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Proceso cíclico

Un proceso que finalmente devuelve un sistema a su estado inicial se denomina proceso cíclico . Al final de un ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que tenían al principio. Para tal proceso, el estado final es el mismo que el estado inicial , por lo que el cambio total de energía interna debe ser cero. El vapor (agua) que circula a través de un circuito cerrado de enfriamiento experimenta un ciclo. La primera ley de la termodinámica es entonces:

dE _int = 0, dQ = dW

Por lo tanto, el trabajo neto realizado durante el proceso debe ser exactamente igual a la cantidad neta de energía transferida como calor. Debe tenerse en cuenta que, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , no todo el calor proporcionado a un ciclo puede transformarse en una cantidad igual de trabajo, debe producirse un cierto rechazo de calor .

Ejemplo de proceso cíclico: ciclo de Brayton

Supongamos el  ciclo Brayton ideal  que describe el funcionamiento de un  motor de calor a presión constante  . Los modernos  motores de turbina de gas y los motores de  inyección de aire  también siguen el ciclo de Brayton. Este ciclo consta de cuatro procesos termodinámicos:

El ciclo ideal de Brayton consiste en cuatro procesos termodinámicos. Dos procesos isentrópicos y dos procesos isobáricos.

1. Compresión isentrópica  : el aire ambiente ingresa al compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por  W _C  = H ₂  – H ₁ .
2. adición de calor isobárico  : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. El calor neto agregado viene dado por  Q _add  = H ₃  – H ₂
3. Expansión isentrópica  : el aire calentado y presurizado se expande en la turbina y entrega su energía. El trabajo realizado por la turbina viene dado por  W _T  = H ₄  – H ₃
4. rechazo de calor isobárico  : el calor residual debe rechazarse para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado viene dado por  Q _re  = H ₄  – H ₁

Como se puede ver, podemos describir y calcular (por ejemplo, eficiencia térmica ) tales ciclos (de manera similar para el  ciclo de Rankine ) usando  entalpías .

Ver también: Eficiencia térmica del ciclo de Brayton

Proceso irreversible

En termodinámica, un proceso irreversible se define como un proceso que no se puede revertir, proceso, que no puede devolver tanto el sistema como el entorno a sus condiciones originales.

Durante el proceso irreversible aumenta la entropía del sistema . Hay muchos factores que hacen que un proceso sea irreversible:

• Presencia de fricción y pérdidas de calor. En sistemas termodinámicos reales o en procesos de calor real, no podemos excluir la presencia de fricción mecánica o pérdidas de calor.
• Diferencia de temperatura finita. Los procesos no se realizan infinitamente lento. Por ejemplo, podría haber turbulencia en el gas. Por lo tanto, los motores térmicos deben tener eficiencias más bajas que los límites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor térmico que utilizan.
• Mezcla de dos sustancias diferentes.

Estos factores están presentes en procesos reales e irreversibles y evitan que estos procesos sean reversibles.

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.

Proceso isentrópico vs. adiabático

Un proceso isentrópico es un proceso termodinámico, en el cual la entropía del fluido o gas permanece constante . Significa que el proceso isentrópico es un caso especial de un proceso adiabático en el que no hay transferencia de calor o materia. Es un proceso adiabático reversible . Un proceso isentrópico también se puede llamar un proceso de entropía constante. En ingeniería, un proceso tan idealizado es muy útil para la comparación con procesos reales.

Una forma de hacer que los procesos reales se aproximen al proceso reversible es llevar a cabo el proceso en una serie de pasos pequeños o infinitesimales o infinitamente lento , de modo que el proceso pueda considerarse como una serie de estados de equilibrio. Por ejemplo, la transferencia de calor puede considerarse reversible si ocurre debido a una pequeña diferencia de temperaturaentre el sistema y su entorno. Pero los procesos reales no se hacen infinitamente lento. Los procesos reversibles son una ficción teórica útil y conveniente, pero no ocurren en la naturaleza. Por ejemplo, podría haber turbulencia en el gas. Por lo tanto, los motores térmicos deben tener eficiencias más bajas que los límites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor térmico que usan.

Proceso reversible

En termodinámica, un proceso reversible se define como un proceso que se puede revertir induciendo cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema, y ​​al hacerlo no deja ningún cambio ni en el sistema ni en el entorno. Durante el proceso reversible, la entropía del sistema no aumenta y el sistema está en equilibrio termodinámico con su entorno.

