Semana 15-Ciclos Termodinámicos

Universidad Nacional Mayor de San Marcos Universidad del Perú, Decana de América

Facultad de Ciencias Físicas

Curso de Física 2

Prof.: Fis. Luis P. Vilcapoma Lázaro Semestre 2012 - 2

Ciclos termodinámicos

Fis. Luis P. Vilcapoma Lázaro 2012 - 2

Contenido

1. Procesos reversibles e irreversibles.

2. Máquinas termodinámicas.

3. Eficiencia.

4. Segunda ley de la termodinámica.

5. Ciclo de Carnot.


Procesos termodinámicos

Los cuatro procesos termodinámicos más

frecuentes son:

“sin transferencia de calor” = adiabático (Q = 0)

“a temperatura constante” = isotérmico (T = cte)

“a volumen constante” = isocórico (V = cte)

“a presión constante” = isobárico (P = cte)


Proceso adiabático (Q=0)

En este tipo de proceso no hay transferencia de

calor entre el sistema y el entorno.

-PdV-dWdU

0 dQ como

dWdQdU

De la primera ley



ctePVcteTV

V

dVdT

1

v

v

RT

c

dVV

nRT-dTnc

-PdV-dWdU



bbaa

bbaa

VPVP

VTVT

UW

11

En resumen


Trabajo en el proceso

adiabático de un gas ideal

1

)(

)(

bbaa

bbaav

abvv

VPVPW

VPVPR

cW

TTncTncW

UW

Corresponde a una

expansión adiabática


Proceso isotérmico (T=cte)

En este proceso se tiene que la temperatura es

una constante y esto significa que ΔU =0

ctePVWQ

0 dU como

dWdQdU

De la primera ley


Trabajo en el proceso

isotérmico de un gas ideal Expansión isotérmica

Q

1

2ln

2

1

V

VnRTW

dVV

nRTW

PdVdW

V

V

Q = W


Proceso isobárico (P=cte)

En este proceso la presión se mantiene

constante.

)( 12 VVPW

TncQ

WUQ

dWdQdU

p

De la primera ley


Proceso isobárico (P=cte)

Trabajo del gas ideal a presión constante.

Es una expansión a

presión constante

Q


Proceso isocórico

Si el volumen permanece constante, la presión

es directamente proporcional a la temperatura,

a este proceso se denomina Isócora.

teconsT

Ptan


Proceso isocórico

En este proceso el sistema no realiza trabajo

QU

2

2

1

1

T

P

T

P

Q

TncQU v

El sistema al ceder calor a su entorno, disminuye su

temperatura, presión, y la energía interna.


Proceso irreversible

Adiabática El flujo de calor del cuerpo más

caliente al más frío es irreversible. Los

procesos termodinámicos que se dan en la

naturaleza son irreversibles.


Proceso reversible

Si aumentamos infinitesimalmente la

temperatura de la caja, el calor fluirá de la caja

al hielo, derritiéndolo. Al reducir

infinitesimalmente la temperatura de la caja, el

agua se congelará.


Proceso reversible

Las condiciones para un proceso reversible

son:

No debe existir trabajo realizado por fricción.

El proceso debe ser tal que el sistema se

encuentre siempre muy cerca de estados de

equilibrio termodinámico.


Proceso cíclico

Es la sucesión de procesos termodinámicos que

al final deja al sistema en su estado inicial, como

se muestra en la figura.

00 UUU f

En la primera ley de la

termodinámica, se obtiene:

WQneto


Trabajo neto en un proceso

cíclico El trabajo neto W realizado durante un proceso

cíclico es el área encerrada por la curva que

representa el proceso en un diagrama PV

Si el proceso es horario, el

trabajo realizado por el

sistema es positivo. Si el

proceso es anti horario, el

trabajo realizado por el

sistema es negativo.


Ejercicio 1

n moles de un gas ideal

diatómico se somete al

ciclo mostrado. Calcular:

a)El trabajo en un ciclo.

b)La temperatura T3.

c)El calor absorbido por

el gas en un ciclo.

d)El calor cedido por el

gas en un ciclo.


Ejercicio 2

Tres moles de un gas ideal se

somete al ciclo. El proceso cb es

adiabático. Halle el trabajo total

del ciclo.

Para este gas:

Kmol

JcP

.1,29

KT

KT

KT

c

b

a

492

600

300


Máquinas térmicas

Las primeras

locomotoras,

obtenían su

energía quemando

leña o carbón. El

calor producido

proporcionaba

vapor de agua que

a la vez accionaba

al motor de la

locomotora.


Máquinas térmicas

Al quemas combustible se obtiene vapor de agua que

recorre todo el circuito mostrado en la figura


Motor de combustión interna

El motor a gasolina,

empleado en autos y en otros

tipos de maquinarias, es un

ejemplo común de máquina

térmica. El calor en este caso

se obtiene al quemar el

combustible.


Máquinas térmicas Depósito caliente

Depósito frío

W

eficiencia

cQ

We

TC

TF

MT

QC (+)

QF (-)


Ciclo de Otto (motor a gasolina)

a: Mezcla de aire + agua.

ab: Compresión adiabática.

bc: La bujía enciende el

combustible. El calor liberado

por la combustión produce un

calentamiento a volumen

constante.

cd: Expansión adiabática.

da:Enfriamiento a volumen

constante, expulsión de la

mezcla quemada al entorno.

r: Razón de compresión.


Eficiencia en ciclo de Otto

1

11

re


Refrigerador

Equivale a una máquina

térmica que opera en

reversa. Toma calor de un

lugar frío (el interior del

refrigerador) y lo cede a un

lugar más caliente (el medio

ambiente)


Esquema de un refrigerador Depósito caliente

Depósito frío

W (-)

Calor cedido al depósito caliente

TC

TF

R

QC (-)

QF (+) Calor absorbido del depósito frío

Trabajo entregado


Rendimiento de un refrigerador

Depósito caliente

Depósito frío

W (-)

TC

TF

R

QC (-)

QF (+) W

QR

F


Segunda ley de la termodinámica

Kelvin y Planck plantean:

Es imposible que una

máquina efectúe un

proceso cíclico en el que

absorba calor de un

depósito de temperatura

uniforme y lo convierta

totalmente en trabajo

mecánico.


Máquina térmica de Carnot

1-2: Expansión isotérmica.

2-3: Expansión adiabática.

3-4: Compresión isotérmica.

4-1: Compresión adiabática.


Eficiencia del ciclo de Carnot

C

F

C

F

T

T

VVnRT

VVnRTe

1

)/ln(

)/ln(1

12

43

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