Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Procesos termodinámicos, motores. Docente responsable: Fernando Aso Transformación adiabática En una transformación adiabática es sistema no intercambia calor con el medio por lo tanto Q = W + ΔU ⇒ 0 = W + ΔU lo que significa que: ΔU = −W La variación de energía interna y el trabajo realizado tienen signos opuestos. Isotermas y adiabáticas en un diagrama p-V

En la expansión isotérmica de un gas, la presión disminuye de manera inversamente proporcional al volumen V; según la Ley de Boyle: p ⋅ V = cons tan te En la expansión adiabática, la presión resulta inversamente proporcional a V γ , donde γ es una constante que depende de los calores específicos a presión constate y a volumen constate. Como γ > 1 , en este proceso la presión disminuye más rápidamente que en la expansión isotérmica. En consecuencia, en una curva adiabática la pendiente en mayor que en una isoterma. Ambas curvas se cortarán en un punto ( p0 ;V0 ) .

Las curvas que representan las evoluciones adiabáticas siempre se cortan con las que representan las evoluciones isotérmicas. Propiedades de un proceso adiabático

Al expandirse adiabáticamente, la mayoría de los gases se enfrían. Esto se debe a que en el proceso se realiza un trabajo positivo sin intercambio de calor y, según el Primer Principio, se tiene que 0 = ΔU + W . Si W > 0 , entonces ΔU < 0 , es decir, la energía interna final del sistema es menor que la energía interna inicial. Teniendo en cuenta la relación entre energía interna y temperatura, ΔU = cv ⋅ m ⋅ ΔT , se deduce que si disminuye U también disminuye T. El hecho de que un gas disminuya su temperatura cuando se expande adiabáticamente se emplea en la fabricación de cámaras frigoríficas para producir bajas temperaturas. Una compresión adiabática de un gas produce un aumento de la energía interna y, por lo tanto, de la temperatura. Por ejemplo, cuando se llena de aire la cámara de una bicicleta, el inflador de calienta. Procesos termodinámicos

Procesos reversibles Cuando un gas evoluciona muy rápidamente de un estado de equilibrio a otro que también es de equilibrio, los estados intermedios que atraviesa no son de equilibrio. Sin embargo, se las evoluciones fueran muy lentas, es decir, si para ir de un estado a otro se pasara por infinitos estados de equilibrio intermedios, el proceso sería reversible.

Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Procesos termodinámicos, motores. Docente responsable: Fernando Aso Se dice entonces que una transformación es reversible cuando puede invertirse sin que cambien la magnitud del trabajo realizado ni el calor intercambiado entre el sistema y el medio. Los procesos reversibles son ideales; sin embargo, existen muchos procesos reales que se parecen bastante a los reversibles. ¿Por qué un proceso es irreversible? La explicación es sencilla: por ejemplo, si un pistón comprime un gas, en la región más próxima a él, las moléculas están más “apretadas” debido a que el pistón se desplaza hacia ellas sin darles tiempo a que e distribuyan uniformemente; por lo tanto, en esa zona la presión es mayor que en las regiones más alejadas. Así como una corriente de agua que cae desde cierto nivel en una rueda de molino haciéndola girar y luego continúa su camino por un nivel de menor altura, el calor fluye de la fuente caliente a la fría a través de la máquina haciendo que realice trabajo.

Máquinas térmicas

Cuando un sistema parte de un estado inicial, pasa por sucesivos estados intermedios y vuelve al mismo estado de partida, experimenta una transformación cerrada o ciclo. En el gráfico se representan las dos etapas de un ciclo entre dos estados 1 y 2. Cuando se completa un ciclo, todas la variables de estado (por ejemplo, la presión, el volumen, la temperatura, la energía interna) vuelven a tomar el valor inicial. Por eso el calor y el trabajo no son variables de estado. Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor en trabajo mecánico de manera cíclica. Toda máquina térmica absorbe calor de una fuente caliente, realiza trabajo y cede calor a la fuente fría. Parte del calor entregado por la fuente caliente (Q1 ) se transformará en trabajo y parte (Q2 ) será cedido a la fuente fría. De esta manera, el trabajo realizado por la máquina será igual a la diferencia entre dichos calores: W = Q1 − Q2

Al pasar del estado 1 al 2 por el camino A, el sistema recibe calor y, al expandirse, realiza trabajo contra el medio exterior. El trabajo es positivo y su valor equivale al área bajo la curva A.

Al pasar de 2 a 1 siguiendo el camino B, el sistema se comprime cediendo calor, lo que indica que el medio realiza trabajo sobre el sistema, trabajo negativo, que equivale al área bajo la curva B.

El trabajo neto en el ciclo será la diferencia entre las áreas correspondientes a cada etapa. Generalmente, el trabajo neto en un ciclo es distinto de cero.

Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Procesos termodinámicos, motores. Docente responsable: Fernando Aso Ciclo de Carnot

El ingeniero Nicolás L. Sadi Carnot (1796-1832) se preguntó cómo sería la máquina térmica de mayor rendimiento. Planteó que dicha máquina debería intercambiar calor con el medio y realizar procesos de expansión y compresión del gas en forma reversible. Concluyó que esto se lograría haciendo funcionar la máquina según un ciclo conformado por la intersección de dos isotermas con dos adiabáticas. Carnot demostró que este sería el motor ideal y que ninguna máquina real podría tener mejor rendimiento que este entre las mismas temperaturas. Los trabajos de Carnot sentaron las bases que permitieron formular otra de las más importantes leyes de la Física, el Segundo Principio de la Termodinámica.

