Fundamentos de Termodinámica: Ciclos, Máquinas y Exergía

Capacidad Calorífica y Relación de Mayer

• Capacidad calorífica: Relación entre el calor suministrado y la variación de la temperatura.
• Relación de Mayer: Aplicable a gases perfectos, definida como Cp = Cv + R. A medida que aumenta la temperatura, también lo hace el número de vibraciones de las moléculas del sistema y el calor específico.

Máquinas Térmicas

• Motor termodinámico: Sistema que evoluciona cíclicamente recibiendo calor y comunicando trabajo (W) al exterior.
• Máquina frigorífica: Sistema que evoluciona cíclicamente recibiendo trabajo externo (Wext) y hace pasar calor de un sistema que queremos mantener frío a otro superior.
• Bomba de calor: Sistema que recibe trabajo externo (Wext) y hace pasar calor de un sitio a otro que queremos que esté caliente.

Principios Fundamentales

• Enunciado de Kelvin-Planck: No puede realizarse un motor que, funcionando cíclicamente, comunique al exterior un trabajo positivo intercambiando calor con una sola fuente a temperatura constante. Solo una parte del calor transmitido se convierte en trabajo; el resto va al foco frío.
• Enunciado de Clausius: No puede construirse una máquina refrigerante que, funcionando cíclicamente, transmita calor desde un cuerpo a otro de mayor temperatura sin recibir trabajo del exterior. No existe un refrigerador con eficiencia infinita.

Máquina de Carnot

Es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella, hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y compresión entre dos temperaturas.

• Teorema 1: Todas las máquinas que funcionan según ciclos reversibles entre las mismas temperaturas tienen igual rendimiento.
• Teorema 2: El rendimiento de una máquina térmica irreversible es menor al de una reversible.

Energía, Exergía y Anergía

• Exergía: Disponibilidad de la materia para producir trabajo. Es el trabajo máximo que puede ser realizado por el sistema sobre cuerpos extraños a él y al medio, cuando el estado final de dicho sistema sea el del estado muerto.
• Anergía: Parte de la energía que no es convertible a trabajo útil.
• Energía ordenada: Tiene más calidad y permite una transformación íntegra en trabajo útil.

Análisis y Rendimiento

• Diagramas de Sankey: Facilitan el estudio de balances energéticos y exergéticos. Los procesos se representan con una línea horizontal y, por encima de ellos, se colocan los flujos de energía.
• Exergía y Segundo Principio: En todo proceso real que ocurra una interacción con el medio ambiente, la exergía será invariable en procesos ideales o disminuirá en procesos reales.
• Rendimiento exergético: Se define como E'' / E' ≤ 1.