Sin Corazón

 

 

FACULTAD DE INGENIERIA Civil y ambiental Escuela profesional INGENIERÍA civil DOCENTE

: mendoza Alfaro; agustin roberto.

ASIGNATURA: física II. TEMA

: CICLO DE CARNOT.

ALUMNos

: CHAVEZ HUAMAN EMERSON. FLORES NUÑEZ NIXON EYNER. SALON CHOCTALIN JEYMIS. TOCTO CASTRO JHON CARLOS. YOPLAC CHAVEZ; Jhoel.

CICLO

:

III

CHACHAPOYAS 15 DE ABRIL DEL 2019

 

 

Contenido

Introducción ............................................................... .................................................................................................................................. ................................................................... 2 Objetivos ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 2 Antecedentes históricos ............................................................................................................. ............................................................................................................ 2 MARCO TEORICO ...................................................................................................................... ..................................................................................................................... 3 ........................................................................................................................ 3 Ciclo De Carnot .........................................................................................................................

Características del Ciclo De Carnot” ........................................................................................ ........................................................................................ 3 Etapas Del Ciclo De Carnot ...................................................................................................... ...................................................................................................... 4 Expansión Isotérmica ............................................................................................................ 4 .......................................................................................................... 4 Expansión Adiabática. ...........................................................................................................

Comprensión Isotérmica. ...................................................................................................... ...................................................................................................... 5 Compresión Adiabática. ........................................................................................................ ........................................................................................................ 5 ............................................................................................................. 6 La Máquina De Carnot ..............................................................................................................

Ciclo de Carnot Inverso................................................................. ............................................................................................................. ............................................ 6 Refrigeradores ........................................................................................................................... ........................................................................................................................... 7 ..................................................................................... 7 ciclo de refrigeración por compresión: ...................................................................................... .................................................................... 8 El proceso cíclico de enfriamiento de la heladera: ....................................................................

Como Funciona Un Aire Acondicionado .................................................................................. .................................................................................. 9 EJERCICIOS...................................................................................................................... ............................................................................................................................... ......... 11

CONCLUSION.  .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... 14 ........................................................................................................................ 14 BIBLIOGRAFÍA  .........................................................................................................................

1

 

 

Introducción En el periodo de la revolución industrial, nace en el mundo un fuerte interés por la ciencia y las nuevas tecnologías; se desea conocer y entender el mundo, pero no solo  por una cuestión de curiosidad, más bien para satisfacer las necesidades de los mismos humanos. El surgimiento de las máquinas revoluciona el mundo, las personas comienzan comienzan a ver en ellas mayor eficiencia, productividad y comodidad, por lo que cada vez desean más y más poder construir nuevas y mejores máquinas. Bajo este contexto aparece en 1824 el francés Sadi Carnot, un ingeniero in geniero conocido en el mundo por su aporte al principio de

“la segunda

ley de la

termodinámica” y

por

diseñar la máquina térmica actualmente. más eficiente, caracterizada por trabajar en base al ciclo termodinámico reversible que lleva su nombre. En el experimento que presentaremos a continuación, queremos demostrar los  principios postulados por Carnot, mediante la realización de una máquina casera que trabaja en base a los mismos. mis mos. Aprenderemos en que consiste este ciclo, como permite el funcionamiento de la máquina y que es aquello que la hace tan eficiente. ef iciente. Objetivos  

Describir el Ciclo de Carnot.

 

Examinar los principios de Carnot.

 

Explicar las características del Ciclo de Carnot.

 

Explicar acerca de las maquinas térmicas idealizadas por Carnot.

Antecedentes históricos En 1824 el francés Sadi Carnot estudio la eficiencia de las diferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una fuente f uente de calor a otra y concluyó que las más eficientes son las que funcionan de manera reversible para ello diseño una maquina térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor de temperaturas fija. Esta máquina se conoce como la máquina de Carnot y su funcionamiento se llama ll ama el ciclo de Carnot.

