámica II diseñada por por la Prof. Itamar Itamar Harris

 

Figura 2. a) Características de una máquina térmica b) Características de una máquina  frigorífica

Un parámetro de gran relevancia en el análisis del comportamiento de ambos elementos es la eficiencia, la cual es una medida de que tan provechoso es el uso de la energía invertida en la obtención de un flujo de energía deseado. Con base en este concepto, η  =

o e e oiene o e e ini   o eneo

(4)

Por último, cabe destacar que existen modelos cíclicos de la operación más eeficiente ficiente posible de las máquinas térmica y frigoríficas, el Ciclo de Carnot y el Ciclo de Carnot invertido. La hipotética máquina térmica que opera ope ra en el ciclo reversible de Carnot se llama máquina térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier máquina térmica, reversible o irreversible se determina mediante la ecuación (5):

 η=  1 − |



| 

  queda: Sí, sabemos que la máquina es reversible, entonces nos 

(5)

 η=  1 − |

|  (6)  Donde QH es el calor transferido hacia la máquina térmica desde un depósito a temperatura alta a TH, y QL es el calor rechazado hacia un depósito de temperatura baja a T L. Procedimiento : 1.  Configura la herramienta Termograf V5.7 para trabajar con aire, modelo de sustancia ideal, sistema cerrado, unidades del sistema internacional. 2.  Da click en el botón “nuevo “nuevo  ciclo”

. Se desplegará un menú con opciones opcione s de posibles

ciclos a graficar. 3.  Grafica un diagrama T vs s que represente un ciclo isotermo- adiabático, entre niveles de y3 .  temperatura entre 12 4.  Obtén calor, trabajo y cambio de en energía ergía interna en cada uno de d e los procesos correspondientes al ciclo de Carnot. 5.  Grafica 10 nuevos ciclos isotermos- adiabáticos; modificando los niveles de temperatura. Primero, (5) manteniendo la temperatura de 300 K constante, aumentando la temperatura superior a intervalos de 100K hasta alcanzar una temperatura de 1700 K . Seguido, (5) manteniendo la temperatura de 1200 K constante, aumentando la temperatura de 300 K a intervalos de 100K hasta alcanzar una temperatura de 800 K.  6.  Utilizando el concepto de eficiencia dado por la expresión (6), evalúa la eficiencia de cada unode los ciclos c iclos graficados. grafic ados. 7.  Desarrolla gráficas de eficiencia versus temperatura máxima y de eficiencia vs temperatura mínima.  Actividad de Termodinámica Termodinámica II diseñada por por la Prof. Itamar Itamar Harris

 

Análisis: 1.  Compara la operación del Ciclo de Carnot, con el modelo ideal de los ciclos de potencia (Ciclo Rankine) e identifica que procesos son similares y que procesos son diferentes entre estos 2 ciclos.

2.  ¿Cuál es la influencia de la variación de las temperaturas máximas y mínimas en la eficiencia alcanzada por cada ciclo?

Referencias: 1.  Cengel, Y, Boles, M. 2009. TERMODINAMICA. Sexta Edición. McGraw-Hill. 2.  2. Wark, Kenneth Jr.; Richards, Donald “Termodinámica” 6ta Edición; Editorial McGraw  McGraw   Hill; España, 2001. 3.  EDIBON, “Manual “Manual de  de Prácticas”, Prácticas”, pag.1-67,  pag.1-67, 2013.

 Actividad de Termodinámica Termodinámica II diseñada por por la Prof. Itamar Itamar Harris