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Energía eléctrica

La energía eléctrica es la energía derivada de la energía potencial eléctrica o la energía cinética. Una planta de energía nuclear típica tiene una capacidad de generación eléctrica de 1000 MWe . Produce 1 000 000 000 de julios de energía eléctrica por segundo. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Las turbinas son motores térmicos y están sujetas a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio(33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.

Dado que el voltaje es energía potencial eléctrica por unidad de carga, la ley de voltaje de Kirchhoff puede verse como una consecuencia de la conservación de la energía eléctrica . La ley de voltaje de Kirchhoff establece:

La suma algebraica de los voltajes (caídas o aumentos) encontrados al atravesar cualquier circuito de un circuito en una dirección especificada debe ser cero.

La suma algebraica de los voltajes (caídas o aumentos) encontrados al atravesar cualquier circuito de un circuito en una dirección especificada debe ser cero.

Simplemente, los cambios de voltaje alrededor de cualquier circuito cerrado deben sumar cero. La suma de las subidas de voltaje es igual a la suma de las caídas de voltaje en un bucle. No importa qué camino tome a través de un circuito eléctrico, si regresa a su punto de partida debe medir el mismo voltaje, lo que limita el cambio neto alrededor del circuito a cero. Esta regla es equivalente a decir que cada punto en una montaña tiene solo una elevación sobre el nivel del mar. Si comienzas desde cualquier punto y vuelves a él después de caminar alrededor de la montaña, la suma algebraica de los cambios de elevación que encuentres debe ser cero.

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m ² / s ²

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades en física e ingeniería. Estas unidades se resumen en los siguientes puntos:

+ Joule (unidad: J)

+ Kilovatio-hora (unidad: kWh)

Potenciales termodinámicos

Los potenciales termodinámicos son cantidades escalares utilizadas para representar funciones de estado. Junto con las ecuaciones de estado correspondientes, los potenciales termodinámicos describen el comportamiento de equilibrio de un sistema en función de las llamadas “variables naturales”.

Cuatro potenciales termodinámicos comunes son:

Energía interna

En termodinámica, la energía interna (también llamada energía térmica ) se define como la energía asociada con formas microscópicas de energía . Es una cantidad extensa , depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad SI de energía interna es el julio (J) . Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema. Las formas microscópicas de energía incluyen aquellas debidas a la rotación , vibración, traslación e interacciones.entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía.

Además, la energía se puede almacenar en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este almacenamiento de energía a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

Entalpía

En termodinámica, la entalpía es una medida de energía en un sistema termodinámico. Es la cantidad termodinámica equivalente al contenido de calor total de un sistema. La entalpía se define como la suma de la energía interna E más el producto de la presión py el volumen V. En muchos análisis termodinámicos aparece la suma de la energía interna U y el producto de la presión py el volumen V, por lo tanto, es conveniente para dar a la combinación un nombre, entalpía y un símbolo distintivo, H.

H = U + pV

La entalpía es la expresión preferida de los cambios de energía del sistema en muchas mediciones químicas, biológicas y físicas a presión constante . Es tan útil que está tabulado en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . Es debido al hecho, simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante, el cambio de entalpía es igual a la energía transferida desde el medio ambiente a través del calentamiento (Q = H ₂ – H ₁ ) u otro trabajo que no sea el trabajo de expansión. Para un proceso de presión variable, la diferencia en entalpía no es tan obvia.

Entropía en el cero absoluto

Según la tercera ley de la termodinámica:

La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.

Basado en evidencia empírica, esta ley establece que la entropía de una sustancia cristalina pura es cero en el cero absoluto de temperatura , 0 K y que es imposible mediante cualquier proceso, sin importar cuán idealizado esté, reducir la temperatura de un sistema a cero absoluto en un número finito de pasos. Esto nos permite definir un punto cero para la energía térmica de un cuerpo.

El cero absoluto es la temperatura teórica más fría, a la cual el movimiento térmico de los átomos y las moléculas alcanza su mínimo. Este es un estado en el que la entalpía y la entropía de un gas ideal enfriado alcanza su valor mínimo, tomado como 0. Clásicamente , este sería un estado de inmovilidad , pero la incertidumbre cuántica dicta que las partículas todavía poseen una energía finita de punto cero . El cero absoluto se denota como 0 K en la escala Kelvin, −273.15 ° C en la escala Celsius y −459.67 ° F en la escala Fahrenheit.

