Post on 02-Dec-2015
Termodinámica
Segunda ley de la
termodinámica
Ing. Víctor Vega
Termofluidos IE-0281
Temas
Generalidades
Máquinas térmicas
Eficiencia térmica y coeficiente de rendimiento
Segunda ley de la termodinámica
Enunciados de Kelvin y Plank, y Clausius
El proceso reversible
Factores que hacen irreversibles los procesos
El ciclo de Carnot
Cuatro procesos básicos de un ciclo de Carnot
Dos proposiciones sobre la eficiencia de un ciclo de Carnot
Salida de la potencia y el ciclo de Carnot
Observaciones alrededor del ciclo de Carnot
Generalidades
La primera ley no tiene restricciones en cuanto a la dirección
del flujo de calor y trabajo.
Yendo más allá se sabe que no porque un sistema cumpla la
primera ley significa que pueda ocurrir.
De aquí parte la segunda ley de la termodinámica,
pudiéndose asegurar que un proceso ocurrirá si se cumple la
primera y segunda ley de la termodinámica.
La segunda ley establece las bases que justifican que un
proceso puede llevarse a cabo de cierta forma y no en
dirección opuesta.
Concepto
Además de nuestra experiencia sabemos para dos cuerpos a
diferentes temperaturas. El calor será transferido del que tiene
una temperatura mayor al de más baja.
Siendo imposible que lo inverso ocurra.
Máquina térmica
Se define como: un componente que está sometido a un ciclo
termodinámico y cierta cantidad de trabajo neto positivo se
realiza a través de la transferencia de calor de un cuerpo de
mayor temperatura a uno de menor.
Al levantar un peso durante un ciclo, el trabajo fue hecho por el
gas. De manera que es positivo, al igual que la transferencia de
calor.
Eficiencia térmica
Para una máquina térmica se define como salida y la
entrada, es decir: la relación entre la energía requerida y el
costo de producirla.
Planta térmica: 35-50%
Motor de gasolina: 30-35%
Motor de diesel: 30-40%
Coeficiente de rendimiento
(COP)
La eficiencia de un refrigerador se expresa como la energía
requerida (el calor transferido del espacio refrigerado) y el
costo de producirla (W). Así:
La refrigeradora de una casa presenta un valor cercano a
2,5. Unidades con un enfriado profundo pueden tener un
coeficiente cercano a 1.
Un depósito de calor es un cuerpo del cual se transfiere
calor indefinidamente sin cambiar su temperatura.
La atmósfera y el océano se aproximan a esta definición.
Si de este recipiente se transfiere calor se dice fuente. En
caso que el calor sea transferido a él se dice sumidero.
Segunda ley de la
termodinámica
Existen dos enunciados de la termodinámica clásica
conocidos como el enunciado de Kelvin y Plank y el
enunciado de Clausius.
Enunciado de Kelvin y Plank
Es imposible construir un componente que opere en un
ciclo y produzca sólo el efecto de subir un peso e
intercambiar calor con un recipiente simple.
Lo que es igual a afirmar que no existe ninguna máquina
térmica capaz de tener una eficiencia de 100%.
Enunciado de Clausius
Es imposible construir un componente que opere en un
ciclo y produzca sólo el efecto de transferir calor de un
cuerpo frío a uno caliente.
De lo anterior, ambos enunciados nacen de evidencias
experimentales.
Si no se cumple alguno de los dos enunciados se viola de
forma automática el restante. Y si por contrario uno se
cumple, se cumple el otro.
Además, define que es imposible construir una máquina
con movimiento perpetuo.
Proceso reversible
Es un proceso que una vez que se lleva a cabo se puede revertir
sin provocar cambios al sistema o a los alrededores.
Irreversible
Reversible
Factores que hacen irreversibles
los procesos
Fricción
Expansión sin restricción
Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura
Mezcla de dos sustancias diferentes
Fricción
Algo del calor se transfiere del sistema a los alrededores
hasta que el bloque llegue a su temperatura inicial.