Ciclo de Carnot Segundo Principio de la Termodinámica

Es imposible que una máquina transforme en trabajo el calor que le entrega la fuente caliente; siempre parte del calor será cedido a la fuente fría. Esto significa que no es posible la existencia de una maquina que tenga rendimiento perfecto, es decir, no es posible la máquina de movimiento perpetuo. Máquina frigorífica

Una máquina frigorífica extrae calor de una fuente fría y lo deposita en una fuente caliente mediante el trabajo que el medio exterior realiza sobre el sistema. Su funcionamiento es el inverso del de una máquina térmica y por supuesto cumple con el Segundo Principio de la Termodinámica. Es algo así como una bomba de calor: a través del trabajo bombea calor desde una fuente fría hasta una caliente.

Esquema de funcionamiento del refrigerador: siendo T2 < T1 el trabajo que el medio realiza contra el sistema, permite que el calor fluya en el sentido contrario al que lo haría naturalmente

Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Procesos termodinámicos, motores. Docente responsable: Fernando Aso Los motores La máquina de vapor

La máquina de vapor fue evolucionando mediante el aporte de diferentes inventores e ingenieros, pero fue James Watt (1736-1819) quién logró la primera máquina realmente útil. Su funcionamiento se basa en un pistón que se desliza en el interior de un cilindro por acción del vapor, tal como lo muestra la figura y se representa en el correspondiente diagrama p-V. Se entrega calor al agua que contiene la caldera (fuente caliente) hasta conseguir vapor sobrecalentado (a mas de 100ºC) a alta presión; este proceso se produce a volumen constante. La válvula A gira y permite el ingreso de vapor en el cilindro mientras que la B permanece cerrada y el pistón es empujado; este proceso se realiza a presión constate pues se está empujado el volante que ofrece una resistencia constante.

Cuando el pistón se encuentra a la mitad de camino, se cierra la válvula A permaneciendo la B cerrada y el gas se expande adiabáticamente hasta que alcanza el punto máximo de su recorrido. Se puede decir que esta evolución es prácticamente adiabática porque se produce en un tiempo tan breve que la transferencia de calor con el medio es para nada significativa.

Llegado este punto, se abre la válvula B y el cilindro se pone en contacto con la atmósfera (fuente fría). La inercia adquirida por el volante impulsa al pistón hacia adentro obligando al vapor a desalojar el cilindro a presión constante. En este punto una parte del vapor ya está condensado, el resto se condensa en un intercambiador de calor hasta que todo es líquido y por medio de una bomba que es accionada por la propia máquina se introduce nuevamente en la caldera.

La evolución AB corresponde al calentamiento del vapor en la caldera. La BC corresponde al ingreso de vapor en el cilindro a presión constante. La CD corresponde a la expansión del vapor a expensas de su energía interna y la DA a la salida del vapor a presión atmosférica.

Esc. Exp. N° 2 “Puertas del Sol” FISICA 5° Año Procesos termodinámicos, motores. Docente responsable: Fernando Aso Los motores de combustión interna

Estos motores, a diferencia de la máquina de vapor, no cuentan con una caldera externa como fuente caliente. Es el mismo gas que el inflamarse dentro del cilindro aumenta su temperatura convirtiéndose en la fuente caliente. En el caso del motor a nafta de cuatro tiempos, el proceso se lleva a cabo de la siguiente manera;

El “primer tiempo” se denomina admisión. El pistón, que se encontraba en el punto más alto de su recorrido, desciende mientras la válvula de admisión A está abierta y la de escape E, cerrada, de manera que una mezcla de vapor de nafta y aire ingresa al cilindro. Al llegar al punto más bajo del recorrido, comienza el “segundo tiempo”, llamado compresión. Se cierra la válvula A y el pistón sube impulsado por la inercia del volante comprimiendo el gas contra la parte superior del cilindro. Cuando está por llegar al punto más alto, una bujía enciende la chispa que combustiona la mezcla produciéndose una explosión que eleva enormemente la temperatura. Este proceso es tan rápido que sucede a volumen constante. En el “tercer tiempo”, llamado expansión, el gas combustionado y muy caliente se expande casi adiabáticamente haciendo trabajo contra el pistón e impulsándolo hacia abajo. Al llegar al punto inferior, comienza el “cuarto tiempo”, denominado escape. Se abre la válvula E poniendo al cilindro en contacto con la atmósfera y el pistón, impulsado por la inercia del volante, sube y desaloja los gases quemados. En este punto, el ciclo vuelve a comenzar. Observar que de los cuatro tiempos o carreras, el único que aportó trabajo positivo fue el tercero; en los otros, todo el trabajo fue negativo a expensas de la energía mecánica acumulada en el volante. En el diagrama p-V de la figura puede verse el proceso representado en un ciclo. Como este ciclo se lleva a cabo entre dos adiabáticas, se parece mucho más al ciclo ideal de Carnot que el de la máquina de vapor y por eso su rendimiento es mucho mejor. El ciclo representa el funcionamiento del motor de cuatro tiempos. Comienza con la compresión de la mezcla en la evolución AB que se produce en forma adiabática debido a la rapidez del proceso. La evolución BC corresponde a la combustión de la mezcla; el proceso sucede a volumen constante dado el breve tiempo que dura la explosión. La evolución CD corresponde a la expansión que tiene lugar en forma casi adiabática, pues nuevamente el poco tiempo que dura impide la transferencia de calor. Esta carrera es la única que realiza trabajo positivo. La evolución DA corresponde al escape que se produce cuando se abre la válvula correspondiente. El sistema está listo para la carrera de admisión y así comienza nuevamente.