2

 

 

MARCO TEORICO Ciclo De Carnot Una máquina térmica totalmente reversible está libre de efectos disipativos y desequilibrio durante su operación, tales efectos deben ser nulos en la máquina y en la transferencia de calor que se realiza con una fuente térmica y un sumidero de calor, es decir, la transferencia de calor debe ser reversible. Pero si dentro de la máquina térmica existe alguna irreversibilidad o hay interacciones de la máquina térmica con su ambiente, la máquina se clasifica como irreversible. ir reversible. El principio de Carnot, se refiere a los teoremas sobre la eficiencia

térmica

delas

máquinas térmicas reversibles e irreversibles, y consta de dos enunciados: La eficiencia térmica de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia térmica de una máquina

térmica

totalmente

reversible que funciona entre los mismos depósitos de calor. Las eficiencias térmicas de dos máquinas térmicas totalmente reversibles que funcionan entre los mismos dos depósitos de calor son iguales. Vamos a estudiar ahora una máquina térmica altamente idealizada conocida como la máquina de Carnot. Nos muestra cómo es posible obtener trabajo por medio de una sustancia de trabajo que es llevada a través de un proceso cíclico y también nos permitirá establecer la escala absoluta termodinámica de temperatura. Características del Ciclo De Carnot”   

El ciclo de Carnot utiliza dos fuentes una de Baja temperatura y otra a Alta temperatura las cuales sin importar la cantidad de calor que se

transfiera

 permanecenn constantes.  permanece  

Todos los procesos del ciclo de Carnot son reversibles y por ser así todo el ciclo se  podría invertir. 3

 

 

 

El fluido de trabajo de una maquina térmica en el ciclo de Carnot debe tener una temperatura infinitesimalmente mayor que la fuente de alta temperatura y temperatura infinitesimalmente inferior que la fuente de baja temperatura en el caso de un refrigerador.

Etapas Del Ciclo De Carnot

Expansión Isotérmica. Isotérmica. Una expansión isotérmica es un proceso en el cual un gas se expande (o contrae), manteniendo la temperatura constante durante dicho proceso, es decir que T1 = T2. Para los estados inicial (1) y final (2) del proceso isotérmico. Aplicando el primer  principio de la termodinámica termodinámica se obtie obtiene: ne:

=

 

En esta etapa el gas se encuentra en un primer momento a una temperatura constante (Tc), ocupando un volumen mínimo y a una presión alta. Este gas es dirigido a un cilindro donde se expande producto de la alta presión, lo que tiende a disminuir su temperatura, pero se pone en contacto con la fuente de calor para mantenerla así constante. Como la energía interna no varía, toda la energía absorbida del foco caliente es completamente transformado en trabajo.

Expansión Adiabática. Se denomina expansión adiabática a un proceso termodinámico en el cual un gas se hace pasar de una presión mayor a otra inferior sin que tome o ceda calor al medio, 4

 

 

realizando un trabajo sobre su entorno y bajando su temperatura, la cual no debe confundirse con el intercambio de calor que, por definición de proceso adiabático es nulo. En esta etapa el ciclo se mantiene aislado de cualquier fuente de calor, permitiendo que el gas se enfrié hasta una temperatura constante (Tc). En este momento el pistón llega a su punto final y el gas se gas se encuentra con su volumen máximo. Durante toda esta etapa todo el trabajo proviene de la energía interna.

Comprensión Isotérmica. Es un proceso por el cual la presión y el volumen de un gas cambian,  permaneciendo la temperatura co  permaneciendo constante. nstante. En este proceso se pone la fuente de energía Qh en contacto con el cilindro que contiene el gas, haciendo que este comience a expandirse, pero sin cambiar su temperatura, puesto que el calor es cedido al foco frio. Como la l a temperatura se mantiene constante, la energía interna no cambia, por tanto, todo el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente de energía.

Compresión Adiabática. El gas se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia consecuencia del ttrabajo rabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. La fuente de energía Qc se retira para que el gas eleve su temperatura hasta llagar a Th, aquí el volumen del gas alcanza su valor máximo. Como durante esta etapa no existe un intercambio de calor, por lo que el trabajo se convierte en energía interna. 5

 

 

Así estos procesos se repiten indefinidamente formando el ciclo termodinámico. t ermodinámico.

La Máquina De Carnot la máquina de Carnot puede pensarse como un cilindro con un pistón y una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes. Un ciclo de Carnot es un conjunto de procesos, la sustancia de trabajo se imagina primero en equilibrio térmico con un reservorio frío a la temperatura .



Ciclo de Carnot Inverso La máquina de Carnot también puede funcionar en sentido inverso, denominándose entonces frigorífico. Se extraería calor



 del foco frío aplicando un trabajo W y cedería

refrigerador de Carnot, opera en sentido inverso al de la máquina de Carnot.



 al foco caliente. El

El motor extrae calor de la fuente fría y lo cede a la fuente caliente, en contra de la tendencia natural del flujo de calor, por lo que es necesario invertir ("gastar") trabajo externo para que sea esto posible. En un frigorífico real, el motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se 6

 

 

emplea en extraer un calor del foco frío (la cavidad del frigorífico) y se cede calor al foco caliente, que es la atmósfera.

Refrigeradores La refrigeración se emplea para extraer calor de un recinto, disipándolo en el ambiente. Se dice que hay refrigeración cuando la temperatura deseada es menor que la del ambiente. Esto es de gran importancia en la industria alimentaria, la licuación de gases, y para la condensación de vapores. La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura requiere de dispositivos especiales llamados refrigeradores; estos son dispositivos cíclicos cuyo fluido de trabajo se denomina refrigerante. Existen varias clases de procesos de refrigeración, pero el más conocido conocido es el: ciclo de refrigeración por compresión: Este ciclo aprovecha la entalpia de transformación de las sustancias al cambiar de fase líquida a fase de vapor. En la figura podemos ver las partes que componen un refrigerador sencillo:  

El Evaporador: lo que corresponde al congelador o hielera en un refrigerador doméstico.

 

El Condensador-Enfriador:

que es un serpentín con tubos con aletas ubicado en la parte

 p  pooste terrio iorr  

El Compresor:

que es un aparato cilíndrico que se ubica normalmente en la parte

inferior del refrigerador. 7

 

 

 

La Válvula De Expansión: que es un tubo capilar.

 

El proceso cíclico de enfriamiento de la heladera: El enfriamiento se produce mediante un proceso cíclico en el cual un gas, como los gases CFC o clorofluorocarbonos, circula por un tubo que recorre las partes interna y externa dela heladera intercambiando calor. Los pasos del proceso para producir el enfriamiento son los siguientes.  

Se comprime el gas en una parte de su recorrido que se encuentra en el exterior de la heladera (el compresor). Entonces aumenta su temperatura (la compresión calienta).

 

Se permite que el gas comprimido y caliente se enfríe (en el condensador) liberando calor al ambiente (el calor se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío).

 

Al enfriars en friarse, e, el gas comp comprimido rimido se tr transforma ansforma en lílíquido quido (los gases muy mu y com compr prim imid idos os se condensan) y libera más calor al ambiente (cuando un gas se hace líquido libera calor). 8

 

 

 

El líquido pasa por un tubo muy delgado (capilar) que impide su expansión, al sector que se encuentra dentro de la heladera.

 

El líquido pasa a un tubo más grueso (evaporador), en la parte interior, que permite que el líquido se evapore y que el gas formado se expanda. Estos procesos quitan calor del interior de la heladera (la evaporación quita calor, la expansión enfría).

 

Al perder calor, el interior de la heladera se enfría (el cuerpo que pierde calor disminuye su temperatura).

 

El gas pasa al exterior de la heladera donde vuelve a ser comprimido y todo el proceso se vuelve a repetir.

Como Funciona Un Aire Acondicionad Acondicionadoo  El proceso de refrigeración comienza en el compresor, que es el encargado de hacer recircular el refrigerante por el sistema y crear una diferencia de presión entre el evaporador y el condensador. El gas freón, se aplica por el lado de baja presión después de haberle hecho un vacío total al sistema. El gas es expulsado al condensador a mucha presión. Las moléculas del gas a presión son forzadas a unirse por lo que pierden energía en forma de calor, cuando las moléculas se han unido lo suficiente y el calor se ha disipado el refrigerante cambia de gas a líquido.

9

 

 

El refrigerante líquido se almacena en un recipiente a la salida del condensador. En este punto el refrigerante está totalmente líquido líquido listo para entrar a la válvula de expansión, pero primero debe pasar por el filtro deshidratador que limpia el refrigerante de partículas extrañas y agua. La válvula de expansión consta de un orificio autoajustable limitando el paso del refrigerante creando una significativa caída de presión en el evaporador, al salir de la válvula el refrigerante refrigerante se encuentra en un medio con una presión baja. Al estar libre depresión, el refrigerante empieza a evaporarse cambiando su estado de líquido a gaseoso. En esta parte del proceso, el refrigerante absorbe calor mientras se evapora, dejando tras de sí un espacio frio. En este punto el refrigerante ha llegado al final de su ciclo y está listo para volver a empezar.