En realidad, no hay procesos verdaderamente reversibles . Todos los procesos termodinámicos reales son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. Por lo tanto, los motores térmicos deben tener eficiencias más bajas que los límites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor térmico que usan. Sin embargo, para fines de análisis, se utilizan procesos reversibles para simplificar el análisis y determinar las eficiencias térmicas máximas .

Por ejemplo, el ciclo de Carnot se considera un ciclo que consiste en procesos reversibles :

• Expansión isotérmica reversible del gas.
• Expansión isentrópica (adiabática reversible) del gas
• Compresión isotérmica reversible del gas.
• Compresión isentrópica (adiabática reversible) del gas

Como el ciclo es reversible, no hay aumento en la entropía durante el ciclo y la entropía se conserva. Durante el ciclo, se extrae una cantidad arbitraria de entropía Δ S del depósito caliente y se deposita en el depósito frío.

Una forma de hacer que los procesos reales se aproximen al proceso reversible es llevar a cabo el proceso en una serie de pasos pequeños o infinitesimales o infinitamente lento , de modo que el proceso pueda considerarse como una serie de estados de equilibrio. Por ejemplo, la transferencia de calor puede considerarse reversible si ocurre debido a una pequeña diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.

Un proceso perfectamente reversible no es posible en realidad porque requeriría un tiempo infinito y pasos infinitamente pequeños. Aunque no es práctico para procesos reales, este método es beneficioso para estudios termodinámicos ya que la velocidad a la que ocurren los procesos no es importante.

Lo que dice el principio de Carnot sobre los procesos reversibles:

1. Ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura.
2. Las eficiencias de todos los motores reversibles (motores de calor Carnot ) que funcionan entre los mismos depósitos de temperatura constante son los mismos, independientemente de la sustancia de trabajo empleada o los detalles de operación.

Tercera Ley de Termodinámica – Tercera Ley

La tercera ley de la termodinámica fue desarrollada por el químico alemán Walther Nernst durante los años 1906–12. Por esta investigación, Walther Nernst ganó el Premio Nobel de Química de 1920. Por lo tanto, la tercera ley de la termodinámica a menudo se denomina teorema de Nernst o postulado de Nernst . Como se puede ver, la tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema en equilibrio termodinámico se aproxima a cero cuando la temperatura se acerca a cero. O, por el contrario, la temperatura absoluta de cualquier sustancia cristalina pura en equilibrio termodinámico se aproxima a cero cuando la entropía se acerca a cero.

El Teorema del calor de Nernst (una consecuencia de la Tercera Ley) es:

Es imposible para cualquier proceso, sin importar cuán idealizado esté, reducir la entropía de un sistema a su valor de cero absoluto en un número finito de operaciones.

Matemáticamente:

El teorema del calor de Nernst fue utilizado más tarde por un físico alemán Max Planck para definir la tercera ley de la termodinámica en términos de entropía y cero absoluto.

Algunos materiales (por ejemplo, cualquier sólido amorfo) no tienen un orden bien definido en cero absoluto. En estos materiales (p. Ej., Vidrio), la entropía finita también permanece en cero absoluto, porque la estructura microscópica del sistema (átomo por átomo) se puede organizar de diferentes maneras (W ≠ 1). Esta entropía constante se conoce como entropía residual, que es la diferencia entre un estado de no equilibrio y el estado cristalino de una sustancia cercana al cero absoluto.

Tenga en cuenta que la definición exacta de entropía es:

Entropía = (constante de Boltzmann k) x logaritmo del número de estados posibles

S = k _B logW

Esta ecuación, que relaciona los detalles microscópicos, o microestados, del sistema (a través de W ) con su estado macroscópico (a través de la entropía S ), es la idea clave de la mecánica estadística.

Cero absoluto

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.

Matemáticamente:

lim S _{T → 0} = 0  

dónde

S = entropía (J / K)

T = temperatura absoluta (K)

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.

Tercera Ley de Termodinámica – Tercera Ley

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.

