Principios de Termodinámica

1er Principio

Lo enunció Joule en 1840 estudiando las transformaciones termodinámicas en sistemas cerrados, aquellos que pueden intercambiar energía con el medio exterior pero no materia. Joule comprobó que podía llevar un sistema de un estado inicial de equilibrio a un estado final de equilibrio siguiendo distintos caminos de aporte de calor y trabajo. El primer principio establece una relación cuantitativa entre el calor absorbido y el trabajo realizado por un sistema. Esta relación se expresa con la siguiente ecuación:

ΔU = Q – W

• Q: Calor absorbido por el sistema.
• W: Trabajo realizado por el sistema.
• ΔU: Variación de la energía interna del sistema.

Esto significa que la energía interna de un sistema se incrementa cuando recibe energía y disminuye cuando la pierde, pudiendo tratarse esta energía tanto de calor como de trabajo.

2º Principio

Si el diseño de una máquina solo tuviera en cuenta el primer principio, se podría pensar en obtener un motor que transformase en trabajo todo el calor recibido, o bien, una máquina frigorífica perfecta. Sin embargo, se sabe que cualquiera de estas dos máquinas es imposible de construir. El segundo principio tiene carácter cualitativo y advierte de esta imposibilidad. Las conclusiones principales son:

• Es más fácil convertir trabajo en calor que calor en trabajo.
• El trabajo se puede convertir íntegramente en calor, mientras que el calor no puede convertirse íntegramente en trabajo.
• Para la transmisión de calor y, por tanto, para la conversión de calor en trabajo, es necesario disponer de un foco frío y un foco caliente.
• El calor no puede transformarse en trabajo reversible.

Bomba de Calor

Se denomina bomba de calor a una máquina frigorífica cuyo objetivo no consiste en enfriar, sino en calentar. A diferencia de la refrigeración, donde interesa el calor intercambiado en el evaporador (Qf), aquí interesa el calor expulsado en el condensador (Qe).

Tipos de bombas de calor

Se clasifican según sus fuentes frías y calientes:

• Aire-Aire: Utilizada habitualmente en calefacción de viviendas.
• Aire-Agua: Ejemplo de uso en piscinas de agua caliente.
• Agua-Agua: Utilizada, por ejemplo, para obtener una pista de hielo permanente.
• Agua-Aire: Sistema de calefacción que utiliza el agua de un río cercano como foco frío.

Bomba de calor reversible

Es una máquina que funciona tanto como frigorífica como bomba de calor. El dispositivo clave es una válvula de cuatro vías, que permite invertir el sentido de circulación del fluido refrigerante para cambiar el funcionamiento del sistema.

Ciclo de Otto

Es el proceso termodinámico empleado en la mayoría de los motores de combustión interna de encendido por chispa. Se conoce como motor de explosión debido a la rapidez de la combustión.

1. Admisión (presión constante): Entrada de aire o mezcla a presión constante.
2. Compresión isoentrópica: El pistón asciende y comprime la mezcla sin intercambio de calor.
3. Combustión y trabajo: Se inyecta una chispa, provocando la explosión que empuja el pistón.
4. Escape: Salida de los gases resultantes a presión constante.

Ciclo de Diesel

Es el ciclo ideal para motores de encendido por compresión, donde la bujía es sustituida por un inyector. La adición de calor se produce a presión constante.

1. Admisión: Entrada de aire a presión constante.
2. Compresión: Proceso isoentrópico de reducción de volumen.
3. Encendido y expansión: Inyección de gasoil y combustión adiabática que genera trabajo.
4. Escape: Expulsión de gases a presión constante.

Máquina Frigorífica

Dispositivo cíclico que transfiere energía térmica desde una región de baja temperatura a otra de alta temperatura mediante un fluido refrigerante.

• Compresor: Eleva la presión del vapor para permitir su condensación.
• Condensador: Facilita el intercambio de calor para licuar el fluido.
• Válvula de expansión: Regula la entrada de líquido al evaporador.
• Evaporador: Absorbe calor al pasar el fluido de líquido a vapor.

Cuestionario de Repaso

1. El rendimiento de un ciclo de Carnot es el mayor posible.
2. La máquina de vapor antigua es un motor de combustión externa.
3. En el ciclo Otto, el rendimiento aumenta con la relación de compresión.
4. El turbocompresor introduce más aire en el motor.
5. El tercer tiempo (combustión/expansión) es el que realiza trabajo.
6. La eficiencia de una máquina frigorífica es mayor que la unidad.
7. El evaporador absorbe calor del medioambiente.
8. La válvula de expansión regula el flujo de refrigerante.
9. La bomba de calor traslada calor de un recinto frío a uno caliente aportando trabajo.
10. La válvula de cuatro vías invierte el papel de condensador y evaporador.
11. El evaporador en un frigorífico es la placa interior que se escarcha.
12. Los motores de gas necesitan gasolina para el arranque.
13. El COP de una bomba de calor real es siempre mayor que 1.
14. El rendimiento del ciclo Otto aumenta con la relación de compresión.
15. Falso: El calor de un cuerpo no depende solo de su temperatura.
16. Cierto: Si un sistema varía su temperatura, varía su energía interna.
17. La relación entre calores específicos (γ) es constante.
18. Si el volumen aumenta, el trabajo realizado por el gas es positivo.
19. En una transformación adiabática, el calor intercambiado es nulo.
20. El rendimiento es el cociente entre trabajo neto y calor absorbido.
21. Las máquinas térmicas se clasifican en las que consumen o entregan trabajo.
22. Un motor de cuatro cilindros completa el ciclo en dos vueltas al cigüeñal.
23. En un motor de dos tiempos no existen válvulas, se usan lumbreras.
24. La máquina de vapor es un motor de combustión externa.
25. El rendimiento ideal de una máquina frigorífica depende de las temperaturas de los focos.
26. El calor latente es el necesario para un cambio de estado.
27. Los elementos del circuito son: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador.