Toberas y Difusores
Las toberas y los difusores se utilizan generalmente en motores de propulsión por reacción, cohetes, vehículos espaciales e incluso en mangueras de jardín. Una tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido a expensas de la presión. Un difusor es un dispositivo que incrementa la presión de un fluido al desacelerarlo.
Turbinas
En las centrales eléctricas de vapor, gas o en hidroeléctricas, el dispositivo que impulsa al generador eléctrico es la turbina. A medida que el fluido pasa por ésta, se hace trabajo contra los álabes, los cuales están unidos a la flecha, la cual a su vez gira y la turbina produce trabajo.
Ventiladores y Compresores
Un ventilador se usa sobre todo para movilizar un gas y sólo incrementa ligeramente la presión, mientras que un compresor es capaz de comprimir el gas a presiones muy altas.
Válvulas de Estrangulamiento
Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de diferentes tipos que restringen el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión. Algunos ejemplos comunes son válvulas ajustables ordinarias, tubos capilares y tapones porosos. A diferencia de las turbinas, producen una caída de presión sin implicar trabajo. La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de una gran disminución de temperatura, por esa razón los dispositivos de estrangulamiento son de uso común en aplicaciones de refrigeración y acondicionamiento.
La magnitud de la caída de temperatura (o, a veces, el aumento de temperatura) durante un proceso de estrangulamiento se rige por una propiedad llamada coeficiente de Joule-Thomson.
Cámaras de Mezclado
En las aplicaciones de ingeniería, mezclar dos corrientes de fluido no es raro. La sección donde el proceso de mezclado tiene lugar se conoce como cámara de mezclado, la cual no tiene que ser exactamente una “cámara”. Una tubería ordinaria en forma de “T” o en “Y” de una regadera, por ejemplo, sirve como cámara de mezclado para las corrientes de agua fría y caliente. El principio de conservación de la masa para una cámara de mezclado requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo másico de la mezcla saliente.
Intercambiadores de Calor
Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse. Los intercambiadores de calor se usan ampliamente en varias industrias y su diseño es variado. La forma más simple de un intercambiador de calor es un intercambiador de calor de tubo doble (conocido también como de tubo y coraza) que se compone de dos tubos concéntricos de diámetros distintos. Un fluido corre por el tubo interno mientras otro lo hace en el espacio anular entre ambos tubos. El calor se transfiere del fluido caliente al frío a través de la pared que los separa.
En operación estacionaria, el flujo másico de cada corriente de fluido que fluye por un intercambiador de calor permanece constante.
Segunda Ley de la Termodinámica y sus Implicaciones
Un proceso no puede ocurrir a menos que satisfaga tanto la primera ley de la termodinámica como la segunda.
La segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad.
Mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en trabajo, por lo tanto, tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor.
La segunda ley de la termodinámica se usa también para determinar los límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como máquinas térmicas y refrigeradores, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas. La segunda ley está también estrechamente asociada con el concepto de perfección.
Depósitos de Energía Térmica
Un cuerpo que posea una capacidad de energía térmica relativamente grande que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica, o sólo depósito.
En la práctica, los grandes cuerpos de agua, como océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico, se pueden modelar de manera precisa como depósitos de energía térmica debido a sus grandes capacidades de almacenaje de energía o masas térmicas. Otro ejemplo común de un depósito de energía térmica es el horno industrial.
Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero.
El manejo irresponsable de la energía de desecho puede incrementar de manera importante la temperatura del ambiente en algunas de sus porciones, lo cual causa la llamada contaminación térmica.
Máquinas Térmicas y Eficiencia
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.
Características de las Máquinas Térmicas
Las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas a todas de la siguiente manera:
- Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera).
- Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria).
- Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etc.).
- 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.
La salida neta de trabajo de una máquina térmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor.
Eficiencia Térmica
La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica.
Eficiencia térmica = Salida de trabajo neto / Entrada de calor total
Los dispositivos cíclicos de interés práctico como las máquinas térmicas, los refrigeradores y las bombas de calor operan entre un medio de alta temperatura (o depósito) a temperatura TH y otro de baja temperatura (o depósito) a temperatura TL.
QH: magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TH
QL: magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura TL
La eficiencia térmica de una máquina térmica siempre es menor a la unidad porque QL y QH se definen como cantidades positivas.
Un ciclo de máquina térmica no se puede completar sin rechazar cierta cantidad de calor a un sumidero de baja temperatura.
Toda máquina térmica debe desperdiciar cierta cantidad de energía transfiriéndola a un depósito de baja temperatura a fin de completar el ciclo, incluso en condiciones idealizadas.
Enunciado de Kelvin-Planck
Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo.
El enunciado de Kelvin-Planck se puede expresar también como: ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento, o bien: para que una central eléctrica opere, el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente, así como con el horno.