EVAP-3 IIME-3

Ciclo de Carnot - Termodinámica

Introducción:

El teorema de Carnot establece que el rendimiento de una máquina térmica es siempre menor o igual que el de una máquina térmica reversible que opere entre las mismas temperaturas.
Como corolario, el rendimiento de todas las máquinas térmicas reversibles que operen entre las mismas temperaturas es el mismo, independientemente del sistema físico que corresponda a la máquina. Puede ser un gas ideal sometido a compresiones o expansiones, puede ser un material paramagnético sometido a campos magnéticos variables, puede ser un sistema bifásico formado por agua y vapor de agua el resultado es siempre el mismo.

Objetivos:

* Análisis teórico practico del ciclo de carnot
* Objetivos Específicos
* Determinar los flujos de calor en el evaporador y condensador
* Determinar la eficiencia y capacidad del refrigerador

Marco Teórico:

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido por:

y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.

Procesos:

Para conseguir la máxima eficiencia la máquina térmica que estamos diseñando debe tomar calor de un foco caliente, cuya temperatura es como máximo Tc y verter el calor de desecho en el foco frío, situado como mínimo a una temperatura Tf.

Para que el ciclo sea óptimo, todo el calor absorbido debería tomarse a la temperatura máxima, y todo el calor de desecho, cederse a la temperatura mínima. Por ello, el ciclo que estamos buscando debe incluir dos procesos isotermos, uno de absorción de calor a Tc y uno de cesión a Tf.

Para conectar esas dos isotermas (esto es, para calentar el sistema antes de la absorción y enfriarlo antes de la cesión), debemos incluir procesos que no supongan un intercambio de calor con el exterior (ya que todo el intercambio se produce en los procesos isotermos). La forma más sencilla de conseguir esto es mediante dos procesos adiabáticos reversibles (no es la única forma, el motor de Stirling utiliza otro método, la recirculación). Por tanto, nuestra máquina térmica debe constar de cuatro pasos:

1.- C→D Absorción de calor Qc en un proceso isotermo a temperatura Tc.
2.- D→A Enfriamiento adiabático hasta la temperatura del foco frío, Tf.
3.- A→B Cesión de calor | Qf | al foco frío a temperatura Tf.
4.- B→C Calentamiento adiabático desde la temperatura del foco frío, Tf a la temperatura del foco caliente, Tc.

Gases ideales

Como ejemplo de Ciclo de Carnot consideraremos el caso de una máquina térmica compuesta por un gas ideal situado en el interior de un cilindro con un pistón. Para que el ciclo sea reversible debemos suponer que no existe fricción en el sistema y todos los procesos son cuasiestáticos.

Para un sistema de este tipo los cuatro pasos son los siguientes:

Expansión isoterma C→D

El gas se pone en contacto con el foco caliente a Tc y se expande lentamente. Se extrae trabajo del sistema, lo que provocaría un enfriamiento a una temperatura ligeramente inferior a Tc, que es compensado por la entrada de calor Qc desde el baño térmico. Puesto que la diferencia de temperaturas entre el baño y el gas es siempre diferencial, este proceso es reversible. De esta manera la temperatura permanece constante. En el diagrama pV, los puntos de este paso están sobre una hipérbola dada por la ley de los gases ideales

Expansión adiabática D→A

El gas se aísla térmicamente del exterior y se continúa expandiendo. Se está realizando un trabajo adicional, que ya no es compensado por la entrada de calor del exterior. El resultado es un enfriamiento según una curva dada por la ley de Poisson

Compresión isoterma A→B

Una vez que ha alcanzado la temperatura del foco frío, el gas vuelve a ponerse en contacto con el exterior (que ahora es un baño a temperatura T_f ). Al comprimirlo el gas tiende a calentarse ligeramente por encima de la temperatura ambiente, pero la permeabilidad de las paredes permite evacuar calor al exterior, de forma que la temperatura permanece constante. Esta paso es de nuevo una hipérbola según la lay de los gases ideales.

Compresión adiabática B→C

El gas se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo. La temperatura sube como consecuencia del trabajo realizado sobre el gas, que se emplea en aumentar su energía interna. Los puntos de este camino están unidos por una curva dada por la ley de Poisson

Ecuaciones:

Para un gas ideal

Puesto que son idénticos todos los rendimientos de máquinas que operen según el ciclo de Carnot, podemos emplear la que nos resulte más simple para calcular este rendimiento.
La elección natural es emplear el ciclo de un gas ideal descrito anteriormente.
El rendimiento de una máquina térmica es:

Donde:

- n: rendimiento

- Qout: calor que sale

- Qin: calor que ingresa

Procedimiento y Resultado:

1.- Escribimos la estrucutra en el programa C++ :

2.- Luego escribimos las bases:

Compilamos :

3.- Escribimos el proceso matemático para obtener el resultado:

RESULTADOS:

DRIVER:

https://drive.google.com/file/d/0Bxf8QNf72gBKMWlKQUNtdmRseHc/view?usp=sharing