Irreversibilidad de los procesos naturales.

Según la segunda ley de la termodinámica:

La entropía de cualquier sistema aislado nunca disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.  

Esta ley indica la irreversibilidad de los procesos naturales . Los procesos reversibles son una ficción teórica útil y conveniente, pero no ocurren en la naturaleza. De esta ley se deduce que es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente. De ello se deduce que las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo son imposibles.

Diagramas de temperatura-entropía – Diagramas Ts

En general, las fases de una sustancia y las relaciones entre sus propiedades se muestran más comúnmente en los diagramas de propiedades . Se ha definido una gran cantidad de propiedades diferentes y existen algunas dependencias entre las propiedades.

Un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ) es el tipo de diagrama más utilizado para analizar los ciclos del sistema de transferencia de energía. Se utiliza en termodinámica para visualizar cambios en la temperatura y entropía específica durante un proceso o ciclo termodinámico.

Esto se debe a que el trabajo realizado por o en el sistema y el calor agregado o eliminado del sistema se pueden visualizar en el diagrama Ts . Según la definición de entropía, el calor transferido hacia o desde un sistema es igual al área bajo la curva Ts del proceso.

dQ = TdS

Un proceso isentrópico se representa como una línea vertical en un diagrama Ts, mientras que un proceso isotérmico es una línea horizontal. En un estado idealizado, la compresión es una bomba, la compresión en un compresor y la expansión en una turbina son procesos isentrópicos. Por lo tanto, es muy útil en ingeniería de energía, porque estos dispositivos se usan en ciclos termodinámicos de plantas de energía.

Tenga en cuenta que los supuestos isentrópicos solo son aplicables con ciclos ideales. Los ciclos termodinámicos reales tienen pérdidas de energía inherentes debido a la ineficiencia de los compresores y las turbinas.

Entropía Específica

La entropía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa. Los ingenieros usan la entropía específica en el análisis termodinámico más que la entropía misma. La entropía específica (s) de una sustancia es su entropía por unidad de masa. Es igual a la entropía total (S) dividida por la masa total (m).

s = S / m

dónde:

s = entropía específica (J / kg)

S = entropía (J)

m = masa (kg)

La entropía cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil. Debido a que la entropía dice mucho sobre la utilidad de una cantidad de calor transferida en la realización del trabajo, las tablas de vapor incluyen valores de entropía específica (s = S / m) como parte de la información tabulada.

En general, la entropía específica es una propiedad de una sustancia, como la presión, la temperatura y el volumen, pero no se puede medir directamente. Normalmente, la entropía de una sustancia se da con respecto a algún valor de referencia. Por ejemplo, la entropía específica de agua o vapor se da usando la referencia de que la entropía específica del agua es cero a 0.01 ° C y presión atmosférica normal , donde s = 0.00 kJ / kg. Sin embargo, el hecho de que se desconozca el valor absoluto de la entropía específica no es un problema, porque es el cambio en la entropía específica (∆s) y no el valor absoluto lo que es importante en los problemas prácticos.

Diagramas de temperatura-entropía – Diagramas Ts

En general, las fases de una sustancia y las relaciones entre sus propiedades se muestran más comúnmente en los diagramas de propiedades . Se ha definido una gran cantidad de propiedades diferentes y existen algunas dependencias entre las propiedades.

Un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ) es el tipo de diagrama más utilizado para analizar los ciclos del sistema de transferencia de energía. Se utiliza en termodinámica para visualizar cambios en la temperatura y entropía específica durante un proceso o ciclo termodinámico.

Esto se debe a que el trabajo realizado por o en el sistema y el calor agregado o eliminado del sistema se pueden visualizar en el diagrama Ts . Según la definición de entropía, el calor transferido hacia o desde un sistema es igual al área bajo la curva Ts del proceso.

dQ = TdS

Un proceso isentrópico se representa como una línea vertical en un diagrama Ts, mientras que un proceso isotérmico es una línea horizontal. En un estado idealizado, la compresión es una bomba, la compresión en un compresor y la expansión en una turbina son procesos isoentrópicos. Por lo tanto, es muy útil en ingeniería de energía, porque estos dispositivos se usan en ciclos termodinámicos de plantas de energía.

Tenga en cuenta que los supuestos isentrópicos solo son aplicables con ciclos ideales. Los ciclos termodinámicos reales tienen pérdidas de energía inherentes debido a la ineficiencia de los compresores y las turbinas.

