Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Trabajo
Agua
Calor
Calor
Ningún trabajo
Agua
FIGURA 6-8
El trabajo se puede convertir en calor de
forma directa y completamente, pero lo
contrario no es posible.
Máquina
Térmica
Temperatura alta
Fuente
Q entrada
Q salida
Temperatura baja
Sumidero
W neto,salida
FIGURA 6.9
Parte del calor que recibe una máquina
térmica se convierte en trabajo, mientras
que el resto es rechazado a un sumidero.
6-3 ■ MÁQUINAS TÉRMICAS
Como se señaló antes, el trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas
de energía, pero convertir éstas en trabajo no es fácil. El trabajo mecánico que
realiza la flecha mostrada en la figura 6-8, por ejemplo, se convierte primero
en la energía interna del agua, energía que puede entonces salir del agua como
calor. Se sabe por experiencia que cualquier intento por revertir este proceso
fallará, es decir, transferir calor al agua no causa que la flecha gire. De ésta
y otras observaciones se concluye que el trabajo se puede convertir en calor
de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere
usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas
térmicas.
Las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas
a todas de la siguiente manera (Fig. 6-9):
1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de
petróleo, reactor nuclear, etcétera).
2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de
una flecha rotatoria).
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura
(la atmósfera, los ríos, etcétera).
4. Operan en un ciclo.
Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren
un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un
ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo.
El término máquina térmica se usa con frecuencia en un sentido más amplio
que incluye dispositivos que producen trabajo que no operan en un ciclo termodinámico.
Las máquinas relacionadas con la combustión interna, como las
turbinas de gas y los motores de automóviles, entran en esta categoría. Estos
dispositivos operan en un ciclo mecánico pero no en un ciclo termodinámico,
porque el fluido de trabajo (los gases de combustión) no experimenta un ciclo
completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los gases de
escape se purgan y se reemplazan por una mezcla fresca de aire y combustible
al final de ciclo.
El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una
máquina térmica es la central eléctrica de vapor, la cual es una máquina de
combustión externa, es decir, la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina
y la energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como
calor. El esquema de una central eléctrica de vapor se muestra en la figura
6-10. Éste es un diagrama bastante simplificado y el análisis de la central
eléctrica de vapor real se da en capítulos posteriores. Las distintas cantidades
mostradas en esta figura son:
Q entrada cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde
una fuente de temperatura alta (horno)
Q salida cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia
un sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etcétera)
W salida cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en
una turbina
W entrada cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión
de la caldera
Observe que las direcciones de las interacciones de calor y trabajo se indican
mediante los subíndices entrada y salida. Por lo tanto, las cuatro cantidades
descritas son positivas siempre.