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Ciclo de Carnot – Procesos

En un ciclo de Carnot , el sistema que ejecuta el ciclo experimenta una serie de cuatro procesos internamente reversibles : dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isotérmicos :

1. compresión isoentrópica – El gas se comprime adiabáticamente del estado 1 al estado 2, donde la temperatura es T _H . Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energía interna y comprimiéndolo. Por otro lado, la entropía permanece sin cambios .
2. Isotérmica expansión – El sistema se coloca en contacto con el depósito en T _H . El gas se expande isotérmicamente mientras recibe energía Q _H del depósito caliente por transferencia de calor. La temperatura del gas no cambia durante el proceso. El gas funciona en los alrededores. El cambio total de entropía viene dado por: ∆S = S ₁ – S ₄ = Q _H / T _H
3. expansión isoentrópica – El gas se expande adiabáticamente del estado 3 al estado 4, donde la temperatura es T _C . El gas funciona en el entorno y pierde una cantidad de energía interna igual al trabajo que abandona el sistema. Nuevamente, la entropía permanece sin cambios.
4. isotérmica de compresión – El sistema se coloca en contacto con el depósito en T _C . El gas se comprime isotérmicamente a su estado inicial mientras descarga energía Q _C al depósito frío por transferencia de calor. En este proceso, los alrededores trabajan con el gas. El cambio total de entropía viene dado por: ∆S = S ₃ – S ₂ = Q _C / T _C

¿Qué es la densidad?

La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad SI estándar es kilogramos por metro cúbico ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico ( lbm / ft ³ ). La densidad (ρ) de una sustancia es el recíproco de su volumen específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

El volumen específico es una variable intensiva , mientras que el volumen es una variable extensa. La unidad estándar para un volumen específico en el sistema SI es metros cúbicos por kilogramo (m ³ / kg). La unidad estándar en el sistema inglés es pies cúbicos por libra de masa (ft ³ / lbm).

Materiales más densos en la tierra

Dado que los nucleones ( protones y neutrones ) constituyen la mayor parte de la masa de los átomos ordinarios, la densidad de la materia normal tiende a estar limitada por lo cerca que podemos empacar estos nucleones y depende de la estructura atómica interna de una sustancia. El material más denso encontrado en la tierra es el metal osmio , pero su densidad palidece en comparación con las densidades de objetos astronómicos exóticos como las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones .

Lista de materiales más densos:

1. Osmio – 22,6 x 10 ³ kg / m ³
2. Iridium – 22.4 x 10 ³ kg / m ³
3. Platino – 21.5 x 10 ³ kg / m ³
4. Renio – 21.0 x 10 ³ kg / m ³
5. Plutonio – 19.8 x 10 ³ kg / m ³
6. Oro – 19.3 x 10 ³ kg / m ³
7. Tungsteno – 19.3 x 10 ³ kg / m ³
8. Uranio – 18.8 x 10 ³ kg / m ³
9. Tantalio – 16.6 x 10 ³ kg / m ³
10. Mercurio – 13,6 x 10 ³ kg / m ³
11. Rodio – 12.4 x 10 ³ kg / m ³
12. Torio – 11.7 x 10 ³ kg / m ³
13. Plomo – 11.3 x 10 ³ kg / m ³
14. Plata – 10.5 x 10 ³ kg / m ³

Cabe señalar que el plutonio es un isótopo hecho por el hombre y se crea a partir de uranio en reactores nucleares . Pero, de hecho, los científicos han encontrado trazas de plutonio natural.

Si incluimos elementos hechos por el hombre, el más denso hasta ahora es Hassium . El Hassium es un elemento químico con el símbolo Hs y el número atómico 108. Es un elemento sintético (sintetizado por primera vez en Hasse en Alemania) y radiactivo. El isótopo más estable conocido, ²⁶⁹ Hs , tiene una vida media de aproximadamente 9.7 segundos. Tiene una densidad estimada de 40.7 x 10 ³ kg / m ³ . La densidad de Hassium resulta de su alto peso atómico y de la disminución significativa en los radios iónicos de los elementos en la serie de lantánidos, conocidos como contracción de lantánidos y actínidos .

La densidad de Hassium es seguida por Meitnerium (elemento 109, llamado así por el físico Lise Meitner), que tiene una densidad estimada de 37.4 x 10 ³ kg / m ³ .

Gravedad Artificial

En el siglo XX, el principio de equivalencia de Einstein puso a todos los observadores, en movimiento o acelerando, en el mismo pie. Einstein resumió esta noción en un postulado:

Principio de equivalencia:

Un observador no puede determinar, de ninguna manera, si el laboratorio que ocupa está en un campo gravitatorio uniforme o en un marco de referencia que se está acelerando en relación con un marco inercial.

Esto condujo a una ambigüedad en cuanto a qué se entiende exactamente por la fuerza de la gravedad y el peso . Una escala en un elevador acelerador no se puede distinguir de una escala en un campo gravitacional. La fuerza gravitacional y el peso se convirtieron en cantidades esencialmente dependientes del marco. Según la teoría general de la relatividad, la masa gravitacional e inercial no son propiedades diferentes de la materia, sino dos aspectos de una propiedad fundamental y única de la materia.

En situaciones en las que la gravitación está ausente pero el sistema de coordenadas elegido no es inercial, sino que se acelera con el observador, las fuerzas mecánicas que resisten su peso en tales sistemas causan las fuerzas g y las correspondientes aceleraciones apropiadas que sienten los observadores en estos sistemas de coordenadas. sistemas. El método más realista para producir gravedad artificial , por ejemplo a bordo de una estación espacial, puede imitarse en una nave espacial giratoria. Los objetos en el interior serían empujados hacia el casco y tendrán algo de peso. Este peso es producido por fuerzas ficticias o ” fuerzas de inercia ” que aparecen en todos los sistemas de coordenadas aceleradas. A diferencia de la gravedad real, que tira hacia un centro del planeta, la fuerza centrípeta empuja hacia el eje de rotación.

¿Qué es el peso?

Una de las fuerzas más familiares es el peso de un cuerpo, que es la fuerza gravitacional que la tierra ejerce sobre el cuerpo. En general, la gravitación es un fenómeno natural por el cual todas las cosas con masa se acercan entre sí. Los términos masa y peso a menudo se confunden entre sí, pero es importante distinguirlos . Es absolutamente esencial comprender claramente las distinciones entre estas dos cantidades físicas.

Los términos a menudo se confunden entre sí, pero es importante distinguirlos. En ciencia e ingeniería, el peso de un objeto generalmente se toma como la fuerza sobre el objeto debido a la gravedad. En general, la gravitación es un fenómeno natural por el cual todas las cosas con masa se acercan entre sí.La masa de un objeto es una propiedad fundamental del objeto. Es una medida numérica de su inercia y la medida de la resistencia de un objeto a la aceleración cuando se aplica una fuerza. También es una medida fundamental de la cantidad de materia en el objeto. Cuanto mayor es la masa, mayor es la fuerza necesaria para causar una aceleración dada. Esto se refleja en la segunda ley de Newton  (F = ma).

La masa de un determinado cuerpo permanecerá constante incluso si cambia la aceleración gravitacional que actúa sobre ese cuerpo. Por ejemplo, en la tierra un objeto tiene una cierta masa y un cierto peso . Cuando el mismo objeto se coloca en el espacio exterior, lejos del campo gravitacional de la Tierra, su masa permanece igual, pero ahora está en una condición “ingrávida”. Esto significa que en esta condición pesará cero, porque la aceleración gravitacional y, por lo tanto, la fuerza será igual a cero.

La masa y el peso están relacionados :

Los cuerpos que tienen una gran masa también tienen un gran peso. Una piedra grande es difícil de lanzar debido a su gran masa, y difícil de levantar del suelo debido a su gran peso. Para comprender la relación entre masa y peso, considere una piedra que cae libremente, que tiene una aceleración de magnitud g (g = 9.81 m / s ² es la aceleración debida al campo gravitacional de la Tierra). La segunda ley de Newton nos dice que una fuerza debe actuar para producir esta aceleración. Si una piedra de 1 kilogramo cae con una aceleración de la fuerza requerida tiene magnitud:

F = ma = 1 [kg] x 9.81 [m / s ² ] = 9.8 [kg m / s ² ] = 9.8 N

La fuerza que hace que el cuerpo acelere hacia abajo es su peso. Cualquier cuerpo cerca de la superficie de la tierra que tenga una masa de 1 kg debe tener un peso de 9.8 N para darle la aceleración que observamos cuando está en caída libre.