Cambio de entropía

El SI unidad para la entropía es J / K . Según Clausius, la entropía se definió mediante el cambio en la entropía S de un sistema. El cambio en la entropía S, cuando se le agrega una cantidad de calor Q mediante un proceso reversible a temperatura constante, viene dado por:

Aquí Q es la energía transferida como calor hacia o desde el sistema durante el proceso, y T es la temperatura del sistema en grados Kelvin durante el proceso. Si suponemos un proceso isotérmico reversible , el cambio de entropía total viene dado por:

∆S = S ₂ – S ₁ = Q / T

En esta ecuación, el cociente Q / T está relacionado con el aumento del desorden. Mayor temperatura significa mayor aleatoriedad de movimiento. A temperaturas más bajas, la adición de calor Q provoca un aumento fraccional sustancial en el movimiento molecular y la aleatoriedad. Por otro lado, si la sustancia ya está caliente, la misma cantidad de calor Q agrega relativamente poco al mayor movimiento molecular.

Ejemplo: cambio de entropía en el hielo derretido

Calcule el cambio en la entropía de 1 kg de hielo a 0 ° C, cuando se derrite reversiblemente en agua a 0 ° C.

Dado que es un proceso isotérmico, podemos usar:

∆S = S ₂ – S ₁ = Q / T

por lo tanto, el cambio de entropía será:

∆S = 334 [kJ] / 273.15 [K] = 1.22 [kJ / K]

donde se requieren 334 kilojulios de calor para derretir 1 kg de hielo (calor de fusión latente = 334 kJ / kg) y este calor se transfiere al sistema a 0 ° C (273,15 K).

Unidades de entropía

El SI unidad para la entropía es J / K . Según Clausius, la entropía se definió mediante el cambio en la entropía S de un sistema. El cambio en la entropía S, cuando se le agrega una cantidad de calor Q mediante un proceso reversible a temperatura constante, viene dado por:

Aquí Q es la energía transferida como calor hacia o desde el sistema durante el proceso, y T es la temperatura del sistema en grados Kelvin durante el proceso. Si suponemos un proceso isotérmico reversible , el cambio de entropía total viene dado por:

∆S = S ₂ – S ₁ = Q / T

En esta ecuación, el cociente Q / T está relacionado con el aumento del desorden. Mayor temperatura significa mayor aleatoriedad de movimiento. A temperaturas más bajas, la adición de calor Q provoca un aumento fraccional sustancial en el movimiento molecular y la aleatoriedad. Por otro lado, si la sustancia ya está caliente, la misma cantidad de calor Q agrega relativamente poco al mayor movimiento molecular.

Ejemplo: cambio de entropía en el hielo derretido

Calcule el cambio en la entropía de 1 kg de hielo a 0 ° C, cuando se derrite reversiblemente en agua a 0 ° C.

Dado que es un proceso isotérmico, podemos usar:

∆S = S ₂ – S ₁ = Q / T

por lo tanto, el cambio de entropía será:

∆S = 334 [kJ] / 273.15 [K] = 1.22 [kJ / K]

Entropía Específica

La entropía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa. Los ingenieros usan la entropía específica en el análisis termodinámico más que la entropía misma. La entropía específica (s) de una sustancia es su entropía por unidad de masa. Es igual a la entropía total (S) dividida por la masa total (m).

s = S / m

dónde:

s = entropía específica (J / kg)

S = entropía (J)

m = masa (kg)

La entropía cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil. Debido a que la entropía dice mucho acerca de la utilidad de una cantidad de calor transferida en la realización del trabajo, las tablas de vapor incluyen valores de entropía específica (s = S / m) como parte de la información tabulada.

En general, la entropía específica es una propiedad de una sustancia, como la presión, la temperatura y el volumen, pero no se puede medir directamente. Normalmente, la entropía de una sustancia se da con respecto a algún valor de referencia. Por ejemplo, la entropía específica de agua o vapor se da usando la referencia de que la entropía específica del agua es cero a 0.01 ° C y presión atmosférica normal , donde s = 0.00 kJ / kg. Sin embargo, el hecho de que se desconozca el valor absoluto de la entropía específica no es un problema, porque es el cambio en la entropía específica (∆s) y no el valor absoluto lo que es importante en los problemas prácticos.