TERMODINÁMICA

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Figura 1: Diagrama del motor térmico

Ver también: Ciclo termodinámico.

Termodinámica
El clásico motor de calor Carnot.
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En la termodinámica y de ingeniería , un motor térmico es un sistema que convierte el calor o energía térmica -y energía química : para la energía mecánica , que luego se puede utilizar para hacer trabajo mecánico . ^[1] [2] Hace esto trayendo una sustancia de trabajo de una temperatura más alta del estado a una temperatura más baja del estado. Una fuente de calor genera energía térmica que lleva la sustancia de trabajo al estado de alta temperatura. La sustancia de trabajo genera trabajo en el cuerpo de trabajo del motor mientras transfiere calor al fregadero más fríoHasta que alcanza un estado de baja temperatura. Durante este proceso, parte de la energía térmica se convierte en trabajoal explotar las propiedades de la sustancia de trabajo. La sustancia de trabajo puede ser cualquier sistema con una capacidad de calor diferente a cero , pero generalmente es un gas o líquido. Durante este proceso, se pierde mucho calor en el entorno y, por lo tanto, no se puede convertir para trabajar.

En general, un motor convierte la energía en trabajo mecánico . Los motores térmicos se distinguen de otros tipos de motores por el hecho de que su eficiencia está fundamentalmente limitada por el teorema de Carnot . ^[3] Aunque esta limitación de eficiencia puede ser un inconveniente, una ventaja de los motores térmicos es que la mayoría de las formas de energía se pueden convertir fácilmente en calor mediante procesos como reacciones exotérmicas (como la combustión), absorción de luz o partículas energéticas, fricción , disipación. y resistencia. Dado que la fuente de calor que suministra energía térmica al motor puede ser alimentada prácticamente por cualquier tipo de energía, los motores térmicos son muy versátiles y tienen una amplia gama de aplicaciones.

Los motores de calor a menudo se confunden con los ciclos que intentan implementar. Normalmente, el término "motor" se usa para un dispositivo físico y "ciclo" para el modelo.

Descripción general [ editar ]

En termodinámica , los motores térmicos a menudo se modelan utilizando un modelo de ingeniería estándar, como el ciclo Otto . El modelo teórico se puede refinar y aumentar con datos reales de un motor operativo, utilizando herramientas como un diagrama de indicadores . Dado que muy pocas implementaciones reales de motores térmicos coinciden exactamente con sus ciclos termodinámicos subyacentes, se podría decir que un ciclo termodinámico es un caso ideal de un motor mecánico. En cualquier caso, comprender completamente un motor y su eficiencia requiere obtener una buena comprensión del modelo teórico (posiblemente simplificado o idealizado), los matices prácticos de un motor mecánico real y las discrepancias entre los dos.

En términos generales, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente caliente y el sumidero frío, mayor será la eficiencia térmica potencial del ciclo. En la Tierra, el lado frío de cualquier motor térmico está limitado a estar cerca de la temperatura ambiente del ambiente, o no mucho menos que 300 kelvins , por lo que la mayoría de los esfuerzos para mejorar las eficiencias termodinámicas de varios motores térmicos se centran en aumentar la temperatura del aire. Fuente, dentro de los límites materiales. La máxima eficiencia teórica de un motor térmico (que ningún motor alcanza) es igual a la diferencia de temperatura entre los extremos caliente y frío dividida por la temperatura en el extremo caliente, todo ello expresado como temperaturas absolutas (en kelvins ).

La eficiencia de los diversos motores térmicos propuestos o utilizados hoy en día tiene una amplia gama:

• 3% ^[4] (97 por ciento de calor residual que utiliza calor de baja calidad) para la propuesta de energía oceánica de OTEC .
• 25% para la mayoría de los motores de gasolina para automóviles ^[5]
• 49% para una central eléctrica de carbón supercrítica como la central eléctrica de Avedøre , y muchas otras.
• 60% para una turbina de gas de ciclo combinado enfriada por vapor . ^[6]

Todos estos procesos obtienen su eficiencia (o la falta de ellos) de la caída de temperatura a través de ellos. Se puede usar una energía significativa para los equipos auxiliares, como las bombas, que reducen efectivamente la eficiencia.

Ejemplos de motores de calor [ editar ]

Es importante tener en cuenta que aunque algunos ciclos tienen una ubicación de combustión típica (interna o externa), a menudo se pueden implementar con la otra. Por ejemplo, John Ericsson ^[7] desarrolló un motor externo con calefacción que funciona en un ciclo muy parecido al ciclo Diesel anterior . Además, los motores calentados externamente a menudo se pueden implementar en ciclos abiertos o cerrados.

Ejemplos cotidianos [ editar ]

Todos los días ejemplos de motores térmicos incluyen la central térmica , el motor de combustión interna y la locomotora de vapor . Todos estos motores térmicos son propulsados ​​por la expansión de gases calentados.

Motor térmico de la Tierra [ editar ]

La atmósfera y la hidrosfera de la Tierra, el motor térmico de la Tierra, son procesos acoplados que constantemente compensan los desequilibrios del calentamiento solar a través de la evaporación de las aguas superficiales, la convección, la lluvia, los vientos y la circulación oceánica, cuando distribuyen el calor en todo el mundo. ^[8]

El sistema Hadley proporciona un ejemplo de un motor térmico. La circulación de Hadley se identifica con la elevación del aire cálido y húmedo en la región ecuatorial con el descenso del aire más frío en los subtrópicos correspondiente a una circulación directa impulsada térmicamente, con la consiguiente producción neta de energía cinética. ^[9]

Ciclos de cambio de fase [ editar ]

En estos ciclos y motores, los fluidos de trabajo son gases y líquidos. El motor convierte el fluido de trabajo de un gas a un líquido, de líquido a gas, o ambos, generando trabajo a partir de la expansión o compresión del fluido.

• Ciclo de Rankine ( motor de vapor clásico )
• Ciclo regenerativo ( motor de vapor más eficiente que el ciclo Rankine )
• Ciclo de Rankine orgánico (fase de cambio de refrigerante en los rangos de temperatura del hielo y agua líquida caliente)
• Vapor a ciclo de líquido ( pájaro de consumición , inyector , rueda Minto )
• Ciclo de líquido a sólido ( acumulación de escarcha : el agua cambia de hielo a líquido y nuevamente puede levantar rocas hasta 60 cm).
• Ciclo de sólido a gas ( Cañón de hielo seco: el hielo seco se sublima al gas).

Ciclos de gas solamente [ editar ]

En estos ciclos y motores, el fluido de trabajo es siempre un gas (es decir, no hay cambio de fase):

• Ciclo de Carnot ( Carnot Heat Engine )
• Ciclo de Ericsson (Caloric Ship John Ericsson)
• Ciclo Stirling ( motor Stirling ^[10] , dispositivos termoacústicos )
• Motor de combustión interna (ICE):
  • Ciclo Otto (p. Ej . Motor de gasolina / gasolina )
  • Ciclo diesel (p. Ej. Motor diesel )
  • Ciclo Atkinson (motor Atkinson)
  • Ciclo de Brayton o ciclo de Joule originalmente ciclo de Ericsson ( turbina de gas )
  • Ciclo de Lenoir (por ejemplo, motor de chorro de impulsos )
  • Ciclo Miller (motor Miller)

Ciclo de liquido solo [ editar ]

En estos ciclos y motores el fluido de trabajo es siempre como líquido:

• Ciclo Stirling ( motor Malone )
• Ciclón regenerador de calor ^[11]

Ciclos de electrones [ editar ]

• Convertidor termoeléctrico de energía johnson
• Termoeléctrico ( efecto Peltier – Seebeck )
• Célula termogalvánica
• Emisión termoiónica
• Enfriamiento termotunnel

Ciclos magneticos [ editar ]

• Motor termo-magnético (Tesla)

Ciclos utilizados para la refrigeración [ editar ]

Artículo principal: refrigeración

Un refrigerador doméstico es un ejemplo de una bomba de calor : un motor térmico invertido. El trabajo se utiliza para crear un diferencial de calor. Muchos ciclos pueden ir en reversa para mover el calor del lado frío al lado caliente, haciendo que el lado frío sea más frío y el lado caliente más caliente. Las versiones de estos ciclos de motores de combustión interna son, por su naturaleza, no reversibles.

Los ciclos de refrigeración incluyen:

• Refrigeración por compresión de vapor
• Enfriadores criogénicos Stirling
• Refrigerador de absorción de gas
• Maquina de ciclo de aire
• Ciclo de vuilleumier
• Refrigeracion magnetica

Los motores de calor por evaporación [ editar ]

El motor de evaporación de Barton es un motor de calor basado en un ciclo que produce energía y aire húmedo enfriado de la evaporación del agua al aire seco y caliente.

Motores térmicos Mesoscópicos [ editar ]

Los motores de calor mesoscópicos son dispositivos a nanoescala que pueden servir para el objetivo de procesar flujos de calor y realizar trabajos útiles a pequeña escala. Las aplicaciones potenciales incluyen, por ejemplo, dispositivos de refrigeración eléctrica. En tales motores térmicos mesoscópicos, el trabajo por ciclo de operación fluctúa debido al ruido térmico. Existe una igualdad exacta que relaciona el promedio de los exponentes del trabajo realizado por cualquier motor térmico y la transferencia de calor del baño de calor más caliente. ^[12] Esta relación transforma la desigualdad de Carnot en igualdad exacta.

Eficiencia [ editar ]

La eficiencia de un motor térmico relaciona la cantidad de trabajo útil que se genera para una cantidad determinada de energía térmica.

De las leyes de la termodinámica , después de un ciclo completo:

$${\ displaystyle W \ = \ Q_ {c} \ - \ (-Q_ {h})}

dónde

$${\ displaystyle W = - \ oint PdV}Es el trabajo extraído del motor. (Es negativo ya que el trabajo lo realiza el motor).

$${\ displaystyle Q_ {h} = T_ {h} \ Delta S_ {h}}Es la energía térmica tomada del sistema de alta temperatura. (Es negativo ya que el calor se extrae de la fuente, por lo tanto$${\ displaystyle (-Q_ {h})} es positivo.)

$${\ displaystyle Q_ {c} = T_ {c} \ Delta S_ {c}}Es la energía térmica suministrada al sistema de temperatura fría. (Es positivo ya que el calor se agrega al fregadero).

En otras palabras, un motor térmico absorbe la energía térmica de la fuente de calor de alta temperatura, convirtiendo parte de ella en trabajo útil y entregando el resto al disipador de calor de temperatura fría.

En general, la eficiencia de un proceso de transferencia de calor dado (ya sea un refrigerador, una bomba de calor o un motor) se define de manera informal por la proporción de "lo que se obtiene" y "lo que se pone".

En el caso de un motor, uno desea extraer trabajo y poner una transferencia de calor.

$${\ displaystyle \ eta = {\ frac {-W} {- Q_ {h}}} = {\ frac {-Q_ {h} -Q_ {c}} {- Q_ {h}}} = 1 - {\ frac {Q_ {c}} {- Q_ {h}}}}

La máxima eficiencia teórica de cualquier motor térmico depende solo de las temperaturas entre las que opera. Esta eficiencia generalmente se deriva utilizando un motor térmico ideal imaginario como el motor térmico Carnot, aunque otros motores que usan ciclos diferentes también pueden lograr la máxima eficiencia. Matemáticamente, esto se debe a que en los procesos reversibles , el cambio en la entropía del reservorio frío es el negativo del del reservorio caliente (es decir,$${\ displaystyle \ Delta S_ {c} = - \ Delta S_ {h}}), manteniendo el cambio general de entropía cero. Así:

$${\ displaystyle \ eta _ {\ text {max}} = 1 - {\ frac {T_ {c} \ Delta S_ {c}} {- T_ {h} \ Delta S_ {h}}} = 1 - {\ frac {T_ {c}} {T_ {h}}}}

dónde $${\ displaystyle T_ {h}}Es la temperatura absoluta de la fuente caliente y$${\ displaystyle T_ {c}}La del fregadero frío, generalmente medido en kelvins . Tenga en cuenta que$${\ displaystyle dS_ {c}} es positivo mientras $${\ displaystyle dS_ {h}}es negativo en cualquier proceso de extracción de trabajo reversible, la entropía no aumenta en general, sino que se mueve de un sistema caliente (alta entropía) a uno frío (baja entropía), disminuyendo la entropía de la fuente de calor y aumentando la del calor. lavabo.