Ejemplo: el peso de una piedra en la Tierra, en Marte y en la Luna

Peso de una piedra en la tierra

La aceleración debida al campo gravitacional de la Tierra es g _Tierra = 9.81 m / s ^2. El peso de una piedra con una masa de 1 kg en la Tierra se puede calcular como:

F _Tierra = 1 [kg] x 9.81 [m / s ² ] = 9.8 [kg m / s ² ] = 9.8 N

Peso de una piedra en Marte

La aceleración de la gravedad en Marte es aproximadamente el 38% de la aceleración de la gravedad en la tierra. La aceleración debida al campo gravitacional de la Luna es g _Marte = 3.71 m / s ² .

Por lo tanto, el peso de la misma piedra con una masa de 1 kg en Marte es:

F _Luna = 1 [kg] x 3.71 [m / s ² ] = 3.71 [kg m / s ² ] = 3.71 N

Peso de una piedra en la luna

La aceleración de la gravedad en la Luna es aproximadamente 1/6 de la aceleración de la gravedad en la tierra. La aceleración debida al campo gravitacional de la Luna es g _Luna = 1.62 m / s ² .

Por lo tanto, el peso de la misma piedra con una masa de 1 kg en la Luna es:

F _Luna = 1 [kg] x 1.62 [m / s ² ] = 1.62 [kg m / s ² ] = 1.62 N

Ciclos termodinámicos

En general, la termodinámica es la ciencia que se ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y conversión de energía. Nuestro objetivo aquí será introducir la termodinámica como la ciencia de conversión de energía . En la actualidad, el combustible fósil sigue siendo la fuente de energía predominante del mundo. Pero la quema de combustibles fósiles genera solo energía térmica , por lo tanto, estas fuentes de energía se denominan ” fuentes de energía primaria “, que deben convertirse en fuente de energía secundaria , los llamados portadores de energía ( energía eléctrica, etc.). Para convertir la energía térmica en otra forma de energía , se debe utilizar un motor térmico .

Muchos motores térmicos funcionan de manera cíclica , agregando energía en forma de calor en una parte del ciclo y utilizando esa energía para realizar un trabajo útil en otra parte del ciclo.

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. El ciclo termodinámico típico consiste en una serie de procesos termodinámicos que transfieren calor y trabajo, al tiempo que varían la presión, la temperatura y otras variables de estado, y finalmente devuelven un sistema a su estado inicial.

La primera ley de la termodinámica dicta que la entrada neta de calor es igual a la salida neta de trabajo durante cualquier ciclo.

El aumento de la energía interna de un sistema cerrado es igual al calor suministrado al sistema menos el trabajo realizado por él.

IntE _int = Q – W

Esta es la primera ley de la termodinámica y es el principio de conservación de la energía , lo que significa que la energía puede ser creada ni destruida , sino más bien transforma en diversas formas como se está estudiando el fluido dentro del volumen de control.

Es la ley más importante para el análisis de la mayoría de los sistemas y la que cuantifica cómo se transforma la energía térmica en otras formas de energía .

Los ciclos termodinámicos se pueden dividir en dos clases principales:

• Ciclos de potencia. Los ciclos de potencia son ciclos que convierten cierta entrada de calor en una salida de trabajo mecánico . Los ciclos de potencia termodinámica son la base para el funcionamiento de los motores térmicos, que ejecutan la gran mayoría de los vehículos de motor y generan la mayor parte de la energía eléctrica del mundo.
• Ciclos de bomba de calor.  Ciclos de bomba de calor transfieren calor desde bajas a altas temperaturas utilizando trabajo mecánico de entrada. No hay diferencia entre la termodinámica de los refrigeradores y las bombas de calor. Ambos funcionan moviendo el calor de un espacio frío a un espacio cálido.

• La siguiente clasificación de ciclos termodinámicos se realiza de acuerdo con sus procesos termodinámicos constituyentes. En la práctica, los ciclos termodinámicos idealizados simples generalmente se componen de cuatro procesos termodinámicos. En general, los siguientes procesos suelen constituir ciclos termodinámicos:

  • Proceso adiabático
  • Proceso isotérmico
  • Proceso isobárico
  • Proceso isocorico
  Ciclo de Carnot

  

  Ver también: ciclo de Carnot

  En 1824, un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley al formar un principio (también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener. En resumen, este principio establece que la eficiencia de un ciclo termodinámico depende únicamente de la diferencia entre los depósitos de temperatura caliente y fría.

  El principio de Carnot establece:

  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.

  El ciclo de este motor se llama ciclo de Carnot . Un sistema que experimenta un ciclo de Carnot se llama motor de calor de Carnot . No es un ciclo termodinámico real, pero es una construcción teórica y no se puede construir en la práctica. Todos los procesos termodinámicos reales son de alguna manera irreversibles . No se realizan de manera infinitamente lenta e infinitamente pequeños pasos de temperatura también son una ficción teórica. 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.

  Ciclo Otto

  

  Ver también: ciclo Otto

  Ver también: ciclo de Atkinson

  El ciclo del motor Otto se llama ciclo Otto . Es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en los motores de automóviles y describe el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por chispa típico. A diferencia del ciclo de Carnot, el ciclo de Otto no ejecuta procesos isotérmicos, ya que estos deben realizarse muy lentamente. En un ciclo Otto ideal, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos reversibles internamente: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isocróricos.

  Dado que el principio de Carnot establece que 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, el motor Otto debe tener una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot. 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.

  Ciclo diesel

  

  Ver también: ciclo diesel

  Ver también: doble ciclo

  El ciclo diesel es uno de los ciclos termodinámicos más comunesque se pueden encontrar en los motores de automóviles y describe el funcionamiento de un motor de pistón de encendido por compresión típico. El motor Diesel es similar en operación al motor de gasolina. La diferencia más importante es que:

  • No hay combustible en el cilindro al comienzo de la carrera de compresión, por lo tanto, no se produce una autoignición en los motores Diesel.
  • El motor diesel usa encendido por compresión en lugar de encendido por chispa.
  • Debido a la alta temperatura desarrollada durante la compresión adiabática, el combustible se enciende espontáneamente a medida que se inyecta. Por lo tanto, no se necesitan bujías.
  • Antes del comienzo de la carrera de potencia, los inyectores comienzan a inyectar combustible directamente en la cámara de combustión y, por lo tanto, la primera parte de la carrera de potencia se produce aproximadamente a la presión constante.
  • Se pueden lograr relaciones de compresión más altas en motores Diesel que en motores Otto
  Ciclo Brayton

  

  Ver también: ciclo de Brayton

  Ver también: ciclo de Ericsson

  En 1872, un ingeniero estadounidense, George Bailey Brayton, avanzó el estudio de los motores térmicos patentando un motor de combustión interna a presión constante, que inicialmente usaba gas vaporizado pero luego usaba combustibles líquidos como el queroseno. Este motor térmico se conoce como ” Motor Listo de Brayton “ . Significa que el motor Brayton original usaba un compresor de pistón y un expansor de pistón en lugar de una turbina de gas y un compresor de gas.

  Hoy en día, los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también son motores de calor de presión constante, por lo tanto, describimos su termodinámica por el ciclo Brayton . En general, el ciclo de Brayton describe el funcionamiento de un motor térmico de presión constante .

  Es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en las centrales eléctricas de turbinas de gas o en aviones. A diferencia del ciclo de Carnot , el ciclo de Brayton no ejecuta procesos isotérmicos , ya que estos deben realizarse muy lentamente. En un ciclo Brayton ideal , el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isobáricos.

  Ciclo Rankine

  

  Ver también: ciclo de Rankine

  En 1859, un ingeniero escocés, William John Macquorn Rankine, avanzó en el estudio de los motores térmicos al publicar el ” Manual del motor de vapor y otros motores principales “. Rankine desarrolló una teoría completa de la máquina de vapor y, de hecho, de todas las máquinas de calor. Junto con Rudolf Clausius y William Thomson (Lord Kelvin), contribuyó a la termodinámica, centrándose particularmente en la primera de las tres leyes termodinámicas. El ciclo de Rankine lleva su nombre y describe el rendimiento de los sistemas de turbinas de vapor , aunque la teoría El principio también se aplica a los motores alternativos, como las locomotoras de vapor. En general, el ciclo de Rankinees un ciclo termodinámico idealizado de un motor térmico de presión constante que convierte parte del calor en trabajo mecánico. En este ciclo, el calor se suministra externamente a un circuito cerrado, que generalmente usa agua (en fase líquida y de vapor) como fluido de trabajo. En contraste con el ciclo de Brayton , el fluido de trabajo en el ciclo de Rankine  experimenta el cambio de fase  de una fase líquida a una de vapor y viceversa.

