¿Qué es la termodinámica? Definición

La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y conversión de energía. La termodinámica estudia los efectos del trabajo, el calor y la energía en un sistema. Ingenieria termal

Termodinámica

termodinámica - ecuación de BoltzmanEl conocimiento de la termodinámica es esencial para los ingenieros nucleares , que trabajan con reactores de energía 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 muchas centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad.

La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y conversión de energía. Estudia los efectos del trabajo , el calor y la energía en un sistema. A pesar de que es un tema muy amplio que afecta a la mayoría de los campos de la ciencia, incluida la biología y la microelectrónica, nos ocuparemos principalmente de las observaciones a gran escala. Las interacciones a pequeña escala se describirán en la teoría cinética de los gases.Históricamente, la termodinámica nació en el siglo XIX cuando los científicos descubrieron por primera vez cómo construir y operar máquinas de vapor . Particularmente a través del trabajo del físico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot, quien introdujo el concepto del ciclo del motor térmico y el principio de reversibilidad en 1824. El físico escocés Lord Kelvin fue el primero en formular una definición concisa de la termodinámica en 1854. El trabajo de Carnot se refería a limitaciones en la cantidad máxima de trabajo que se puede obtener de una máquina de vapor que funciona con una transferencia de calor a alta temperatura como su fuerza motriz. En años posteriores se desarrollaron las leyes de la termodinámica . Termodinámicase basa principalmente en un conjunto de cuatro leyes que son universalmente válidas cuando se aplican a sistemas que caen dentro de las restricciones implicadas por cada uno.

termodinámica de ingeniería
Ciclo de Rankine – Termodinámica como ciencia de conversión de energía

La termodinámica es tanto una rama de la física como una ciencia de la ingeniería . El físico normalmente está interesado en obtener una comprensión fundamental del comportamiento físico y químico de cantidades fijas de materia en reposo y utiliza las leyes de la termodinámica para relacionar las propiedades de la materia. Los ingenieros están generalmente interesados ​​en estudiar los sistemas de energía y cómo interactúan con su entorno. Para facilitar esto, los ingenieros extienden el tema de la termodinámica al estudio de los sistemas abiertos , en los que el calor, el trabajo y la masa pueden dirigirse hacia o desde el volumen de control.

Nuestro objetivo aquí será introducir la termodinámica como la ciencia de conversión de energía , introducir algunos de los conceptos y definiciones fundamentales que se utilizan en el estudio de la termodinámica de ingeniería . Estos conceptos y definiciones fundamentales se aplicarán aún más a los sistemas de energía y finalmente a las centrales térmicas o  nucleares .

Descripción de la central nuclear
Características principales de las centrales nucleares con reactor tipo PWR (reactor de agua a presión).

Una planta de energía nuclear típica tiene una capacidad de generación eléctrica de 1000 MWe . 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.

En las siguientes secciones trataremos el problema, cómo transformar la energía térmica generada dentro del reactor en energía eléctrica de la manera más efectiva .

Leyes de termodinámica

Existen cuatro leyes de la termodinámica que definen cantidades físicas fundamentales (temperatura, energía y entropía) y que caracterizan los sistemas termodinámicos en equilibrio térmico . Estas son consideradas como una de las leyes más importantes en toda la física. Las leyes son las siguientes:

Ley cero de termodinámica:

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí.  

Esta ley proporciona una definición y un método para definir temperaturas, quizás la propiedad intensiva más importante de un sistema cuando se trata de problemas de conversión de energía térmica.

Primera ley de la termodinámica:

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

Esta ley es el principio de conservación de la energía . 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 . De ello se deduce que las máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo son imposibles.

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.

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.

Versión popular de las leyes de la termodinámica

0. Debes jugar el juego.

1. No puedes ganar; solo puedes alcanzar el equilibrio.

2. Solo puede alcanzar el punto de equilibrio en el cero absoluto.

3. No puedes alcanzar el cero absoluto.

Qué es energía

El sol
El Sol genera su energía por fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo.
Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

El término energía es muy amplio y tiene muchas definiciones. Técnicamente, la energía es una cantidad física escalar que está asociada con el estado de uno o más objetos. La energía se define generalmente como el potencial para hacer trabajo o producir calor . A veces es como la “moneda” para realizar el trabajo. Debes tener energía para realizar el trabajo. Para hacer 1 kilojulio de trabajo, debe gastar 1 kilojulio de energía. Debe agregarse, esta interpretación puede ser engañosa porque la energía no está necesariamente disponible para hacer el trabajo.

Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la energía puede transformarse de un tipo a otro y transferirse de un objeto a otro. Además, cuando se transforma de un tipo a otro y se transfiere de un objeto a otro, la cantidad total de energía es siempre la misma . Es una de las propiedades elementales del universo.

Por ejemplo, quemar gasolina para impulsar automóviles es un proceso de conversión de energía en el que confiamos. La energía química en la gasolina se convierte en energía térmica , que luego se convierte en energía mecánica que hace que el automóvil se mueva. La energía mecánica se ha convertido en energía cinética . Cuando usamos los frenos para detener un automóvil, esa energía cinética se convierte por fricción en calor o energía térmica .

Motores de calor

Ejemplo de motor térmico
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 energía  siempre han jugado un papel muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. La energía  se define generalmente como el  potencial para hacer  trabajo  o producir  calor . A veces es como la “moneda” para realizar el trabajo. Una de las propiedades más maravillosas del universo es que la  energía puede transformarse de un tipo a otro  y  transferirse de un objeto a otro .

En general, 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 . 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 .

A veces,  la energía mecánica  está directamente disponible, por ejemplo, la energía eólica y la energía hidroeléctrica. Pero la mayor parte de nuestra energía proviene de la quema de  combustibles fósiles  (carbón, petróleo y gas) y de  reacciones nucleares . 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, un  motor térmico debe ser usado.

En general, un  motor térmico  es un dispositivo que convierte la energía química en calor o energía térmica y luego en energía mecánica o eléctrica.

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.

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.
Por ejemplo, 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. Los generadores de vapor, las turbinas 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 las centrales nucleares modernas,  la  eficiencia termodinámica general es 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.

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