Principios de Termodinámica y sus Aplicaciones

PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA

Primer Principio

Enunciado por Joule en 1840, el primer principio de la termodinámica se aplica a sistemas cerrados que intercambian energía, pero no materia, con el entorno. Establece que la variación de energía interna (ΔU) de un sistema es igual a la diferencia entre el calor absorbido (Q) y el trabajo realizado (W) por el sistema:

ΔU = Q - W

Esto significa que la energía interna de un sistema aumenta cuando recibe energía (calor o trabajo) y disminuye cuando la pierde.

Segundo Principio

El segundo principio establece limitaciones en la conversión de calor en trabajo. Indica que es imposible construir una máquina que convierta todo el calor recibido en trabajo. Algunas conclusiones clave son:

• Es más fácil convertir trabajo en calor que calor en trabajo.
• El trabajo se puede convertir íntegramente en calor, pero el calor no se puede convertir íntegramente en trabajo.
• La transferencia de calor y la conversión de calor en trabajo requieren un foco frío y un foco caliente.
• El calor no se puede transformar en trabajo de forma reversible.

BOMBA DE CALOR

Una bomba de calor es una máquina frigorífica que transfiere calor de una región de baja temperatura a una de alta temperatura. Se clasifican según sus fuentes frías y calientes:

• Aire-Aire: Calefacción de viviendas.
• Aire-Agua: Calentamiento de piscinas.
• Agua-Agua: Pistas de hielo permanentes.
• Agua-Aire: Calefacción de viviendas con agua de río como fuente fría.

Las bombas de calor reversibles pueden funcionar como máquinas frigoríficas o bombas de calor, invirtiendo el flujo del fluido refrigerante mediante una válvula de cuatro vías.

CICLO DE OTTO

El ciclo Otto es un ciclo termodinámico de cuatro tiempos utilizado en motores de combustión interna de encendido por chispa:

1. Admisión: El pistón desciende, la válvula de admisión se abre y entra aire o mezcla de aire-combustible a presión constante.
2. Compresión: El pistón asciende, las válvulas se cierran y la mezcla se comprime isoentrópicamente (sin intercambio de calor).
3. Combustión y trabajo: La mezcla se enciende con una chispa, se expande y empuja el pistón hacia abajo, realizando trabajo.
4. Escape: El pistón asciende, la válvula de escape se abre y los gases de combustión salen a presión constante.

CICLO DE DIESEL

El ciclo Diesel es un ciclo termodinámico de cuatro tiempos utilizado en motores de encendido por compresión:

1. Admisión: El pistón desciende, la válvula de admisión se abre y entra aire a presión constante.
2. Compresión: El pistón asciende, las válvulas se cierran y el aire se comprime isoentrópicamente.
3. Encendido y expansión: Se inyecta combustible, se enciende por la alta temperatura del aire comprimido y se expande, realizando trabajo.
4. Escape: El pistón asciende, la válvula de escape se abre y los gases de combustión salen a presión constante.

MÁQUINA FRIGORÍFICA

Una máquina frigorífica transfiere calor de una región de baja temperatura a una de alta temperatura mediante un fluido refrigerante que circula por cuatro componentes principales:

1. Compresor: Eleva la presión y temperatura del vapor refrigerante.
2. Condensador: El vapor refrigerante se condensa en líquido, liberando calor al entorno.
3. Válvula de expansión: Reduce la presión y temperatura del líquido refrigerante.
4. Evaporador: El líquido refrigerante se evapora en vapor, absorbiendo calor del entorno.

PREGUNTAS Y RESPUESTAS

1. El rendimiento de una máquina térmica que funciona según un ciclo de Carnot es: El mayor posible de cualquier máquina térmica que se pueda construir.

2. Una máquina de vapor de ferrocarril antigua es un motor de combustión: Externa

3. En el ciclo Otto ideal que realizan los motores de cuatro tiempos, el rendimiento: Aumenta al aumentar la relación de compresión volumétrica.

4. La misión del turbocompresor acoplado a un motor Otto o diésel tiene la misión de: Introducir más cantidad de aire de la que le corresponde.

5. En un Motor de cuatro tiempos, ¿cuál de los tiempos realiza trabajo? El tercero

6. La eficiencia de una máquina frigorífica es: Mayor que la unidad.

7. El evaporador de una máquina frigorífica tiene la misión de: Absorber calor del medioambiente para introducirlo en el sistema.

8. La válvula de expansión en un circuito frigorífico permite: Conseguir regular el paso del fluido refrigerante por la instalación en función de la demanda

9. El objetivo de una bomba de calor es: Llevar calor de un recinto de menor temperatura a otro de mayor temperatura, aportando trabajo

10. La válvula de cuatro vías instalada en una bomba de calor tiene la misión de: Intercambiar los papeles del condensador y del evaporador según interese calentar o enfriar el ambiente.

11. En un frigorífico doméstico, evaporador y condensador son prácticamente idénticos. ¿Dónde está situado físicamente el evaporador? Es una placa situada en el interior de la cámara de frío; a veces observamos que se recubre de escarcha, que cíclicamente se descongela de forma automática.

12. En los motores de combustión interna de gas, se sustituye directamente la gasolina por otro combustible. Se necesitan dos depósitos para utilizar la gasolina en el arranque.

13. El valor del COP de una bomba de calor real. Es siempre mayor que 1

14. El ciclo de Otto ideal que realizan los motores de cuatro tiempos, el rendimiento Aumenta al aumentar la relación de compresión volumétrica

15. Una de las siguientes afirmaciones es falsa El calor que posee un cuerpo depende de su temperatura

16. Una de las siguientes afirmaciones es cierta Cuando un tiempo sufre una variación de temperatura, también varía su energía interna.

17. Sobre los calores específicos a presión y a volumen constante de los gases, es cierto que. La relación entre ambos es constante

18. Cuando el volumen que ocupa un gas aumenta. El trabajo realizado por el gas es positivo

19. En una transformación adiabática. El calor intercambiado con el exterior es nulo

20. El rendimiento de un motor térmico es igual al cociente entre. El trabajo neto realizado y el calor absorbido desde el foco caliente

21. Las máquinas térmicas se clasifican en. Máquina que consume trabajo y máquina que entrega trabajo

22. El motor de cuatro cilindros. Completa el ciclo termodinámico en dos vueltas al cigüeñal

23. En un motor de dos tiempos. No existen válvulas, la entrada y salida del fluido se realiza mediante lumbreras

24. Una máquina de vapor. Utiliza un motor alternativo de combustión externa para su funcionamiento

25. El rendimiento ideal de una máquina frigorífica. Depende únicamente de la temperatura de los focos en los que trabaja

26. El calor latente. Es el calor que debe tomar o ceder una sustancia cuando está realizando un cambio de estado

27. Los elementos que construyen un circuito frigorífico son. Compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.