  Si bien muchas sustancias podrían usarse como fluido de trabajo en el ciclo de Rankine (inorgánico o incluso orgánico), el agua suele ser el fluido de elección debido a sus propiedades favorables, como su química no tóxica y no reactiva, abundancia y bajo costo, así como sus propiedades termodinámicas. Por ejemplo, el agua tiene el calor específico más alto de cualquier sustancia común: 4,19 kJ / kg K. Además, tiene un calor de vaporización muy alto , lo que lo convierte en un refrigerante y medio efectivo en centrales térmicas y otras industrias energéticas. En el caso del ciclo de Rankine, la Ley del Gas Idealcasi no se puede usar (el vapor no sigue pV = nRT), por lo tanto, todos los parámetros importantes de agua y vapor se tabulan en las llamadas ” Tablas de vapor “.

  Una de las principales ventajas del ciclo Rankine es que el proceso de compresión en la bomba tiene lugar en un líquido . Al condensar el vapor de trabajo en un líquido (dentro de un condensador), la presión en la salida de la turbina se reduce y la energía requerida por la bomba de alimentación consume solo del 1% al 3% de la potencia de salida de la turbina y estos factores contribuyen a una mayor eficiencia para el ciclo.

  Hoy, el ciclo de Rankine es el ciclo operativo fundamental de todas las centrales térmicas donde un fluido operativo se evapora y condensa continuamente. Es uno de los ciclos termodinámicos más comunes , porque en la mayoría de los lugares del mundo la turbina funciona con vapor.

Masa relativista

Mientras que la masa normalmente se considera una propiedad inmutable de un objeto, a velocidades cercanas a la velocidad de la luz se debe considerar el aumento de la masa relativista . La definición relativista del momento a veces se interpreta como un aumento en la masa de un objeto. En esta interpretación, una partícula puede tener una masa relativista, m _rel . El aumento de la masa efectiva con la velocidad viene dado por la expresión:

En esta fórmula de “aumento de masa”, m se conoce como la masa en reposo del objeto. De esta fórmula se deduce que un objeto con una masa en reposo distinta de cero no puede viajar a la velocidad de la luz. A medida que el objeto se acerca a la velocidad de la luz, el impulso del objeto aumenta sin límites. Por otro lado, cuando la velocidad relativa es cero, el factor de Lorentz es simplemente igual a 1, y la masa relativista se reduce a la masa en reposo. Con esta interpretación, la masa de un objeto parece aumentar a medida que aumenta su velocidad. Debe agregarse, muchos físicos creen que un objeto tiene una sola masa (su masa en reposo), y que es solo el impulso que aumenta con la velocidad.

Kilogramo estándar

El kilogramo estándar

El símbolo habitual de masa es my su unidad SI es el kilogramo . El estándar de masa del SI es un cilindro de platino e iridio que se mantiene en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas cerca de París y se le asigna, por acuerdo internacional, una masa de 1 kilogramo.

Efecto Joule – Thomson – Coeficiente Joule Thomson

Los cambios de temperatura durante el proceso de regulación están sujetos al   efecto Joule-Thomson . A temperatura ambiente y presiones normales, todos los gases, excepto el hidrógeno y el helio, se enfrían durante la expansión del gas. El enfriamiento ocurre porque se debe trabajar para superar la atracción de largo alcance entre las moléculas de gas a medida que se alejan. El efecto depende del valor del coeficiente de Joule-Thomson , que se define como:

Una aplicación del proceso de estrangulamiento ocurre en refrigeradores de compresión de vapor, donde se usa una válvula de estrangulamiento para reducir la presión y reducir la temperatura del refrigerante desde la presión en la salida del condensador hasta la presión más baja existente en el evaporador.