Fisica General Burbano

MÁQUINAS TÉRMICAS 351
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do principio de termodinámica, la dirección en que se realizan los proceso en la naturaleza, tales
evoluciones son solamente posibles cuando se verifique que ∆S > 0.
PROBLEMAS: 34al 44.
XVI – 25. Energía libre
En el ciclo de Carnot, cuando la sustancia se expande adiabáticamente realiza un trabajo a
cuenta de su energía interna, que es precisamente igual a la disminución de esa energía. Sin embargo,
durante la expansión isoterma su temperatura permanece constante y, por tanto, la parte de
energía interna que determina la temperatura de la sustancia no puede ser utilizada para transformarla
en trabajo.
Se llama ENERGÍA LIBRE de un cuerpo a la parte de su energía interna que puede ser transformada
en trabajo mecánico en un proceso isotérmico reversible.
En tales procesos se verifica dS = dQ/T y, utilizando el primer principio, el trabajo realizado es:
dW = dQ – dU = TdS – dU
que, por ser T constante, se puede escribir:
dW = d (TS) – dU = – d (U – TS)
es decir, el trabajo realizado por el sistema en un proceso isotérmico reversible es igual al cambio
de la función U – TS. Esta función:
F = U − TS
es por tanto la ENERGÍA LIBRE del sistema, igual a la energía interna menos el producto TS, que se
denomina ENERGÍA LIGADA o TERMENTROPÍA, y que es aquella parte mencionada inútil para la realización
de trabajo.
La función F nos permite deducir el sentido en que se verificará una transformación y cuándo
se establecerá el equilibrio, en unas determinadas condiciones. En efecto, de acuerdo con su definición
podemos poner: dF = dU – TdS – SdT, y si el proceso es reversible:
dF = (TdS – pdV) – TdS – SdT = –pdV – SdT
ahora bien, si se inicia un proceso espontáneo (irreversible) que se verifique a temperatura y volumen
constantes, entonces dQ < TdS, y por tanto dF < –pdV – SdT, que por ser T y V constantes,
se reduce a:
dF < 0 ⇒ F < F
Un proceso espontáneo, a T y V constantes, se produce en el sentido en que disminuye la
energía libre, y el estado de equilibrio se alcanzará en consecuencia cuando F sea mínima.
Si en un sistema aislado (U = cte) se verifican procesos irreversibles (reales) los consiguientes
aumento de entropía y disminución de energía libre tienen como consecuencia que la energía del
sistema posee cada vez menos capacidad de transformarse en trabajo, está más degradada.
C) MÁQUINAS TÉRMICAS
XVI – 26. Máquina de vapor. Ciclo de Rankine. Turbina de vapor
El foco caliente es un hogar que calienta el agua contenida en una caldera transformándose en
vapor, el cual hace de transportador de calor, realizando un trabajo y cediendo parte del calor tomado
a un condensador o al ambiente exterior que funcionan como foco frío de la máquina (Fig.
XVI-18).
El vapor de agua que proviene de la caldera llega por A a una caja de distribución, penetra por
uno de sus conductos y llega por B a un cilindro, empujando el émbolo C que adquiere un movimiento
de ascenso. Si suponemos la parte superior del cilindro D llena de vapor, su compresión
hace que pasando por E, llegue a una cavidad comunicada con un condensador. Al llegar el émbolo
a la parte superior de su recorrido el distribuidor del vapor (corredera) adquiere, accionado
por G′, una posición tal que comunica E con la caldera y B con el condensador, produciéndose
efectos inversos: al penetrar el vapor por E baja el émbolo, que hace salir el vapor de la parte inferior
del cilindro, por B, hasta el condensador. Una bomba de alimentación, transporta el agua líquida
del condensador o refrigerante a la caldera volviéndose a repetir el ciclo.
Un sistema biela-manivela transforma el movimiento rectilíneo y alternativo de G en movimiento
de rotación (Fig. XVI-19).
CICLO DE RANKINE: Es el ciclo teórico de una máquina de vapor (Fig. XVI-20). El punto A nos
representa agua líquida en el condensador (volumen V 2
, presión p 2
y temperatura T 2
); la bomba le
final
inicial
Fig. XVI-18.– Esquema de una máquina
de vapor.
Fig. XVI-19.– Biela-manivela.
Fig. XVI-20.– Ciclo de Rankine.