Issuu on Google+

Segon principi de la termodinàmica El segon principi ens indica la direcció en la qual han de portar­se a terme els processos termodinàmics i per tant la imposibilitat de que passi al contrari Exemples Una tassa de llet calenta en una habitació tancada i aillada. Després d'un temps la tassa de llet s'haurà refredat i estarà a la mateixa temperatura que la habitació. No pot passar el contrari, que la llet s'escalfi, tot extraient calor de l'aire de  l'habitació. Una batedora dins d'un dipòsit aïllat plé d'aigua. Si engeguem la batedora durant un cert temps,l'energia del moviment de les pales es comunicada a  l'aigua. No pot passar que escalfant l'aigua la batedora es possi en marxa.

Per tant, la calor sempre flueix des d'un cos calent a un altre de fred, però no a  l'inrevés. Per fer­ho cal efectuar un treball per mitjà d'algun dispositiu. El treball es pot convertir directament i integrament en calor, però no a l'inrevés. Els dispositius capaços d'extreure calor d'un cos fred i cedir­lo a un de calent son les màquines tèrmiques


Classificació de les màquines tèrmiques Generadors d'energia mecànica

T

W


Eficiència tèrmica

Partim de que la calor no es pot transformar íntegrament en treball. S'han d'utilitzar màquines per fer­ho i les màquines tenen un rendiment determinat, sempre inferior a 1. Anàlisi màquina de vapor

Partim de que la caldera subministra calor Qh per tal d'obtenir vapor d'aigua a una P i un V determinat. Mitjançant la turbina convertim l'energia cinètica  del vapor en treball Ws. El condensador condensa el vapor (que te una pressió i temperatura més baixes). Per tant cedim una quantitat de calor Qc al  desguàs. Un cop condensat, el vapor, aquesta aigua es  retorna a la caldera per una bomba que  consumeix un treball We


El treball net de sortida (W) serà:

W= Ws ­ We

Ws = Energia que es transforma en treball a causa del vapor We = Treball que consumeix la bomba al retornar l'aigua a la caldera

W = Qh ­ Qc

Qh = Calor que es subministra a la caldera per obtenir vapor d'aigua Qc = Calor que deixa anar el condensador al condensar el vapor d'aigua

El treball net (W) és la diferència entre la calor entrant i la calor sortint. Per tant el rendiment o eficiència tèrmica serà:   =  t

W Qh

Qh ­ Qc Qc   =                    = 1­   t Qh Qh Finalment el rendiment en funció de la calor serà:

Treball net

Calor que es subministra a la caldera

Qc   =1­   t Qh


La màquina de Carnot Una màquina tèrmica és un dispositiu que, funcionant ciclicament, converteix una certa proporció del calor extret d'una font calenta en treball (per exemple en moviment)cedint la calor que no ha pogut transformar a una font tèrmica que es  troba a menor temperatura. Carnot és va plantejar quin era el rendiment màxim que pot arribar a tenir la  màquina. Conclusions: ­ El rendiment mai pot arribar al 100% ­ No és a causes constructives. És una limitació de la naturalesa ­ Ni una màquina ideal pot arribar al 100%. Sempre una part del calor s'ha    d'enviar a una font tèrmica de menor temperatura. El teorema de Carnot estableix que el rendiment d'una màquina tèrmica ideal ve  determinat per la relació entre les temperatures de la font calenta i de la font freda. També determina que cap màquina treballant en les mateixes condicions, pot tenir un major rendiment que el de la màquina ideal.


En resum, la màquina de Carnot és una màquina ideal que utilitza calor per realitzar un treball. Dins de la màquina, hi ha un gas sobre el que s'exerceix un procés cíclic d'expansió i contracció entre dos temperatures. Màquina tèrmica reversible És una màquina que funciona cíclicament de manera que, quan evoluciona  d'un estat a un altre, pot efectuar el camí invers sense pèrdues d'energia. Exemple. Pèndol. Oscil∙la indefinidament teòricament. Per tant la reversibilitat és impossible, ja que suposa que no hi ha fricció, transferències de calor fora del sistema, ni qualsevol altre pèrdua De totes maneres, és important per l'estudi de les màquines reals, per tal de fer­les més optimes i extreure el màxim rendiment.


Cicle de Carnot

http://www.angarmegia.com/simulaciones.htm

És un cicle termodinàmic ideal reversible entre dos fonts de temperatura, en el qual el rendiment és màxim. La màquina treballa absorbint una quantitat de calor Qh de la font d'alta 

temperatura i cedint una calor Qc a la de baixa temperatura produint un treball sobre l'exterior 1ª Etapa (De 1 a 2) Expansió isotèrmica Partim d'un volum  mínim i a temperatura de la font calenta. El gas s'expandeix isotèrmicament a una  temperatura Th fins a l'estat 2. Com que és isotèrmica, tota la calor  absorbida es converteix íntegrament en  treball d'expansió. Procés reversible. Qh =  WA­B = nRT ln

V2 V1


2ª Etapa (De 2 a 3) Expansió adiabàtica Sistema aïllat sense intercanvi de calor. Com que no hi ha transferència de calor, ni pèrdues de cap tipus, tota l'energia interna es converteix en treball. La temperatura del gas baixa fins a un  valor Tc.


3ª Etapa (De 3 a 4) Compressió isotèrmica

El treball de compressió a Tc fet sobre el gas n'augmenta la pressió i fa que cedeixi calor Qc a la font freda. La calor cedida és equivalent al treball  fet sobre el gas.

Qh =  WA­B = nRT ln

V2 V1


4ª Etapa (De 4 a 1) Compressió adiabàtica El sistema es comprimeix i augmenta la seva temperatura fins a l'estat inicial. L'energia interna augmenta i la calor és nul∙la

Relació entre la calor que entra i la que surt

 

Qc =                    Qh

Eficiència tèrmica de Carnot . Eficiència màxima d'una màquina tèrmica

Tc  c=1­  Th  

http://physics­animations.com


c= Eficiència de Carnot t= Eficiència real del sistema s= Eficiència d'acord amb el 2n principi Tc  c=1­  Th  

Si

t=

W Qh

s=

t c

t

<

c

Màquina irreversible però real

t

=

c

Màquina reversible i per tant impossible

t

>

c

Màquina totalment impossible


Carnot va demostrar que l'eficiència de qualssevol màquina depen de la diferència de temperatura entre les màximes i mínimes durant un cicle. Quanta major sigui aquesta diferència, més eficient és la màquina. Un motor de cotxe seria més eficient si el combustible es cremés a major temperatura o els gasos d'escapament sortissin a menor temperatura


L'entropia On va a parar  l'energia que es dissipa en una màquina pel treball de fricció, o la  calor quan ens freguem les mans per escalfar­nos­les? La resposta correcta seria, a l'aire ambient i posteriorment, a l'Univers. De forma genèrica l'entropia és una magnitud física que identifica la quantitat de  desordre dins d'un sistema físic. També es pot dir que és una magnitud termodinàmica que mesura la quantitat  d'energia d'un sistema físic que no es pot utilitzar per a realitzar un treball mecànic L'entropia es pot considerar com una mesura de lo pròxim o no que es troba un  sistema a l'equilibri

http://www.monografias.com/trabajos/termoyentropia/termoyentropia.shtml


Si considerem una quantitat de calor Q, que passa o evoluciona espontàniament  d'un sistema a un altre de menys temperatura, i utililtzem la temperatura com un factor per mesurar la calor Q que evoluciona, podem dir que a mesura que la temperatura disminueix alguna cosa  augmenta per tal que es conservi l'energia Q = T ∆S  = T  ∆S  = T  ∆S  =...., en que T > T2 > T3....... 1

1

2

2

3

∆S  =  

3

Qi Ti

(J/K)

No interessa tant el seu valor S com la seva variació, com en el cas de l'energia  interna Qualssevol sistema poseeix entropia o capacitat d'evolució, excepte en el sistema adiabàtic, ja que no hi ha intercanvi de calor. L'entropia total de l'Univers mai no pot disminuis ja que en els processos reversibles  no varia i en els irreversibles augmenta.


