En termodinámica , un proceso isentrópico es un proceso termodinámico idealizado que es adiabático y reversible . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Las transferencias de trabajo del sistema no tienen fricción y no hay transferencia neta de calor o materia. Un proceso tan idealizado es útil en ingeniería como modelo y base de comparación para procesos reales. [7]Esto se idealiza ya que los procesos reversibles no ocurren en la realidad; pensar en un proceso como adiabático y reversible mostraría que las entropías inicial y final son las mismas, por lo tanto, la razón por la que se llama isentrópico (la entropía no cambia). Los procesos termodinámicos se nombran en función del efecto que tendrían en el sistema (por ejemplo, isovolumétrico: volumen constante, isentálpico: entalpía constante). Si bien en realidad no es necesariamente posible realizar un proceso isentrópico, algunos pueden aproximarse como tales.
La palabra "isentrópico" se puede interpretar de otra manera, ya que su significado es deducible de su etimología . Significa un proceso en el que la entropía del sistema permanece sin cambios, como se mencionó, esto requiere que el proceso sea adiabático y reversible. Sin embargo, esto también podría ocurrir en un sistema donde el trabajo realizado en el sistema incluye fricción interna del sistema, y el calor se extrae del sistema en la cantidad justa para compensar la fricción interna, de modo que la entropía no cambie. [8] Sin embargo, en relación con el universo, la entropía del universo aumentaría como resultado.
Fondo
La segunda ley de la termodinámica establece [9] [10] que
dónde es la cantidad de energía que gana el sistema al calentar, es la temperatura del entorno, yes el cambio de entropía. El signo igual se refiere a un proceso reversible , que es un límite teórico idealizado imaginado, que nunca ocurre realmente en la realidad física, con temperaturas esencialmente iguales de sistema y entorno. [11] [12] Para un proceso isentrópico, que por definición es reversible, no hay transferencia de energía como calor porque el proceso es adiabático , δQ = 0. En un proceso irreversible de transferencia de energía como trabajo, la entropía se produce dentro de el sistema; en consecuencia, para mantener una entropía constante dentro del sistema, la energía debe eliminarse del sistema en forma de calor durante el proceso.
Para procesos reversibles, se lleva a cabo una transformación isentrópica "aislando" térmicamente el sistema de su entorno. La temperatura es la variable termodinámica conjugada a la entropía, por lo que el proceso conjugado sería un proceso isotérmico , en el que el sistema está "conectado" térmicamente a un baño de calor de temperatura constante.
Procesos isentrópicos en sistemas termodinámicos
La entropía de una masa dada no cambia durante un proceso que es internamente reversible y adiabático. Un proceso durante el cual la entropía permanece constante se llama proceso isentrópico, escrito o . [13] Algunos ejemplos de dispositivos termodinámicos teóricamente isentrópicos son bombas , compresores de gas , turbinas , toberas y difusores .
Eficiencias isentrópicas de dispositivos de flujo constante en sistemas termodinámicos
La mayoría de los dispositivos de flujo constante operan en condiciones adiabáticas y el proceso ideal para estos dispositivos es el proceso isentrópico. El parámetro que describe la eficiencia con la que un dispositivo se aproxima a un dispositivo isentrópico correspondiente se llama eficiencia isentrópica o adiabática. [13]
Eficiencia isentrópica de turbinas:
Eficiencia isentrópica de compresores:
Eficiencia isentrópica de boquillas:
Para todas las ecuaciones anteriores:
- es la entalpía específica en el estado de entrada,
- es la entalpía específica en el estado de salida para el proceso real,
- es la entalpía específica en el estado de salida del proceso isentrópico.
Dispositivos isentrópicos en ciclos termodinámicos
Ciclo | Paso isentrópico | Descripción |
---|---|---|
Ciclo de Rankine ideal | 1 → 2 | Compresión isentrópica en una bomba |
Ciclo de Rankine ideal | 3 → 4 | Expansión isentrópica en una turbina |
Ciclo de Carnot ideal | 2 → 3 | Expansión isentrópica |
Ciclo de Carnot ideal | 4 → 1 | Compresión isentrópica |
Ciclo de Otto ideal | 1 → 2 | Compresión isentrópica |
Ciclo de Otto ideal | 3 → 4 | Expansión isentrópica |
Ciclo diésel ideal | 1 → 2 | Compresión isentrópica |
Ciclo diésel ideal | 3 → 4 | Expansión isentrópica |
Ciclo de Brayton ideal | 1 → 2 | Compresión isentrópica en un compresor |
Ciclo de Brayton ideal | 3 → 4 | Expansión isentrópica en una turbina |
Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor | 1 → 2 | Compresión isentrópica en un compresor |
Ciclo ideal de Lenoir | 2 → 3 | Expansión isentrópica |
Nota: Los supuestos isentrópicos solo son aplicables con ciclos ideales. Los ciclos reales tienen pérdidas inherentes debido a las ineficiencias del compresor y la turbina y la segunda ley de la termodinámica. Los sistemas reales no son verdaderamente isentrópicos, pero el comportamiento isentrópico es una aproximación adecuada para muchos propósitos de cálculo.
Flujo isentrópico
En dinámica de fluidos, un flujo isentrópico es un flujo de fluido que es adiabático y reversible. Es decir, no se agrega calor al flujo y no se producen transformaciones de energía debido a la fricción o los efectos disipativos . Para un flujo isentrópico de un gas perfecto, se pueden derivar varias relaciones para definir la presión, densidad y temperatura a lo largo de una línea de corriente.
