segundoprincipioweb

TERMODINAMICA PROFESORA:MARIA ROSA JELCIC

1

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

CAPITULO VI


2

•Primera ley de la termodinámica:afirma la conservación de la energía durante un proceso.

•Segunda ley de la termodinámica:

afirma que los procesos ocurren en una dirección y que la energía tiene calidad y cantidad.


3

6.1 Depósitos de energía térmica

FIG.:6.1

Cuerpo hipotético con gran capacidad de energía térmica, dada por el producto entre su masa y su calor específico, que permita absorber o ceder cantidades finitas de calor sin que cambie su temperatura.


4

6.1.1 Tipos de depósitos

•Fuente : depósito que cede energía térmica.

•Sumidero : depósito que absorbe energía térmica.


5

El manejo irresponsable de la energía de desecho puede aumentar significativamente la temperatura del ambiente, provocando una contaminación térmica, situación que afecta la vida acuática de peces y otras especies en lagos, ríos, mares.


6

6.2 Máquinas térmicas

El objetivo de las máquinas térmicas es convertir calor en trabajo, situación que no es nada fácil, comparada con la conversión de trabajo en calor.


7

Este tipo de máquinas se caracteriza por lo siguiente:

• Reciben calor desde una fuente de alta temperatura.

• Convierten parte de este calor en trabajo.

• Liberan el calor de desecho o remanente a un sumidero de baja temperatura.

• Operan de acuerdo a un ciclo.

• Utilizan un fluido de trabajo.


8

•Qen = Calor absorbido por la máquina.

Qsal = Calor cedido por la máquina.

Wneto,sal = Trabajo realizado por la máquina.

Simbología usada:


9

salensalneto QQW ,

Haciendo un simple balance de energía, se obtiene:

T2

T1

Q en

Q sal

W neto,sal FIG.:6.2


10

Un esquema simplificado de una central de potencia, considera:

Una caldera generadora de vapor. El agua líquida absorbe calor y se transforma en vapor.

Una turbina donde se produce la expansión del vapor y por lo tanto la etapa generadora de trabajo.


11

Un condensador que transforma el vapor en líquido nuevamente.

Una bomba que envía el agua líquida a la caldera.Esta bomba para funcionar requiere de un trabajo proporcionado por el exterior.


12

caldera

condensador

turbinabombaW en

W sal

Fuente energía

Sumidero energía Q sal

Q en

FIG.:6.3


13

Se define como aquella fracción del calor que entra a la máquina, que se transforma en trabajo neto.

Eficiencia térmica = t

t = (salida de trab. neto)/(calor abs. por la máquina)

6.4 Eficiencia térmica


14

en

salnetot Q

W .,en

salent Q

QQ

en

salt Q

Q1


15

Si: Qen = QH

Qsal = QL

Alta temperatura = TH

Baja temperatura = TL

LHsalneto QQW ,

H

salnetot Q

W .,H

Lt Q

Q1


16

Es imposible que un dispositivo que opera mediante un ciclo, reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad equivalente de trabajo.

6.5 Enunciado de Kelvin Planck para la segunda ley de la termodinámica.

M.T.

FUENTE

Q2

W salIMPOSIBLE

FIG.:6.4


17

6.6 Refrigeradores

Son dispositivos especiales cuyo objeto es transferir calor desde un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura.


18

QL = calor extraído del espacio refrigerado.

QH = Calor liberado al ambiente.

Wneto,en = trabajo neto de entrada.

TL = Temperatura del espacio refrigerado.

TH = temperatura del ambiente caliente

Espacio refrigerado

Ambiente caliente

QH

QL

W neto,en

FIG.:6.5


19

6.7 Coeficiente de operación

Es la eficiencia de un refrigerador.

Coeficiente de operación = COPR

COPR = Calor extraído / trabajo neto de entrada


20

entneto

LR W

QCOP,

Un balance simplificado de energía al refrigerador :

LHenneto QQW ,

LH

LR QQ

QCOP

Reemplazando:


21

6.8 Enunciado de Clausius para la segunda ley de la termodinámica.

Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea producir una transferencia de calor desde un cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más alta.


22

6.9 Procesos reversibles e irreversibles.

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar rastro en los alrededores, es decir, el sistema y los alrededores pueden retornar a sus estados iniciales al final del proceso inverso.

Se logra sólo si el intercambio de calor neto y de trabajo neto entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso completo (en ambas direcciones).


23

Los procesos que no son reversibles, se llaman irreversibles.

En ellos, los alrededores realizan generalmente trabajo sobre el sistema, por lo que no regresa a su estado inicial.


24

Entre los factores que producen irreversibilidades en un proceso se pueden nombrar:

• la fricción, • la expansión libre, • la transferencia de calor,• la mezcla de dos gases, • la resistencia eléctrica, • las reacciones químicas.


25

6.10 Máquina térmica de Carnot

Es una máquina térmica teórica propuesta por el ingeniero francés Sadi Carnot, en el año 1824, que opera en forma cíclica, según un ciclo.


26

•opera mediante cuatro procesos reversibles

• se llevan a cabo en un dispositivo cilindro / pistón adiabático

• el fluido de trabajo es un gas ideal

• sistema cerrado.

6.10.1 Ciclo de Carnot


27

Los cuatro procesos reversibles del ciclo de Carnot son:

Expansión isotérmica reversible (1-2).

Expansión adiabática reversible (2-3).

FIG.:6.6

FIG.:6.7


28

Compresión isotérmica reversible (3-4).

•Compresión adiabática reversible (4-1).

FIG.:6.8

FIG.:6.9


29

Representando las cuatro etapas en un diagrama P -V:

P

V

1

2

3

4

QH

QL

1 2 : TH = cte

3 4 : TL = cteW neto,sal

FIG.:6.10


30

ciclociclo WQ En un ciclo:

41342312 WWWWWciclo Pero:

W12 : trabajo de expansión isotérmico reversible.

W23 : trabajo de expansión adiabático reversible.

W34 : trabajo de compresión isotérmica reversible.

W41 : trabajo de compresión adiabática reversible.


31

41342312 QQQQQciclo

Q12 : calor absorbido en la expansión isotérmica reversible = QH

Q23 : calor transferido en la expansión adiabática reversible = 0Q34 : calor liberado en la etapa de compresión isotérmica reversible =QL

Q41 : calor transferido en compresión adiabática reversible = 0


32

LHciclo QQW

1

2lnVVnRTQ HH

3

4lnVVnRTQ LL

QH>0

QL<0

Pero:


33

H

Lt Q

Q1

La eficiencia térmica está dada por:

Sustituyendo:

1

2

4

3

ln

ln1

VVnRT

VVnRT

H

L

t H

Lt T

T1


34

Carnot concluyó lo siguiente:

La eficiencia de una máquina térmica irreversible, siempre es menor, que la eficiencia de una reversible que opera entre los mismos depósitos.

Las eficiencias térmicas de todas las máquinas térmicas reversibles, que operan entre los mismos dos depósitos, son iguales.


35

6.11 Calidad de la energía

•Es el potencial de trabajo de la energía.

•El trabajo es la forma más valiosa de la energía.

•Es más fácil convertir 100% de trabajo en calor, pero sólo una fracción del calor se transforma en trabajo.


36

•Gastar energía es sinónimo de convertirla en una forma menos útil.

•Una cantidad finita de energía térmica a temperatura elevada es más atractiva que una gran cantidad de energía térmica a temperatura baja (energía almacenada en océanos).


37

6.12 Desigualdad de Clausius

0TQ

Esta ecuación es válida para ciclos termodinámicos reversibles e irreversibles. La igualdad se cumple para ciclos total o sólo internamente reversibles y la desigualdad para los irreversibles.

Fue establecida por el físico alemán R. Clausius y se expresa


38

6.13 Entropía

La ecuación anterior es la base para definir la entropía. En 1865, Clausius se dio cuenta que había descubierto esta nueva propiedad termodinámica.

.int revTQdS

Se define la entropía (S):


39

Es una propiedad extensiva que se puede transformar en intensiva.

Unidades de entropía:

KJ/K , cal/K , Btu/oR

KJ/molK , cal/molK , Btu/lbmoloR

La entropía es una función de estado

admite diferencial exacta

dS


40

El cambio de entropía de un sistema durante un proceso se determina integrando:

2

1 .int12

2

1 rev

S

S TQdSSSS

Para integrar el lado derecho de la ecuación, es necesario conocer la relación entre Q y T durante el proceso, situación que a menudo no se conoce.


41

La integral de (Q/T) a lo largo de una trayectoria internamente irreversible no es una propiedad, por lo tanto se obtienen valores distintos cuando se integre a través de trayectorias irreversibles diferentes.

Para resolver estas situaciones, el cambio de entropía se calcula por medio de la misma ecuación, pero, al integrar se asume una trayectoria adecuada e internamente reversible entre los estados inicial y final.