El razonamiento detrás de este ser de la máxima eficiencia es el siguiente. Primero se asume que si es posible un motor térmico más eficiente que un motor Carnot, entonces podría ser impulsado en reversa como una bomba de calor. Se puede usar el análisis matemático para mostrar que esta combinación supuesta resultaría en una disminución neta de la entropía . Dado que, según la segunda ley de la termodinámica , esto es estadísticamente improbable hasta el punto de exclusión, la eficiencia de Carnot es un límite superior teórico sobre la eficiencia confiable de cualquier ciclo termodinámico.

Empíricamente, ningún motor térmico ha demostrado funcionar con una eficiencia mayor que un motor térmico de ciclo de Carnot.

La Figura 2 y la Figura 3 muestran variaciones en la eficiencia del ciclo de Carnot. La Figura 2 indica cómo cambia la eficiencia con un aumento en la temperatura de adición de calor para una temperatura constante de entrada del compresor. La Figura 3 indica cómo cambia la eficiencia con un aumento en la temperatura de rechazo de calor para una temperatura de entrada de turbina constante.

Figura 2: La eficiencia del ciclo de Carnot con el cambio de la temperatura de adición de calor.

Figura 3: La eficiencia del ciclo de Carnot con el cambio de temperatura de rechazo de calor.

Motores térmicos endo-reversibles [ editar ]

Por su naturaleza, cualquier ciclo de Carnot de máxima eficiencia debe operar a un gradiente de temperatura infinitesimal; esto se debe a que cualquier transferencia de calor entre dos cuerpos de diferentes temperaturas es irreversible, por lo tanto, la expresión de eficiencia de Carnot se aplica solo al límite infinitesimal. El principal problema es que el objetivo de la mayoría de los motores térmicos es generar potencia, y rara vez se desea una potencia infinitesimal.

Una medida diferente de la eficiencia ideal del motor térmico es dada por consideraciones de termodinámica endoreversible , donde el ciclo es idéntico al ciclo de Carnot, excepto que los dos procesos de transferencia de calor no son reversibles (Callen 1985):

$${\ displaystyle \ eta = 1 - {\ sqrt {\ frac {T_ {c}} {T_ {h}}}}}(Nota: Unidades K o ° R )

Este modelo hace un mejor trabajo de predecir qué tan bien pueden hacerlo los motores térmicos del mundo real (Callen 1985, ver también termodinámica endoreversible ):

Eficiencias de las centrales eléctricas ^[13]

Central eléctrica	$${\ displaystyle T_ {c}} (° C)	$${\ displaystyle T_ {h}} (° C)	$${\ displaystyle \ eta}(Carnot)	$${\ displaystyle \ eta}(Endorreversible)	$${\ displaystyle \ eta}(Observado)
Central eléctrica de carbón de West Thurrock(Reino Unido)	25	565	0.64	0.40	0.36
Central nuclear de CANDU (Canadá)	25	300	0.48	0.28	0.30
Central geotérmica de Larderello (Italia)	80	250	0.33	0.178	0.16

Como se muestra, la eficiencia endo-reversible es mucho más cercana a la de los modelos observados.

Historia [ editar ]

Artículo principal: Cronología de la tecnología de motores térmicos.

Ver también: Historia del motor de combustión interna e Historia de la termodinámica.

Los motores térmicos se conocen desde la antigüedad, pero solo se convirtieron en dispositivos útiles en el momento de la revolución industrial en el siglo XVIII. Siguen desarrollándose hoy.

Mejoras de motor térmico [ editar ]

Los ingenieros han estudiado los distintos ciclos del motor térmico para mejorar la cantidad de trabajo utilizable que podrían extraer de una fuente de energía determinada. El límite del ciclo de Carnot no se puede alcanzar con ningún ciclo basado en gas, pero los ingenieros han encontrado al menos dos formas de superar ese límite y una forma de obtener una mejor eficiencia sin doblar ninguna regla:

