3.2 Small cell backhaul
3.2.3 Deployment possibilities
Una máquina térmica es un dispositivo cíclico cuyo propósito es convertir la máxima cantidad posible de calor en trabajo.
Clasificación
Según el sentido de transferencia de energía (motoras o generadoras). Según el Principio de funcionamiento.
4.4 Máquinas Térmicas
4.4 Máquinas Térmicas
Aplicando la primera Ley:
W= Qh− Qc
donde:
WTrabajo realizado
QhCalor absorbido.
QcCalor cedido (al regresar a su estado inicial).
La palabra cíclicamente es importante, pues en un proceso no cíclico si que es posible convertir el calor totalmente en trabajo (por ejemplo la expansión isoterma).
4.4 Máquinas Térmicas
Rendimiento de una máquina térmica
ε = W Qh = Qh− Qc Qh = 1 − Qc Qh
Segundo principio, enunciado de la máquina térmica
Es imposible que una máquina térmica funcione cíclicamente sin producir ningún otro efecto que extraer calor de un solo foco realizando una cantidad de trabajo exactamente equivalente
Ejercicio 1
Ejercicio: Máquina Térmica
1.- [Rendimiento de una máquina térmica] En cada ciclo una máquina térmica absorbe 200[J] de calor de un foco caliente, realiza trabajo y cede 160[J] a un foco frío.
Segunda Ley:
4.5 Refrigeradores y Bombas de Calor
El refrigerador es esencialmente una máquina térmica que funciona en sentido inverso
Segundo principio en términos del refrigerador
Es imposible que un refrigerador funcione cíclicamente sin producir ningún otro efecto que la transferencia de calor de un objeto frío a otro caliente.
El coeficiente de energía es:
η = Qc
W
Wes el trabajo realizado sobre el refrigerador, equivalente al que
procede de la toma de corriente.
4.5 Refrigeradores y Bombas de Calor
Una bomba de calor es un refrigerador con un objetivo diferente; su objetivo es suministrar calor.
Eficiencia de la bomba de calor
Se define de manera muy similar:
ηBC = Qh
W
Qhcalor cedido al foco caliente.
4.5 Refrigeradores y Bombas de Calor
Tanto los refrigeradores como las bombas de calor tienen coeficientes menores a los mencionados, debidos a fenómenos de rozamiento, entre otros procesos reversibles.
Ejercicio 2: Refrigeradores
2.- [Refrigeradores, segunda ley] Fabricación de hielo, considere 1 litro de
agua a 10 [·C] en la bandeja del congelador, las especificaciones de la
máquina indican un coeficiente de eficiencia de 5.5 y una potencia de 550[W]. Se estima que sólo el 10 % de la potencia se usa. Calcule el tiempo para fabricar el hielo. (R: 20.7 minutos)
4.6 La Escala Termodinámica de Temperatura
Segunda Ley:
Escala termodinámica o absoluta de Temperatura
A la escala de temperatura que satisface el postulado de la segunda ley, se la llamará escala termodinámica de temperatura:
Tc Th = Qc Qh o también TA TB = Q˙Asumada ˙ QBcedida
donde Th, TB y Qh, QBcedidaes la temperatura y energía extraida del foco
caliente
y Tc, TAy Qc, QAcedidaes la temperatura y energía cedida al foco frio del foco caliente
4.6 La Escala Termodinámica de Temperatura
conclusiones de la definición
En el caso de un punto fijo, la temperatura termodinámica queda
completamente determinada por Tc
Th = Qc
Qh.
El cociente entre dos temperaturas en la escala termodinámica debe ser el mismo que el de los flujos de calor.
Se debe partir de un proceso internamente reversible dS
dt = Q˙A TA
−Q˙B TB
+ ˙σ
bajo condiciones en régimen estacionario dE
4.7 La Máquina Térmica de Carnot
Segunda Ley:
Antecedente: Teorema de Carnot
Ninguna máquina térmica que funcione entre dos focos dados puede tener un rendimiento mayor que una máquina reversible que opere entre dos focos
4.7 La Máquina Térmica de Carnot
Segunda Ley:
4.8 La Desigualdad de Clausius
Cuando un sistema cerrado cualquiera realiza un proceso cíclico, la suma de
todos los términos ∂Q
T en la frontera del sistema para cada evolución
Desigualdad de Clausius
Para un sistema cerrado:
I ∂Q
T
4.8 La Desigualdad de Clausius
Segunda Ley:
4.9 El Refrigerador y la Bomba de Calor de Carnot
Figura:tanto la bomba como el refrigerador de Carnot, trabajan bajo el esquema de una máquina de Carnot visto en la sección 4.7
[Refrigerador de Carnot] Una máquina frigorífica de las que se emplean para fabricar hielo funciona según un ciclo de Carnot reversible absorbiendo calor
de un tanque de agua a 0 [·C] y cediéndolo al aire en el interior de un local
que se mantiene a 26.0[·C]. La máquina fabrica 223[kg] de hielo en un día.
4.9 El Refrigerador y la Bomba de Calor de Carnot
El coeficiente de operación (cop) para un refrigerador según el ciclo de
carnot es: cop = Tf
Tc− Tf Para este caso cop = 10,5
Para extraer una cantidad de calor Qf se debe realizar cierto trabajo, esto
es: W = Qf
cop.
El calor extraido es el de fusión del huelo:
Qf = mLf =(223[kg])(333.55[kJ/kg])=7.1[MJ].
El trabajo necesario queda W =7.1[MJ]
La cantidad de calor emitida al ambiente es la que extrae, más el trabajo
Una bomba de calor se emplea para mantener caliente una vivienda que se
encuentra a 20.0[·C] siendo la temperatura exterior -5[·C]. Suponiendo que la
bomba de calor es una máquina de Carnot invertida, calcule cuantos julios de energía procedentes del medio ambiente exterior serán transferidos al interior de la vivienda por cada julio de energía eléctrica consumida.
4.9 El Refrigerador y la Bomba de Calor de Carnot
Para la bomba de Carnot, el coeficiente de operación cop es el cociente entre el calor suministrado al foco caliente y el trabajo realizado sobre la
máquina en cada ciclo: cop = Qc
W.
Aplicando el primer principio: W = Qc− Qf
Tenemos cop = Qc Qc− Qf = 1 1 −Qf Qc = 1 1 −Tf Tc
Sustituyendo en escalas absolutas: cop = 293,15
293,15 − 268,15 =11.17
Nota: las bombas de calor reales no proporcionan el coeficiente de operación de una bomba de Carnot, sus valores están entre 2 y 5, aún así son más