42

6.14 Principio de incremento de entropía

Considerar un ciclo formado por:

• Proceso 1-2 arbitrario, el cual puede ser reversible o irreversible.

• Proceso 2-1, que es internamente reversible.


43

01

2 .int,

2

1

revTQ

TQ

0TQ

A partir de la desigualdad de Clausius:

Considerando las dos etapas del ciclo:


44

0)( 21

2

1

SSTQ

2

112 T

QSS

2

1 TQS

La segunda integral es (Sfinal – Sinicial):

Arreglando:


45

En su forma diferencial:TQdS

2

1 TQS enunciado matemático

de la segunda ley de la termodinámica, para una masa constante.


46

Existen dos diferencias con la primera ley:

El cambio en la energía de un sistema cerrado es igual a la transferencia de energía en cualquier proceso, en tanto, el cambio de entropía de un sistema cerrado es igual a la transferencia de entropía sólo en procesos reversibles.

La energía se transfiere en la forma de calor o trabajo, mientras que la entropía se transfiere únicamente como calor.


47

Para un sistema aislado o en un sistema cerrado y adiabático, la transferencia de calor es cero:

0 aislado SLa entropía de un sistema aislado durante un proceso siempre aumenta o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece constante.

NUNCA SE PRODUCE UNA DISMINUCIÓN


48

La ecuación no es de uso general, ya que se limita a procesos adiabáticos que se llevan a cabo en un sistema cerrado.

¿Qué hacer para aplicarla a sistemas abiertos y cerrados, como también a procesos adiabáticos y no adiabáticos?


49

Se asume lo siguiente:

Un sistema aislado puede constar de una serie de subsistemas

FIG.:6.11


50

El sistema y sus alrededores se pueden trabajar bajo esta nominación.

FIG.:6.12


51

El cambio de entropía del sistema aislado durante un proceso está dado por:

0 salrededoresistemaTotal SSS

La ecuación es una expresión general para el principio del incremento de la entropía:

El cambio en la entropía total asociado con un proceso debe ser positivo o cero.


52

•La igualdad se produce para procesos reversibles.

• La desigualdad para procesos irreversibles.

0 TotalS


53

Cuanto más irreversible es el proceso, mayor resulta ser la entropía total.

El cambio de entropía del sistema o de los alrededores puede ser negativo durante un proceso, pero el cambio de entropía total no puede.


54

0 : proceso irreversibleSTotal = 0 : proceso reversible

0 : proceso imposible

Criterio para predecir si un proceso es:


55

6.15 Concepto de entropía

La entropía es una medida del desorden molecular, es decir, si un sistema se vuelve más desordenado, dicha propiedad aumenta.


56

6.16 Tercera ley de la termodinámica

Si la entropía de cada elemento en alguno de sus estados cristalinos se considera como cero a la temperatura del cero absoluto, todas las sustancias tendrán una entropía finita positiva.

T

K

PKT T

dTCSS0

0

0


57

T

K

PT T

dTCS0

Para resolver la integral de la ecuación, es importante conocer los cambios que experimenta la sustancia en el intervalo de temperatura ( 0K a T) y resolver por partes.


58

0K Tf Teb T

Si la sustancia a la temperatura T existe como gas, entonces, un análisis del intervalo, permite su representación:

Temperatura


59

f

f

T

K

sPKT T

dTCSS

0

,0

• Entre 0K y la temperatura de fusión (Tf), la sustancia existe al estado sólido:

A la temperatura de fusión, por ser un cambio de fase que ocurre a Tf constante, la variación de entropía se obtiene:

f

f

TH

S

0


60

•Entre Tf y la temperatura de ebullición (Teb), la sustancia existe al estado líquido:

eb

f

feb

T

T

lPTT T

dTCSS ,

A la temperatura de ebullición, por ser un cambio de fase que ocurre a Teb constante, la variación de entropía se obtiene:

eb

vap

TH

S


61

Entre Teb y la temperatura T, la sustancia existe al estado gaseoso:

T

T

gPebT

ebT

dTCSS ,

Para calcular el valor de la entropía a una temperatura T, se trabaja con aquella ecuación deducida a partir del análisis del intervalo de temperaturas, lo cual permite plantear la ecuación correspondiente.


62

T

K

PT T

dTCS0

= fT

K

sP

TdTC

0

,

f

f

TH

+

eb

f

T

T

lP

TdTC ,+

+

eb

vap

TH

+ + T

T

gP

ebT

dTC ,

segundoprincipioweb

Documents

Transcript of segundoprincipioweb