Expansión sin restricción
Para se restablecer la condición inicial se debe comprimir
el gas y se transfiere calor a los alrededores
Transferencia de calor a través de una
diferencia finita de temperatura
Si se transfiere calor de un cuerpo caliente a uno de baja temperatura, la única forma para que el sistema retorne a la condición inicial es por medio de refrigeración.
Por lo que se debe hacer trabajo en los alrededores y transferir un poco de calor del sistema al entorno para que el sistema vuelva a la condición inicial. Así se dice que es irreversible.
Se tiene un proceso de transferencia de calor reversible cuando la temperatura de dos cuerpos se aproxima a cero.
Mezcla de dos sustancias
diferentes
Si se rompe la membrana se forma una fase homogénea.
Para separar dichas sustancias se requiere cierta cantidad
de trabajo (planta separadora de aire) que hace que el
proceso sea irreversible.
El ciclo de Carnot
Si se asume que se tiene un proceso donde los depósitos
de calor de alta y baja temperatura permanecen
constantes.
Que se opera en un ciclo donde cada proceso es
reversible, entonces se dice que es un ciclo de Carnot.
Siendo el más eficiente que se puede obtener entre dos
fuentes de temperatura.
Para que el proceso de
transferencia de calor sea
reversible, la temperatura del
agua debe ser infinitesimalmente
menor que la temperatura de la
fuente.
El primer proceso del ciclo de
Carnot es isotérmico reversible.
El siguiente proceso ocurre en la
turbina sin transferencia de calor
(adiabático reversible). El fluido
disminuye desde la temperatura
de la fuente de alta temperatura
hasta la de baja temperatura.
Luego en un proceso isotérmico
se rechaza calor a la fuente de
baja temperatura. La temperatura
del fluido de trabajo es
infinitesimal
mente mayor que la de la fuente
de
baja temperatura.
El proceso final es adiabático
reversible, la temperatura del
fluido aumenta de la temperatura
baja a la alta.
4 procesos básicos de un ciclo de
Carnot
1. Isotérmico reversible donde se transfiere calor hacia una fuente de alta temperatura o desde ella.
2. Adiabático reversible en donde la temperatura del fluido disminuye desde la temperatura alta a temperatura baja.
3. Isotérmico reversible donde el calor se transfiere desde o hacia una fuente de baja temperatura.
4. Adiabático reversible donde la temperatura del fluido se incrementa desde una temperatura baja hasta una temperatura alta.
Dos proposiciones sobre la
eficiencia de un ciclo de Carnot
1. Es imposible construir una máquina que opere entre dos
fuentes dadas y sea más eficaz que una máquina
reversible que trabaje entre las mismas dos fuentes.
2. Todas las máquinas que funcionan en el ciclo de Carnot
entre dos fuentes dadas de temperatura constante tienen
la misma eficiencia.
Salida de la potencia y el ciclo
de Carnot
La máxima eficiencia teórica se da en ciclos
reversibles.
H
Cmax 1
T
TCiclo de potencia
CH
Cmax
TT
T
Ciclo de refrigeración
CH
Hmax
TT
T
Ciclo de bomba térmica
Observaciones alrededor del ciclo de
Carnot
Si la eficiencia de un ciclo es igual a la de Carnot el
proceso es reversible.
Si la eficiencia de un ciclo es menor que la de Carnot es
irreversible.
Si la eficiencia de un ciclo se prevé mayor a la de Carnot
esté ciclo es imposible de realizar.
Ejemplos y ejercicios
Dos máquinas térmicas operan entre el mismo recipiente de calor, recibiendo el mismo QH. Una máquina es reversible y la otra no. ¿Qué se puede decir del QL para el no reversible?
Para cada uno de los siguientes casos, determine si la máquina térmica cumple la primera ley y si viola la segunda ley:
QH = 6 kW QL = 4 kW W = 2 kW
QH = 6 kW QL = 0 kW W = 6 kW
QH = 6 kW QL = 2 kW W = 5 kW
QH = 6 kW QL = 6 kW W = 0 kW
Una máquina cíclica, recibe 325 kJ de un depósito a 1000
K. Rechaza 125 kJ a 400K y el ciclo produce 200 kJ de
trabajo. Es este ciclo reversible, irreversible o imposible?