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EJERCICIOS

1.  La eficiencia de una máquina de Carnot es de 30%. La máquina absorbe 800 J de calor  por ciclo de una una fuente caliente a 500 K. Determina: a)  El calor liberado por ciclo.  b)  La temperatura de la fuente fría. Solución Sea T: Temperatura, Q: el calor y e: la eficiencia: ef iciencia: entonces.  

a) 

T2 = 500K

Q2 = 800J

e =  = 1   0.3=1  Q2 = 560J

e: 0.3  b) 

 

e =  = 1   0.3=1  T =350K

 

 

 

 

2.  Se ha propuesto una planta de potencia que haga uso del gradiente de temperatura en el océano. El sistema se diseñó para operar entre 20°C (temperatura de la superficie del agua) y 5°C /temperatura del agua a una profundidad de casi 1km). a)  ¿Cuál es la máxima eficiencia de dicho sistema?  b)  Si la potencia de salida de la planta es de 7,5 MW, ¿cuánta energía térmica se absorbe por hora? c)  En vista de los resultados de la parte (a), ¿piensa que se deba tomar en cuenta dicho sistema?      

T = 5°C, T =278.15K T =20°C,T =293.15K e=1  e=1 .. e=0. 0 51 e=51%  

P = 7.5 MW   a) 

 

 

 

solución  b) 

e =  =    ⇒ P = 

 

oxea la potencia absorbida será:

.. = Q14 P147x = 3600 147 7=MMWW x 10Q =J 5,292 292 x 10J  

En una hora:

 

 

c)  Se recomienda que no.

3.  Un aparato de aire acondicionado absorbe calor de su embobinado de enfriamiento a 13ºC y libera calor al exterior a 30ºC. a) ¿Cuál es el máximo rendimiento del aparato?  b) Si el el rendimiento real eess de la tercera parte del valor máximo y si si el ap aparato arato remueve remueve J de energía calórica cada segundo, ¿qué potencia debe desarrollar su motor?

8  10

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Solución

Q : c al o r transferi d o a l a fuente cal i e nte    caloroabsorvi d o de l a fuente frí a  =  {QW:W:tabaj :tabaj gastado ado por la bonba bonba

a)  Si el refrigerador es una máquina de Carnot funcionando a la inversa:

 

 b)

 =  = .+    .+

=17.83 Si: n =. = 5,949+4y P = 8 x 10J/s  =  =  =  P = −   P = ,− P = 16,2 kW  

 

Entonces:

 

= 0, 943922

 

Entonces:

 

 =  = − = − 

 

4.  Se dan dos máquinas de Carnot acopladas, la máquina A opera entre los reservorios = 100 K y = 800 K y = 400 K. Sabiendo que el reservorio suministra 1500 Joules de calor al sistema, calcular: a) La eficiencia de cada máquina y del sistema.  b) El trabajo de cada cada máquina y eell total del sistema.

Solución

 = 1   =1   = 20 %  = 1   =1   =50% a) 

 

 

 

 

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Eficiencia del sistema:

 = 1   =1   =60%   = 1200 12  00⇒   =   =  (1500)  =    =15001200  =3   =    ⇒  =   =  (1200)        =    =1200600  = 600   =    =1500600  = 900   

 

 b)  Cálculo del

:

 

Luego:

 

 

 

Cálculo de:

 

 

= 600 J

Luego:

 

 

Y el trabajo total del sistema:

 

 

5. En un determinado refrigerador las serpentinas de baja temperatura están a -10°C y el gas comprimido en el condensador tiene una temperatura de +30°C. considerando que trabaja con el ciclo de Carnot. ¿cuál es su rendimiento teórico? Solución

 =  = −  = − = −  = − =  =6.58  

 

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CONCLUSION.  

En conclusión, podemos decir que, a pesar que Carnot nunca logro construir su máquina y que tampoco fueron valorados sus descubrimientos inmediatamente, ha sido un gran aporte y el verdadero fundador de la termodinámica. Su contribución ha sido esencial para la creación de distintas maquinas que trabajan basándose en su ciclo (aunque sin lograr su completa eficiencia), es decir ha sido un revolucionario de la física, que ha permitido grandes mejoras en la maquinaria y sobre el entendimiento de la termodinámica.

 

El ciclo de Carnot, ha sido fundame fundamental, ntal, pues ha cimentado una base que permitió a científicos posteriores hacer nuevos descubrimientos y perfeccionar de apoco las teorías termodinámicas, las cuales en la actualidad son esenciales para explicar el funcionamiento de muchos objetos que se encuentran a nuestro alcance y con los que convivimos cotidianamente.

 

Se entiendo el funcionamiento básico de la máquina de Carnot, además analizamos como trabaja la termodinámica y cómo es posible que el calor pueda transformado en trabajo y viceversa.

BIBLIOGRAFÍA  

Leyva Naveros, H. (2012). FÍSICA II. Perú: MOSHERA S.R.L.

 

Young, H. D., & Freedman, R. (2013).  Física Universitaría (Vol. volumen 1). México: Pearson Educación de México.

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