Tenga en cuenta que la energía se puede intercambiar con el flujo en una transformación isentrópica, siempre que no ocurra como intercambio de calor. Un ejemplo de tal intercambio sería una expansión o compresión isentrópica que implica trabajo realizado en o por el flujo.
Para un flujo isentrópico, la densidad de entropía puede variar entre diferentes líneas de corriente. Si la densidad de entropía es la misma en todas partes, entonces se dice que el flujo es homentrópico .
Derivación de las relaciones isentrópicas
Para un sistema cerrado, el cambio total de energía de un sistema es la suma del trabajo realizado y el calor agregado:
El trabajo reversible realizado en un sistema al cambiar el volumen es
dónde es la presión , yes el volumen . El cambio de entalpía () es dado por
Luego, para un proceso que es reversible y adiabático (es decir, no se produce transferencia de calor), , y entonces Todos los procesos adiabáticos reversibles son isentrópicos. Esto conduce a dos observaciones importantes:
A continuación, se puede calcular mucho para los procesos isentrópicos de un gas ideal. Para cualquier transformación de un gas ideal, siempre es cierto que
- , y
Usando los resultados generales derivados arriba para y , luego
Entonces, para un gas ideal, la relación de capacidad calorífica se puede escribir como
Para un gas calóricamente perfecto es constante. Por lo tanto, al integrar la ecuación anterior, asumiendo un gas calóricamente perfecto, obtenemos
es decir,
Usando la ecuación de estado para un gas ideal,,
(Prueba: Pero nR = constante en sí mismo, entonces.)
también, para constante (por mol),
- y
Así, para procesos isentrópicos con un gas ideal,
- o
Tabla de relaciones isentrópicas para un gas ideal
Derivado de
dónde:
- = presión,
- = volumen,
- = proporción de calores específicos = ,
- = temperatura,
- = masa,
- = constante de gas para el gas específico = ,
- = constante de gas universal,
- = peso molecular del gas específico,
- = densidad,
- = calor específico a presión constante,
- = calor específico a volumen constante.
Ver también
- Leyes de los gases
- Proceso adiabático
- Proceso isentálpico
- Análisis isentrópico
- Proceso politrópico
Notas
- ^ Partington, JR (1949), Tratado avanzado sobre química física. , volumen 1, Principios fundamentales. The Properties of Gases, Londres: Longmans, Green and Co. , pág. 122
|volume=
tiene texto extra ( ayuda ). - ^ Kestin, J. (1966). Un curso de termodinámica , Blaisdell Publishing Company, Waltham MA, p. 196.
- ^ Münster, A. (1970). Termodinámica clásica , traducido por ES Halberstadt, Wiley – Interscience, Londres, ISBN 0-471-62430-6 , pág. 13.
- ^ Haase, R. (1971). Estudio de las leyes fundamentales, capítulo 1 de Termodinámica , páginas 1–97 del volumen 1, ed. W. Jost, de Química Física. Un tratado avanzado , ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, Nueva York, lcn 73–117081, pág. 71.
- ^ Borgnakke, C., Sonntag., RE (2009). Fundamentos de termodinámica , séptima edición, Wiley, ISBN 978-0-470-04192-5 , pág. 310.
- ^ Massey, BS (1970), Mecánica de fluidos , Sección 12.2 (2ª edición) Van Nostrand Reinhold Company, Londres. Número de tarjeta de catálogo de la Biblioteca del Congreso: 67-25005, p. 19.
- ^ Çengel, YA, Boles, MA (2015). Termodinámica: un enfoque de ingeniería , octava edición, McGraw-Hill, Nueva York, ISBN 978-0-07-339817-4 , pág. 340.
- ^ Çengel, YA, Boles, MA (2015). Termodinámica: un enfoque de ingeniería , octava edición, McGraw-Hill, Nueva York, ISBN 978-0-07-339817-4 , págs. 340–341.
- ^ Mortimer, RG Physical Chemistry , 3ª ed., P. 120, Prensa académica, 2008.
- ↑ Fermi, E. Thermodynamics , nota al pie de la p. 48, Publicaciones de Dover, 1956 (todavía en impresión).
- ^ Guggenheim, EA (1985). Termodinámica. Un tratamiento avanzado para químicos y físicos , séptima edición, Holanda Septentrional, Ámsterdam, ISBN 0444869514 , pág. 12: "Como caso límite entre procesos naturales y no naturales [,] tenemos procesos reversibles, que consisten en el paso en cualquier dirección a través de una serie continua de estados de equilibrio. Los procesos reversibles en realidad no ocurren ..."
- ^ Kestin, J. (1966). Un curso de termodinámica , Blaisdell Publishing Company, Waltham MA, p. 127: "Sin embargo, mediante un esfuerzo de imaginación, se aceptó que un proceso, compresión o expansión, según se desee, podría realizarse 'infinitamente lentamente' [,] o como se dice a veces, cuasiestáticamente ". P. 130: "Está claro que todos los procesos naturales son irreversibles y que los procesos reversibles constituyen sólo idealizaciones convenientes".
- ^ a b Cengel, Yunus A. y Michaeul A. Boles. Termodinámica: un enfoque de ingeniería. 7ª edición ed. Nueva York: Mcgraw-Hill, 2012. Imprimir.
Referencias
- Van Wylen, G. J. y Sonntag, R. E. (1965), Fundamentos de la termodinámica clásica , John Wiley & Sons, Inc., Nueva York. Número de tarjeta de catálogo de la Biblioteca del Congreso: 65-19470