Diagrama TS. Màquina de Carnot En les expansions o compressions isotèrmiques resulta una línia horitzontal, mentre que en les adiabàtiques resulta una línia vertical. L'àrea ombrejada representa el treball efectuat. W = T  ∆S h

1­2  

­ Tc ∆S3­4 =  Qh ­  Qc 

En una màquina de Carnot, la variació total d'entropia és nul∙la, ja que no hi ha irreversibilitat, i per tant no se cedeix entropia al sistema veí o a l'Univers. En el diagrama podem veure que la variació d'entropia en les isotermes 1­2 i 3­4  és la mateixa però de signe contrari. En 1­2 s'extreu calor de la font calenta (per entropia) i en 3­4 se cedeix entropia (positiva)


Com que  es perd per un costat i es guanya per altre, podem escriure que:

∆S1­2  =   

Qh Th

∆S3­4  = +    

Qc Tc

Per tant , si el sistema és irreversible, la variació total d'entropia i el treball  perdut en les irreversibililtat valen:

∆St = ∆Sh   +  ∆Sc Tc = temperatura de la font freda que correspon al sistema veí o a l'Univers


Nombre de cilindres i cilindrada El diàmetre i la carrera del cilindre (cilindrada) té molt a veure molt amb la potència del motor ja que està relaccionat  directament amb la quantitat d'aire que és capaç d'admetre per a  barrejar­se amb el combustible

La cilindrada d'un motor ve donada per la diferència entre el PMI i el PMS. I es calcula : V   = П r2 c c

La cilindrada Vt serà:                                V  = V  n t

On c és la carrera entre el PMI i el PMS On n  és el nombre de cilindres c

c

c

PMI . Punt mort inferior PMS. Punt mort superior


Relació de compressió                                  Relació entre el volumen màxim i mínim dins del cilindre.                                   Es té en compte el volum de la cambra de combustió V  + V r = 

c

min

V

min

Per als motors Otto el valor varia entre 7 i 10 Per als motors diesel entre 14 i 22


Potència i parell motor Podem definir la potència com la quantitat de treball que pot efectuar una  màquina. Es mesura en KW (norma DIN és el CV) El par és la força màxima de torsió exercida en un punt de rotació per una força aplicada a l'extrem d'un braç de palanca ( par = força x braç de palanca) La unidad física para medir el par es el Newton metro (Nm) Exemple de diferència entre par i potència

La potència la podem calcular:

es el par motor (en "N∙m") es la velocidad angular (en "rad/s")


Màquines tèrmiques consumidores d'energia mecànica Corresponen a aquest grup les màquines en les quals cal fer un treball perquè  provoquin un flux d’energia tèrmica o calor des d’un focus fred a un de calent. Exemple de la tassa de cafè dins d'una habitació

Sense cap aportació d'energia no és possible, però d’acord amb el segon principi sí  seria possible amb una màquina que fos capaç d'inserir energia al sistema. Les màquines que ho fan son les frigorífiques i la bomba de calor  La màquina frigorífica o refrigerador Funciona amb un circuit tancat, en el qual un gas se sotmet  a un procés de compressió que el fa condensar i a un altre  de vaporització. Avans CFC (Clorofluorocarbonos) ara  HCFC i (hidroclorofluorocarbono) Durant la vaporització s’extreu calor de l’espai que cal  refrigerar i en la condensació se’n cedeix cap a l’exterior o  font calenta Funciona en sentit invers al d’una màquina tèrmica generadora d’energia mecànica.


D’1 a 2 el compressor aspira, per una banda, el gas  procedent de l’evaporador per l’altra, el comprimeix cap  al condensador. De 2 a 3 el gas es liqua al condensador i cedeix calor  (Qh)

De 3 a 4 hi ha una expansió al tub capil∙lar situat després  d’una vàlvula d’expansió. La temperatura del líquid disminueix i també la pressió, amb la qual cosa comença a vaporitzar­se. De 4 a 1 es produeix una altra expansió, aquest cop  isotérmica, a l’evaporador, i és aquí on es du a terme  la refrigeració. A causa de la pèrdua de pressió, el líquid  es vaporitza, per la qual cosa absorbeix la calor (Qc) de l’ambient Coeficient d’eficàcia o d'operació d’un refrigerador Q COP =

c

W

Calor que s'extreu Treballa efectuat pel refrigerador


L’eficiéncia màxima del refrigerador segons el segon principi serà: T

c

COPC = Th ­ T

c

 La bomba de calor És essencialment un refrigerador on s’aprofita la calor  cedida al condensador per escalfar un recinte, i que  actua com un sistema de calefacció També pot actuar a l’inrevés, com a refrigeradora. A  l’hivern cedeixen la calor del condensador a un  corrent d’aire i escalfen una estança En una bomba de calor ens interessa conèixer el  treball necessari, no tant per extreure la calor Qc, sinó per cedir­la a la font calenta Qh



Unitat 2