1. Incrementa la diferencia de temperatura en el motor térmico. La forma más sencilla de hacerlo es aumentar la temperatura del lado caliente, que es el enfoque utilizado en las modernas turbinas de gas deciclo combinado . Desafortunadamente, los límites físicos (como el punto de fusión de los materiales utilizados para construir el motor) y las preocupaciones medioambientales con respecto a la producción de NO _x restringen la temperatura máxima en los motores térmicos viables. Las turbinas de gas modernas funcionan a temperaturas tan altas como sea posible dentro del rango de temperaturas necesarias para mantener una salida de NO _x aceptable ^{[ cita requerida ]}. Otra forma de aumentar la eficiencia es disminuir la temperatura de salida. Un nuevo método para hacerlo es usar fluidos químicos de trabajo mixtos y luego explotar el comportamiento cambiante de las mezclas. Uno de los más famosos es el llamado ciclo de Kalina , que utiliza una mezcla 70/30 de amoníaco y agua como su fluido de trabajo. Esta mezcla permite que el ciclo genere energía útil a temperaturas considerablemente más bajas que la mayoría de los otros procesos.
2. Aprovechar las propiedades físicas del fluido de trabajo. La explotación más común es el uso de agua por encima del punto crítico, o vapor supercrítico. El comportamiento de los fluidos por encima de su punto crítico cambia radicalmente, y con materiales como el agua y el dióxido de carbono es posible explotar esos cambios en el comportamiento para extraer una mayor eficiencia termodinámica de la máquina de calor, incluso si está utilizando un Brayton o Rankine bastante convencional. ciclo. Un material más nuevo y muy prometedor para tales aplicaciones es el CO ₂ . El SO ₂ y el xenón también se han considerado para tales aplicaciones, aunque el SO ₂ es tóxico.
3. Aprovechar las propiedades químicas del fluido de trabajo . Un exploit bastante nuevo y novedoso es usar fluidos de trabajo exóticos con propiedades químicas ventajosas. Uno de ellos es el dióxido de nitrógeno(NO ₂ ), un componente tóxico del smog, que tiene un dímero natural como tetraóxido di-nitrógeno (N ₂ O ₄ ). A baja temperatura, el N ₂ O ₄ se comprime y luego se calienta. El aumento de la temperatura hace que cada N ₂ O _{4 se} rompa en dos moléculas de NO ₂ . Esto reduce el peso molecular del fluido de trabajo, lo que aumenta drásticamente la eficiencia del ciclo. Una vez el no ₂se ha expandido a través de la turbina, se enfría por el disipador de calor , lo que lo hace recombinarse en N ₂ O ₄ . Esto es luego devuelto por el compresor para otro ciclo. Estas especies, como el bromuro de aluminio (Al ₂ Br ₆ ), NOCl y Ga ₂ I _6, han sido investigadas para tales usos. Hasta la fecha, sus inconvenientes no han garantizado su uso, a pesar de los aumentos de eficiencia que pueden lograrse. ^[14]

Procesos de motores térmicos [ editar ]

Ciclo	Compresión, 1 → 2	Adición de calor, 2 → 3	Expansión, 3 → 4	Rechazo de calor, 4 → 1	Notas
Ciclos de alimentación normalmente con combustión externa o ciclos de bomba de calor:
Campana coleman	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Un ciclo de Brayton invertido.
Carnot	isentrópico	isotérmico	isentrópico	isotérmico	Motor de calor de carnot
Ericsson	isotérmico	isobárico	isotérmico	isobárico	El segundo ciclo de Ericsson desde 1853.
Rankine	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Máquina de vapor
Higroscópico	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Ciclo higroscópico
Scuderi	adiabático	presión  y volumenvariables	adiabático	isocorico
Stirling	isotérmico	isocorico	isotérmico	isocorico	motor Stirling
Manson	isotérmico	isocorico	isotérmico	isocórico entonces adiabático	Motor de manson-guisa
Stoddard	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico
Ciclos de energía normalmente con combustión interna :
Brayton	adiabático	isobárico	adiabático	isobárico	Motor a reacción . La versión de combustión externa de este ciclo se conoce como primer ciclo de Ericssondesde 1833.
Diesel	adiabático	isobárico	adiabático	isocorico	Motor diesel
Lenoir	isobárico	isocorico	adiabático		Chorros de pulso . Nota, 1 → 2 logra tanto el rechazo de calor como la compresión.
Otón	adiabático	isocorico	adiabático	isocorico	Motores de gasolina / gasolina

Cada proceso es uno de los siguientes:

• isotérmica (a temperatura constante, mantenida con el calor agregado o eliminado de una fuente de calor o sumidero)
• isobárico (a presión constante)
• isométrico / isocórico (a volumen constante), también denominado iso-volumétrico
• Adiabático (no se agrega ni se elimina calor del sistema durante el proceso adiabático)
• isentrópico (proceso adiabático reversible, no se agrega ni se elimina calor durante el proceso isentrópico)