La generación de potencia es un área importante de aplicación de la termodinámica. Los
dispositivos y sistemas usados para producir una salida neta de trabajo son llamados motores y los ciclos termodinámicos en
que operan se denominan ciclos de potencia.
En los ciclos de gas, el fluido de trabajo
permanece en fase gaseosa a través de todo el ciclo, mientras que en los ciclos de vapor el fluido de trabajo está en fase
de vapor en una parte del ciclo y en fase líquida durante otra parte.
Los sistemas de potencia de gas incluyen:
ü Motores de combustión interna
ü Turbinas de Gas
Estudio de los ciclos de potencia de gas
Los ciclos reales de potencia de gas son bastante complicados. Para un análisis más
simple, hacemos varias aproximaciones, que se conocen comúnmente como las hipótesis de aire-estándar:
ü El fluido de
trabajo es aire, que circula continuamente en un ciclo cerrado y se comporta siempre como gas ideal.
ü Todos los procesos
que componen el ciclo son internamente reversibles.
ü El proceso de
combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa.
ü El proceso de
escape es sustituido por un proceso del rechazo del calor que restaura el fluido
de trabajo a su estado inicial.
Otra suposición hecha con frecuencia es que el aire tiene calores específicos constantes
(los valores usados son a la temperatura ambiente). Esta suposición se conoce como hipótesis de aire frío estándar.
Motor Térmico
Sabemos por experiencia que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa
y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas
térmicas.
Los motores térmicos difieren bastante entre si, pero es posible caracterizarlas mediante el siguiente esquema:
Un motor térmico es un dispositivo físico
o teórico que convierte la energía térmica de entrada en energía mecánica a la salida. La salida mecánica se llama trabajo,
y la entrada de energía térmica se llama calor. Los motores térmicos normalmente se ejecutan en un ciclo termodinámico específico.
Los motores térmicos pueden ser abiertos al aire atmosférico o sellados y cerrados al exterior (ciclo abierto o cerrado).
En ingeniería y termodinámica, un motor térmico realiza la conversión de energía térmica
a trabajo mecánico aprovechando el gradiente de temperatura entre una "fuente" caliente y un
"receptor" frio. Se transfiere calor de la fuente, a través del "cuerpo de trabajo" del motor, al receptor, y en este
proceso algo del calor se convierte en trabajo aprovechando las propiedades de una sustancia de trabajo (generalmente un gas
o líquido).
Eficiencia de la segunda ley
Para medir el funcionamiento de cualquier proceso, dispositivo o sistema se utiliza el concepto de
eficiencia. El parámetro más ampliamente usado en la termodinámica este sentido, generalmente está basado en el concepto de
energía, con el cual no se hace una distinción entre la energía de baja calidad y la de alta calidad. Un ejemplo sencillo
lo constituye la eficiencia térmica de una máquina de calor, la cual se define como el cociente que resulta de dividir el
trabajo desarrollado entre el calor añadido al sistema durante el ciclo. En esta definición se da el mismo peso al calor y
al trabajo. Si bien este tipo de eficiencia es útil para determinados propósitos, no permiten obtener una medida precisa del
comportamiento termodinámico. Puesto que es la disponibilidad (exergía) y no la energía la que se consume durante los procesos
termodinámicos, resulta más lógico disponer de una eficiencia que esté basada
en el concepto de disponibilidad. Introducimos ahora el concepto de eficiencia
de la segunda ley que se basa en la definición de disponibilidad y en la destrucción de la disponibilidad.
A partir de la definición general de eficiencia, la cual puede expresar como:
Para una máquina térmica el concepto de “beneficio”
es el trabajo desarrollado W, y el concepto de “costo” corresponde al calor añadido durante el ciclo. Qañadido.
La energía disponible (disponibilidad) en el Qañadido es
En consecuencia la eficiencia según la segunda ley, puede escribirse como:
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Power
generation is an important area of application of thermodynamics. The devices and systems used to produce a net power output
are called engines and the thermodynamic cycles they operate on are called power cycles.
In
gas cycles, the working fluid remains in the gaseous phase throughout the entire cycle, while in vapor cycles the working
fluid exists in the vapor phase during one part of the cycle and in the liquid phase during another part.
Gas
power systems include:
ü Internal combustion engines
ü Gas turbines
Analysis of gas power cycles
Actual
gas power cycles are pretty complicated. For simpler analysis, we make several approximations, which are commonly known as
the air-standard assumptions:
Ø The working fluid is air, which continuously
circulates in a closed loop and always behaves as an ideal gas.
Ø All the processes that make up the
cycle are internally reversible.
Ø The combustion process is replaced
by a heat-addition process from an external source.
Ø The exhaust process is replaced by
a heat rejection process that restores the working fluid to its initial state.
Another
assumption frequently made is that air has constant specific heats (values used are those at the room temperature). This assumption
is known as cold-air-standard assumption.
A heat engine
We know
from experience that the work can to be converted directly and completely in to heat, but to convert heat into work requires
using special devices. These devices are called heat engines.
Heat engines differ somewhat, but
it is possible to characterize them using the following scheme:
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| From Wikipedia, the free encyclopedia |
A heat engine is a physical
or theoretical device that converts thermal
energy
to mechanical output. The mechanical output is called work,
and the thermal energy input is called heat.
Heat engines typically run on a specific thermodynamic
cycle.
Heat engines can be open to the atmospheric air or sealed and closed off to the outside (open or closed cycle).
In engineering
and thermodynamics,
a heat engine performs the conversion of heat energy
to mechanical
work
by exploiting the temperature
gradient between a hot "source" and a cold "sink".
Heat is transferred
from the source, through the "working
body"
of the engine, to the sink, and in this process some of the heat is converted into work
by exploiting the properties of a working substance (usually a gas or liquid).
The second law efficiency
The concept of efficiency is used to measure the operation
of any process, system or device. The parameter most widely used in thermodynamics is generally based on the concept of energy,
which is not a distinction between high-quality energy and low quality energy. A simple example is the thermal efficiency
of a heat engine, which is defined as the ratio resulting from dividing the work between the heat that added to the system
during the cycle. This definition gives equal weight both heat and work. While this kind of efficiency is useful for certain
purposes, do not allow an accurate measure of thermodynamic behavior. Since is availability and not the energy consumed during
thermodynamic processes, it is more logical to have an efficiency based on the concept of availability. We now introduce the
concept of efficiency of the second law based on the definition of availability and the availability destruction.
From the general definition of efficiency, that can be
expressed as:
For a heat engine the concept
of "benefit" is the work done W, and the concept of "cost" corresponds to the heat added during the cycle. Qadd. Available energy (availability) in Qadd is
Consequently the
efficiency according to the second law can be written as:
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