Avances en la investigación para la producción eficiente de energía térmica

Physical Review Letter publica el estudio ejecutado por el Grupo de Investigación de Optimización Energética, Termodinámica y Física Estadística de la Universidad de Salamanca, adscrito al Departamento de Física Aplicada y al Instituto de Física Fundamental y Matemáticas. 

Científicos de la Universidad de Salamanca avanzan en la investigación para la producción eficiente de energía térmica | Sala de Prensa
Gonzalez-Ayala J, Guo J, Medina A, Roco JMM, Hernández AC. Energetic Self-Optimization Induced by Stability in Low-Dissipation Heat Engines. Physical Review Letters. 2020;124(5):050603. PDF

Investigadores del Grupo de Investigación de Optimización Energética, Termodinámica y Física Estadística, de la Universidad de Salamanca, han llevado a cabo una investigación sobre la estabilidad de la producción eficiente de energía térmica que constituye un importante paso en el objetivo de conseguir suministros continuos, estables y eficientes de cualquier tipo fuente de energía de origen calórico.

Concretamente, en el estudio, de carácter teórico y publicado recientemente por la prestigiosa revista Physical Review Letters, se consideran diferentes regímenes de producción de energía como, por ejemplo, aquellos que proporcionan una mejor conversión de energía, alta eficiencia o mejor producción de energía en condiciones respetuosas con el medio ambiente, y se analiza, además, la estabilidad que presentan frente a eventuales perturbaciones que pudiera sufrir el sistema.

Las conclusiones del trabajo muestran que, una vez perturbado, el sistema puede ser capaz de recuperar por sí mismo un régimen de funcionamiento óptimo. Asimismo, cabe destacar que el resultado del estudio de los científicos de la USAL puede ser aplicado a una gran variedad de sistemas de producción de energía, desde plantas de producción de energía renovable o convencional de diferentes escalas (tamaño) o sistemas microscópicos como los nanomotores biológicos o nanorobots artificiales.


Fuente: Sala de Prensa USAL

La máquina de Carnot.

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Así, el principio establece la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor.

La Máquina de Carnot - Ingeniería Química
La Máquina de Carnot 

La máquina de Carnot, como precursora de la Segunda Ley de Termodinámica es una obra maestra de la ingeniería química. Genialidad desarrollada por el francés Sadi Carnot en su artículo de 1824 “El poder motriz del fuego”. [CONSULTAR AQUI]

Carnot concibió la máquina de vapor como una bomba de calórico, y logró -entre otras cosas de primerísima importancia, como enunciar la primera formulación del llamado Segundo Principio de la Termodinámica- cuantificar la manera en que calor y trabajo mecánico se transforman entre sí, así como la máxima fracción de calor que una máquina puede teóricamente transformar en trabajo mecánico.
El punto de partida de Carnot fue el principio de que es imposible extraer energía mecánica o térmica de la nada, o sea el principio de la imposibilidad de construir una máquina en movimiento perpetuo; y en efecto, podemos tomar este principio como un enunciado alterno al principio de conservación de la energía. Desafortunadamente, Carnott murió muy poco después de publicada su obra, la que permaneció prácticamente desconocida hasta que Clapeyron (1799-1864) la rescatara y desarrollara diez años más tarde y Clausius (1822-1888) redescubriera de manera independiente un cuarto de siglo más tarde la segunda ley de la termodinámica.

Carnot, combinó la expansión y la comprensión térmica de los gases creando un motor con 4 tramos; 2 isotérmicos como fuente de calor y 2 adiabáticos para absorber calor, que componen centros de temperatura opuestos, generándose traspaso de energía del foco calórico al gas y del gas al foco frigorífico.

Con la Maquina de ciclo de Carnot se establece que el rendimiento de un ciclo cualquiera es inferior al ciclo de Carnot. Esto es debido a que el traslado de energía depende de condiciones de control artificial para no tener pérdidas por disipación.

Tramos y procesos del ciclo de Carnot

Entre las herramientas conceptuales de la ingeniería química, el ciclo de Carnot representa el origen de la creación de los principios pertenecientes a la segunda ley de termodinámica. El ciclo de Carnot se compone de varios tramos y procesos que te detallamos a continuación:

  • Expansión Isotérmica: del gas donde la cantidad de calor pasa del gas al foco frigorífico.
  • Expansión adiabática: donde la temperatura del gas disminuye.
  • Compresión isotérmica: donde la máquina genera una perdida de calor al ejercer fuerza en el gas.
  • Compresión adiabática: donde el sistema está térmicamente aislado y continúa afectando al gas, provocando que la temperatura vuelva a subir.

Máquinas térmicas (GIE)

La maquina de Ciclo de Carnot es la ingeniería mecánica que se desarrolla en dos vectores que estandarizan la cantidad de energía que se genera traspasando el calor y transformando esta dinámica en movimiento.

Aplicaciones de la máquina de Carnot

La máquina de ciclo de Carnot es la más eficiente posible, considerando la ausencia de desperdicio de energía en procesos como la fricción y asumiendo la no absorción de energía en los distintos tramos del ciclo.

En la búsqueda de responder si la fuerza motriz del calor tiene límites y si una máquina diseñada para trabajar a determinada temperatura puede tener perdidas de temperatura que contribuyan al trabajo del motor, Carnot desarrolló su investigación utilizando el vapor como desplazamiento generalizado y el calor como fuerza generalizada.

