La termodinámica es una rama de la física que se ocupa de la energía y el trabajo de un sistema.La termodinámica se ocupa de la respuesta a gran escala de un sistema que podemos observar y medir en experimentos.Como aerodinamistas, nos interesa sobre todo la termodinámica de los sistemas de propulsión y los flujos de alta velocidad.Para entender cómo funciona un sistema de propulsión, debemos estudiar la termodinámica básica de los gases.
Los gases tienen varias propiedades que podemos observar con nuestros sentidos, incluyendo la presión del gas p, la temperatura T, la masa y el volumen V que contiene el gas.La observación cuidadosa y científica ha determinado que estas variables están relacionadas entre sí, y los valores de estas propiedades determinan el estado del gas.Un proceso termodinámico, como el calentamiento o la compresión del gas, cambia los valores de las variables de estado de una manera que se describe por las leyes de la termodinámica. El trabajo realizado por un gas y el calor transferido a un gas dependen de los estados inicial y final del gas y del proceso utilizado para cambiar el estado.
Es posible realizar una serie de procesos, en los que el estado cambia durante cada proceso, pero el gas finalmente vuelve a su estado original. Esta serie de procesos se denomina ciclo y constituye la base para entender los motores. El ciclo de Carnot es uno de los ciclos termodinámicos fundamentales y se describe en esta página web. Utilizaremos un diagrama V para representar los distintos procesos del ciclo de Carnot. El ciclo comienza con un gas, de color amarillo en la figura, que está confinado en un cilindro, de color azul. El volumen del cilindro se modifica mediante un pistón rojo en movimiento, y la presión se modifica colocando pesos en el pistón. Tenemos dos fuentes de calor; la roja está a 300 grados nominales, y la púrpura a 200 grados. Inicialmente, el gas se encuentra en el estado 1 a alta temperatura, alta presión y bajo volumen.
- El primer proceso realizado en el gas es una expansión isotérmica. La fuente de calor de 300 grados se pone en contacto con el cilindro y se elimina el peso, lo que disminuye la presión del gas. La temperatura permanece constante, pero el volumen aumenta. Durante el proceso del Estado 1 al Estado 2 se transfiere calor de la fuente al gas para mantener la temperatura. Observaremos la transferencia de calor por Q1 al gas.
- El segundo proceso realizado en el gas es una expansión adiabática. Durante un proceso adiabático no se transfiere calor al gas. Se elimina peso, lo que disminuye la presión en el gas. La temperatura disminuye y el volumen aumenta a medida que el gas se expande para llenar el volumen. Durante el proceso del Estado 2 al Estado 3 no se transfiere calor.
- El tercer proceso realizado en el gas es una compresión isotérmica. La fuente de calor de 200 grados se pone en contacto con el cilindro y se añade peso, lo que eleva la presión del gas. La temperatura permanece constante, pero el volumen disminuye. Durante el proceso del Estado 3 al Estado 4 se transfiere calor del gas a la fuente de calor para mantener la temperatura. Observaremos la transferencia de calor por Q2 fuera del gas.
- El cuarto proceso realizado en el gas es una compresión adiabática. Se añade peso, lo que eleva la presión en el gas. La temperatura aumenta y el volumen disminuye a medida que el gas se comprime. Durante el proceso del Estado 4 al Estado 1 no se transfiere calor.
Al final del cuarto proceso, el estado del gas ha vuelto a su estado original y el ciclo puede repetirse tantas veces como se desee. Durante el ciclo, el gas ha producido trabajo W, y la cantidad de trabajo es igual al área encerrada por las curvas del proceso.Desde la primera ley de la termodinámica, la cantidad de trabajo producido es igual al calor neto transferido durante el proceso:
W = Q1 – Q2
El Ciclo de Carnot ha funcionado como un motor, convirtiendo el calor transferido al gas durante los procesos en trabajo útil. Un cicloBrayton similar explica el funcionamiento de un motor de turbina de gas, y un cicloOtto explica el funcionamiento de un motor de combustión interna.
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