Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 6
Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura sube de T L
a T H ). El estado 4 es tal que cuando se elimina el depósito de baja temperatura,
se coloca el aislamiento de nuevo en la cabeza del cilindro y se
comprime el gas de manera reversible, entonces el gas vuelve a su estado
inicial (estado 1). La temperatura sube de T L a T H durante este proceso de
compresión adiabático reversible, que completa el ciclo.
El diagrama P-V de este ciclo se muestra en la figura 6-38. Recuerde que
en un diagrama de este tipo el área bajo la curva del proceso representa el
trabajo de frontera para procesos en cuasiequilibrio (internamente reversible);
se observa entonces que para este caso el área bajo la curva 1-2-3 es el trabajo
que realiza el gas durante la parte de expansión del ciclo, y el área bajo la
curva 3-4-1 es el trabajo realizado sobre el gas durante la parte de compresión
del ciclo. El área que encierra la trayectoria del ciclo (área 1-2-3-4-1) es la
diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo.
Observe que si se actuara de manera poco generosa y, en un esfuerzo por
ahorrar Q L , comprimiese el gas de forma adiabática en el estado 3 en lugar de
hacerlo de modo isotérmico, se terminaría de nuevo en el estado 2, de manera
que se volvería a trazar la trayectoria de proceso 3-2. De este modo se ahorraría
Q L pero no se podría obtener ninguna salida de trabajo neto de esta
máquina. Esto ilustra una vez más la necesidad de que una máquina térmica
intercambie calor con al menos dos depósitos a diferentes temperaturas para
operar en un ciclo y producir una cantidad neta de trabajo.
El ciclo de Carnot también se puede aplicar en un sistema de flujo estacionario.
En capítulos posteriores se analiza esta posibilidad junto con otros
ciclos de potencia.
Por ser un ciclo reversible, el de Carnot es el más eficiente que opera entre
dos límites de temperatura especificados. Aun cuando el ciclo de Carnot no
se puede lograr en la realidad, la eficiencia de los ciclos reales se mejora al
intentar aproximarse lo más posible al de Carnot.
Ciclo de Carnot inverso
El ciclo de la máquina térmica de Carnot recién descrito es totalmente reversible,
por lo tanto todos los procesos que abarca se pueden invertir, en cuyo
caso se convierte en el ciclo de refrigeración de Carnot. Esta vez, el ciclo
es exactamente el mismo excepto que las direcciones de las interacciones
de calor y trabajo están invertidas: el calor en la cantidad Q L se absorbe de
un depósito a baja temperatura, el calor en la cantidad Q H se rechaza hacia un
depósito a alta temperatura, y se requiere una cantidad de trabajo W neto,entrada
para completar todo esto.
El diagrama P-V del ciclo de Carnot invertido es el mismo que corresponde
al ciclo de Carnot, excepto que se invierten las direcciones de los procesos,
como se muestra en la figura 6-39.
P
1
Q H
2
W neto,salida
4
Q L
T H = constante
T L = constante
FIGURA 6-38
Diagrama P-V de un ciclo de Carnot.
P
1
Q H
4
W neto,entrada
2
3
T H = constante
Q L
V
T L = constante
FIGURA 6-39
Diagrama P-V de un ciclo inverso de
Carnot.
3
V
6-8 ■ PRINCIPIOS DE CARNOT
La segunda ley de la termodinámica restringe la operación de dispositivos
cíclicos según se expresa mediante los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius.
Una máquina térmica no puede operar intercambiando calor con un solo
depósito, y un refrigerador no puede funcionar sin una entrada neta de energía
de una fuente externa.
Se pueden obtener valiosas conclusiones a partir de estos enunciados; dos
de éstas son sobre la eficiencia térmica de máquinas reversibles e irreversibles