El ciclo de Carnot tiene la aplicabilidad correspondiente a procesos termodinámicos y electromecánicos fundamentales en motores o generadores de energía con bajo o nulo consumo de energías fósiles.

De la definición ofrecida anteriormente, se pueden deducir varias aplicaciones nada complejas, y que pertenecen a la vida diaria; varias de las cosas que consideramos mínimas e indispensables, son resultado de la aplicación práctica del ciclo de Carnot. Las más reconocidas son las máquinas térmicas, una pequeña parte de ellas, pues la mayoría por practicidad usa resistencias o quema de combustibles. Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina.


MAS INFORMACIÓN SOBRE EL CICLO DE CARNOT

El nacimiento de la energía.

the birth of energy daggett - Buscar con Google

Cara New Daggett. The Birth of Energy : Fossil Fuels, Thermodynamics, and the Politics of Work. [2019]. Duke University Press.
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En este libro Cara New Daggett traza la historia de la genealogía de las nociones contemporáneas de energía desde la ciencia de la termodinámica del siglo XIX para desafiar la lógica subyacente que influye en los usos de la energía en la actualidad.

Estos primeros conceptos de poder basados en los recursos surgieron por primera vez durante la Revolución Industrial y estaban estrechamente ligados a la dominación capitalista occidental y a la política del trabajo industrializado. Como muestra Daggett, la termodinámica fue desplegada como una ciencia imperial para gobernar el uso de combustibles fósiles, la mano de obra y la expansión colonial, en parte a través de un orden jerárquico de humanos y no humanos.

Al investigar sistemáticamente la conexión histórica entre la energía y el trabajo, Daggett argumenta que sólo transformando la política del trabajo -sobre todo, la veneración del trabajo asalariado- podremos enfrentar el problema energético del Antropoceno. La sustitución de una fuente de energía por otra no garantizará un planeta habitable; más bien, los conceptos de energía y trabajo en sí deben disociarse.

Termodinámica y Mecánica Estadística de Sistemas Pequeños

Entropy | Conferences

Thermodynamics and Statistical Mechanics of Small Systems. Andrea Puglisi (ed.). [2018]. MDPI. Multidisciplinary Digital Publishing Institute
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Una frontera desafiante en la física estadística moderna concierne a los sistemas con un pequeño número de grados de libertad, lejos del límite termodinámico. Más allá del interés general en la fundación de la mecánica estadística, la relevancia de este tema se debe al reciente aumento de la resolución en la observación y manipulación de objetos biológicos y artificiales a micro y nanoescala.

Una característica peculiar de los sistemas pequeños es el papel que juegan las fluctuaciones, que no pueden ser descuidadas y son responsables de muchos comportamientos no triviales. El estudio de las fluctuaciones de las magnitudes termodinámicas, como la energía o la entropía, se remonta a Einstein, Onsager y Kubo; más recientemente, el interés por este tema ha crecido con el establecimiento de nuevas relaciones de fluctuación-disipación, y de la llamada termodinámica estocástica.

Este punto de inflexión ha recibido un fuerte impulso del estudio de sistemas que están lejos del equilibrio termodinámico, debido a tiempos de relajación muy largos, como en los sistemas desordenados, o debido a la presencia de forzamiento y disipación externa, como en la materia granular o activa. Las aplicaciones de la mecánica termodinámica y estadística de los sistemas pequeños van desde la biología molecular hasta la micromecánica, incluyendo modelos de nano-transporte, motores brownianos y organismos autopropulsados (vivos o artificiales).

Refrigeración: Teoría y Aplicaciones

Refrigeration: Theory And Applications

Refrigeration: Theory and Applications. James K. Carson. 1a. ed. ISBN: 978-87-403-0363-6. BOOKBOON.com

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Este manual cubre las consideraciones básicas termodinámicas y de transferencia de calor del ciclo de compresión de vapor, seguidas de las principales aplicaciones de la refrigeración en las áreas de conservación de alimentos, confort humano y criogenia. Además, se dedica un capítulo a la selección de refrigerantes, y otro capítulo se centra en los dispositivos de refrigeración que no funcionan con el ciclo de compresión de vapor. El texto, que contiene ejemplos prácticos, está destinado a ser utilizado como un trabajo electivo de pregrado para estudiantes de ingeniería de tercer o cuarto año.

Part 1: Theory

    1. Thermodynamics
    2. Heat Transfer
    3. Refrigerants
    4. Refrigeration without a Refrigerant

Part 2: Applications

  1. Chilling and Freezing
    • Estimating Chilling times of food products
    • Estimating heat loads of food products
    • Freezing and Thawing Time Prediction
    • Summary of Chapter 6
    • Further Reading
  2. Food Refrigeration
    • The Domestic Refrigerator
    • The Cold Chain
    • Typical examples of refrigerated facilities
    • Design Considerations
    • Refrigerated transport
    • Summary of Chapter 7
    • Further Reading
  3. Air Conditioning
    • Air-conditioning Cooling Load Calculations
    • Domestic air-conditioning
    • Large-scale air-conditioning
    • Summary of Chapter 8
    • Further Reading
  4. Cryogenics and Gas Liquefaction
    • Cryogenics
    • Gas Liquefaction
    • Summary of Chapter 9
    • Further Reading
  5. List of Symbols
  6. Appendix: Physical Properties of Refrigerant R134a