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La tercera ley de la termodinámica fue desarrollada por el químico alemán Walther Nernst durante los años 1906–12. Por esta investigación, Walther Nernst ganó el Premio Nobel de Química de 1920. Por lo tanto, la tercera ley de la termodinámica a menudo se denomina teorema de Nernst o postulado de Nernst . Como se puede ver, la tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema en equilibrio termodinámico se aproxima a cero cuando la temperatura se acerca a cero. O, por el contrario, la temperatura absoluta de cualquier sustancia cristalina pura en equilibrio termodinámico se aproxima a cero cuando la entropía se acerca a cero.

El Teorema del calor de Nernst (una consecuencia de la Tercera Ley) es:

Es imposible para cualquier proceso, sin importar cuán idealizado esté, reducir la entropía de un sistema a su valor de cero absoluto en un número finito de operaciones.

Matemáticamente:

El teorema del calor de Nernst fue utilizado más tarde por un físico alemán Max Planck para definir la tercera ley de la termodinámica en términos de entropía y cero absoluto.

Algunos materiales (por ejemplo, cualquier sólido amorfo) no tienen un orden bien definido en cero absoluto. En estos materiales (p. Ej., Vidrio), la entropía finita también permanece en cero absoluto, porque la estructura microscópica del sistema (átomo por átomo) se puede organizar de diferentes maneras (W ≠ 1). Esta entropía constante se conoce como entropía residual, que es la diferencia entre un estado de no equilibrio y el estado cristalino de una sustancia cercana al cero absoluto.

Tenga en cuenta que la definición exacta de entropía es:

Entropía = (constante de Boltzmann k) x logaritmo del número de estados posibles

S = k _B logW

Esta ecuación, que relaciona los detalles microscópicos, o microestados, del sistema (a través de W ) con su estado macroscópico (a través de la entropía S ), es la idea clave de la mecánica estadística.

Cero absoluto

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.

Matemáticamente:

lim S _{T → 0} = 0  

dónde

S = entropía (J / K)

T = temperatura absoluta (K)

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.

Relación con los motores de calor

De acuerdo con el principio de Carnot, eso especifica límites en la eficiencia máxima que cualquier motor térmico puede tener es la eficiencia de Carnot. Este principio también establece que la eficiencia de un ciclo de Carnot depende únicamente de la diferencia entre los depósitos de temperatura fría y caliente.

dónde:

• es la eficiencia del ciclo de Carnot, es decir, es la relación = W / Q _H del trabajo realizado por el motor a la energía térmica que ingresa al sistema desde el depósito caliente.
• T _C es la temperatura absoluta (Kelvins) del depósito frío,
• T _H es la temperatura absoluta (Kelvins) del depósito caliente,

La tercera ley dicta que T _C nunca puede ser cero, por lo tanto, vemos que un motor térmico 100% eficiente no es posible.

Eficiencia térmica del ciclo de Rankine

El ciclo Rankine describe estrechamente los procesos en los motores térmicos de vapor que funcionan comúnmente encontrados en la mayoría de las centrales térmicas . Las fuentes de calor utilizadas en estas plantas de energía son por lo general de la combustión de combustibles fósiles, como carbón, gas natural, o también la fisión nuclear .

Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. 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.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica 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. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Eficiencia térmica del ciclo de Brayton

Supongamos el ciclo Brayton ideal que describe el funcionamiento de un motor de calor a presión constante . Los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también siguen el ciclo de Brayton. Este ciclo consta de cuatro procesos termodinámicos:

1. 

   Compresión isentrópica : el aire ambiente ingresa al compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adición de calor isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. Expansión isentrópica : el aire calentado y presurizado se expande en la turbina y abandona su energía. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rechazo de calor isobárico : el calor residual debe rechazarse para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como se puede ver, podemos describir y calcular (por ejemplo, eficiencia termodinámica) tales ciclos (de manera similar para el ciclo de Rankine ) usando entalpías .

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo Brayton (compresor único y turbina simple), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía .

Hay expresiones en términos de variables más familiares como temperatura y presión :

dH = C _p dT + V (1-αT) dp

Donde C _p es la capacidad calorífica a presión constante y α es el coeficiente de expansión térmica (cúbica). Para gas ideal αT = 1 y por lo tanto:

dH = C _p dT

A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁   → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁     → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. La eficiencia térmica de un ciclo Brayton tan simple, para gas ideal y en términos de entalpías específicas, ahora se puede expresar en términos de temperaturas:

Cálculo de eficiencia térmica

Como resultado de esta declaración, se define el rendimiento térmico , η _º , de cualquier motor térmico como la relación entre el trabajo que hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

La eficiencia térmica , η _th , representa la fracción de calor , Q _H , que se convierte en trabajo . Es una medida de rendimiento sin dimensiones de un motor térmico que utiliza energía térmica, como una turbina de vapor, un motor de combustión interna o un refrigerador. Para una bomba de refrigeración o de calor, la eficiencia térmica indica el grado en que la energía agregada por el trabajo se convierte en salida neta de calor. Como es un número adimensional, siempre debemos expresar W, Q _H y Q _C en las mismas unidades.

Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámica y la energía no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q _C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Para dar la eficiencia como un porcentaje, multiplicamos la fórmula anterior por 100. Tenga en cuenta que, η _th podría ser 100% solo si el calor residual Q _C será cero.

En general, la eficiencia de incluso los mejores motores térmicos es bastante baja. En resumen, es muy difícil de convertir la energía térmica a la energía mecánica . Las eficiencias térmicas suelen ser inferiores al 50% y, a menudo, muy inferiores. Tenga cuidado cuando lo compara con la eficiencia de la energía eólica o hidráulica (las turbinas eólicas no son motores de calor), no hay conversión de energía entre la energía térmica y mecánica.

Eficiencia Térmica de Motores de Calor

En general, la eficiencia de incluso los mejores motores térmicos es bastante baja. En resumen, es muy difícil convertir la energía térmica en energía mecánica . Las eficiencias térmicas suelen ser inferiores al 50% y, a menudo, muy inferiores.

Es fácil producir energía térmica haciendo trabajo, por ejemplo, mediante cualquier proceso de fricción. Pero obtener trabajo de la energía térmica es más difícil. Está estrechamente asociado con el concepto de entropía , que cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil. Por ejemplo, la electricidad es particularmente útil ya que tiene una entropía muy baja (está muy ordenada) y puede convertirse en otras formas de energía de manera muy eficiente . Tenga cuidado cuando lo compara con la eficiencia de la energía eólica o hidráulica (las turbinas eólicas no son motores de calor), no hay conversión de energía entre la energía térmica y mecánica.

La eficiencia térmica de varios motores térmicos diseñados o utilizados hoy en día tiene una amplia gama:

Por ejemplo:

Transporte

• A mediados del siglo XX, una locomotora de vapor típica tenía una eficiencia térmica de aproximadamente el 6% . Eso significa que por cada 100 MJ de carbón quemado, se produjeron 6 MJ de potencia mecánica.
• Un motor automotriz de gasolina típico opera alrededor del 25% al ​​30% de la eficiencia térmica. Aproximadamente 70-75% se rechaza como calor residual sin convertirse en trabajo útil, es decir, trabajo entregado a las ruedas.
• Un motor automotriz diesel típico opera alrededor del 30% al 35% . En general, los motores que utilizan el ciclo Diesel suelen ser más eficientes.
• En 2014, se introdujeron nuevas regulaciones para los autos de Fórmula 1 . Estas regulaciones de automovilismo han empujado a los equipos a desarrollar unidades de potencia altamente eficientes. Según Mercedes, su unidad de potencia ahora está logrando más del 45% y cerca del 50% de eficiencia térmica, es decir, el 45 – 50% de la energía potencial en el combustible se entrega a las ruedas.
• El motor diesel tiene la mayor eficiencia térmica de cualquier motor de combustión práctico. Los motores diesel de baja velocidad (como se usan en los barcos) pueden tener una eficiencia térmica que excede el 50% . El motor diésel más grande del mundo alcanza el 51,7%.

Eficiencia térmica del ciclo de Brayton

Supongamos el ciclo Brayton ideal que describe el funcionamiento de un motor de calor a presión constante . Los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también siguen el ciclo de Brayton. Este ciclo consta de cuatro procesos termodinámicos:

1. 

   Compresión isentrópica : el aire ambiente ingresa al compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adición de calor isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. Expansión isentrópica : el aire calentado y presurizado se expande en la turbina y entrega su energía. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rechazo de calor isobárico : el calor residual debe rechazarse para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como se puede ver, podemos describir y calcular (por ejemplo, eficiencia termodinámica) tales ciclos (de manera similar para el ciclo de Rankine ) usando entalpías .

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo Brayton (compresor simple y turbina simple), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía .

Hay expresiones en términos de variables más familiares como temperatura y presión :

dH = C _p dT + V (1-αT) dp

Donde C _p es la capacidad calorífica a presión constante y α es el coeficiente de expansión térmica (cúbica). Para gas ideal αT = 1 y por lo tanto:

dH = C _p dT

A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁   → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁     → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. La eficiencia térmica de un ciclo Brayton tan simple, para gas ideal y en términos de entalpías específicas, ahora se puede expresar en términos de temperaturas:

Eficiencia térmica del ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine describe de cerca los procesos en motores de calor operados por vapor que se encuentran comúnmente en la mayoría de las centrales térmicas . Las fuentes de calor utilizadas en estas centrales eléctricas suelen ser la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural o también la fisión nuclear .

Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. 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.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de

= 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 315/549 = 42.6%

donde la temperatura del depósito caliente es 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.

Para calcular la eficiencia térmica del ciclo de Rankine más simple (sin recalentamiento), los ingenieros utilizan la primera ley de la termodinámica en términos de entalpía en lugar de en términos de energía interna.

La primera ley en términos de entalpía es:

dH = dQ + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

La entalpía se puede convertir en una variable intensiva o específica dividiéndola por la masa . Los ingenieros usan la entalpía específica en el análisis termodinámico más que la entalpía misma. Se tabula en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . La eficiencia térmica de dicho ciclo simple de Rankine y en términos de entalpías específicas sería:

Es una ecuación muy simple y para determinar la eficiencia térmica puede usar datos de tablas de vapor .

En las centrales nucleares modernas, la eficiencia térmica 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. La razón radica en una temperatura de vapor relativamente baja ( 6 MPa ; 275.6 ° C). Se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperaturadel vapor Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. En comparación con otras fuentes de energía, la eficiencia térmica del 33% no es mucho. Pero debe tenerse en cuenta que las centrales nucleares son mucho más complejas que las centrales de combustibles fósiles y es mucho más fácil quemar combustibles fósiles que generar energía a partir de combustibles nucleares. Las plantas de energía de combustible fósil subcrítico, que funcionan bajo presión crítica (es decir, por debajo de 22.1 MPa), pueden lograr una eficiencia de 36 a 40%.

Causas de ineficiencia

Como se discutió, una eficiencia puede variar entre 0 y 1. Cada motor térmico es de alguna manera ineficiente. Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas.

• Irreversibilidad de los procesos . Existe un límite superior teórico general para la eficiencia de la conversión de calor para trabajar en cualquier motor térmico. Este límite superior se llama eficiencia de Carnot . Según el principio de Carnot , ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura. Por ejemplo, cuando el depósito caliente tiene T _caliente de 400 ° C (673K) y T _frío de aproximadamente 20 ° C (293K), la eficiencia máxima (ideal) será: = 1 – T _frío / T _caliente = 1 – 293 / 673 = 56%. Pero todos los procesos termodinámicos reales son de alguna manera irreversibles.. No se hacen infinitamente lento. Por lo tanto, los motores térmicos deben tener eficiencias más bajas que los límites en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente del ciclo del motor térmico que usan.
• Presencia de fricción y pérdidas de calor. En sistemas termodinámicos reales o en motores de calor real, una parte de la ineficiencia general del ciclo se debe a las pérdidas de los componentes individuales. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores), una fricción mecánica , pérdidas de calor y pérdidas en el proceso de combustión causan pérdidas adicionales de eficiencia.
• Ineficiencia de diseño . Finalmente, la última y también importante fuente de ineficiencias son los compromisos realizados por los ingenieros al diseñar un motor térmico (por ejemplo, una central eléctrica). Deben considerar el costo y otros factores en el diseño y operación del ciclo. Como ejemplo, considere un diseño del condensador en las centrales térmicas. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento . Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

Eficiencia térmica y la segunda ley

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.

• Declaración de Clausius
• Declaración de Kelvin-Planck
• La entropía y la segunda ley

Antes de estas declaraciones, debemos recordar el trabajo de  un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley formando un principio ( también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .