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05-10-2009
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Máquinas Térmicas y Segundo Principio
1. INTRODUCCIÓN
• Satisfacer la primera ley no es condición suficiente para que un proceso ocurra. Ejemplos:– Café caliente se vuelve incluso más caliente en una habitación fría
– En un resistor, conversión calor en energía eléctrica
– Transferencia de calor desde un fluido a un agitador, para levantar una masa
• Los procesos van en cierta dirección. La segunda ley da cuenta de este hecho
• Los ejemplos dados cumplen la primera ley, pero violan la segunda
• Implicancia de segunda ley: la energía tiene calidad así como cantidad
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1. INTRODUCCIÓNUtilidad Segunda Ley
1) Predecir dirección de los procesos.
2) Establecer las condiciones de equilibrio (de reacciones
químicas, por ejemplo).
3) Determinar las mejores prestaciones teóricas de ciclos y
motores térmicos.
4) Cuantificar el alejamiento del óptimo en máquinas reales.
5) Definir una escala absoluta de temperatura (independiente de
la sustancia termométrica).
6) Procedimiento de cálculo de u y h a partir de otras
propiedades medibles.
2. DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICADefiniciones
• Cuerpo hipotético que posee capacidad calorífica (masa x calor específico) relativamente grande
• Puede suministrar cantidades finitas de calor sin experimentar cambio en la temperatura
• Ejemplos: – grandes cuerpos de agua
– aire atmosférico
– Sistema de dos fases
– Horno industrial
• Tipos: fuentes (entregan) y sumideros (reciben)
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3. MÁQUINAS TÉRMICASDefiniciones
• Dispositivos que convierten calor en trabajo
• Características:
1. Reciben calor de una fuente a alta temperatura
2. Convierten parte de este calor en trabajo
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de baja temperatura
4. Operan en un ciclo, con un fluido de trabajo
• Ejemplo: Central térmica
3. MÁQUINAS TÉRMICASDefiniciones
Esquema de una máquina bitérmica
DU = 0
Qneto = Wneto
QA + QB = Wneto
|QA| - |QB| = Wneto
TA
TB
QA
QB
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3. MÁQUINAS TÉRMICASEficiencia Térmica
Esquema de una máquina bitérmica
Nota: en la fórmula de eficiencia se
trabaja con los valores absolutos de
W y Q
|QA| > |Wneto| => h < 1
Máquina térmica de alta
eficiencia: h = 0,5
TA
TB
QA
QB
QA
3. MÁQUINAS TÉRMICASEnergía de desecho
Esquema de una máquina bitérmica
• No es posible ahorrar la
energía de desecho
• Sin la transferencia de Qf no
se completa el ciclo
• Sin ciclo, no hay proceso
continuo
TA
TB
QA
QB
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4. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR Características
Esquema de una máquina inversa
• Transferencia de calor
desde un medio a baja ta
hacia un medio a alta ta
• Dispositivo cíclico
• Fluido de trabajo:
refrigerante
• (descripción de proceso
cíclico refrigerador)
TA
TB
QA
QB
Esquema de una máquina inversa
4. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR Coeficiente de desempeño
TA
TB
QA
QB Nota: en las fórmulas de coeficiente
de desempeño se trabaja con los
valores absolutos de W y Q
QA QA
QB QB
QA - QB
QA - QB
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5. SEGUNDA LEYEnunciados
Máquinas imposibles de existir
TA
TB
QA
QB
5. SEGUNDA LEYEnunciados: Equivalencia
TA
TB
QA
QB
TB TB
QB
TA TA
Q’A Q’A - QA
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5. SEGUNDA LEYEnunciados: Equivalencia
TA
TB
QA
QB
TB TB
QB
TA TA
Q’A Q’A - QA
6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
• Procesos reversibles: proceso que se puede invertir
sin dejar ningún rastro en los alrededores
– El intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y
los alrededores es cero para el proceso combinado
• Procesos irreversibles: no se pueden revertir por sí
mismos de forma espontánea y restablecer el
sistema y su entorno a su estado inicial
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6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
• Todos los procesos que ocurren en la naturaleza son
irreversibles
• Los procesos reversibles sólo son idealizaciones de
procesos reales
– Son fáciles de analizar (el sistema pasa por una serie de estados
de equilibrio)
– Sirven como modelos idealizados para comparar procesos reales
– Límites teóricos para procesos irreversibles correspondientes: a
medida que se tiende a un proceso reversible, un dispositivo
entrega más trabajo o requiere menos trabajo
6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREV.Irreversibilidades
• Fricción
• Expansión libre
• Transferencia de calor (diferencia de temp. finita)
• Mezclado de dos fluidos
• Deformación inelástica de sólidos
• Reacciones químicas
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6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREV.Irreversibilidades
Fricción
• Producto de fuerza que se opone al movimiento
• Energía suministrada como trabajo se convierte en
calor
• Mientras más grandes las fuerzas de fricción, más
irreversibles es el proceso
6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREV.Irreversibilidades
Expansión libre (adiabática) de un gas
• ¿Cómo puede llevarse el sistema a su estado inicial?
• ¿Qué cambios se producen en el entorno?
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6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREV.Irreversibilidades
Transferencia de calor debida a un DT finito
• Ejemplo: una soda fría (5 °C) se deja en una
habitación a 20 °C
– ¿Cuál será el estado final de la soda?
– ¿Cómo puede llevarse el sistema (soda) a su estado inicial?
– ¿Qué cambios ocurrirán en el entorno?
– ¿Es posible revertir completamente estos cambios?
6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREV.Irreversibilidades
Transferencia de calor
• Es intrínsecamente irreversible
• Se vuelve cada vez menos irreversible a medida que
DT se aproxima a cero
• Se puede considerar reversible si es debida a un
diferencia de T (proceso conceptual)
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6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREV.Procesos Interna y Externamente Reversibles
• Internamente reversible:
– No ocurren irreversibilidades dentro de las fronteras del
sistema durante el proceso
– El sistema pasa por una serie de estados de equilibrio (los
mismos en la ida y en la vuelta)
• Externamente reversible:
– No ocurren irreversibilidades fuera de las fronteras del
sistema
• Totalmente reversible: interna y externamente
7. CICLO DE CARNOTIntroducción
• La eficiencia de un ciclo se puede maximizar mediante procesos reversibles
• Los ciclos reversibles proporcionan límites superiores la desempeño de los ciclos reales
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7. CICLO DE CARNOTIntroducción
• Propuesto en 1824 por Sadi Carnot
• Se compone de cuatro procesos reversibles:
– Dos isotérmicos
– Dos adiabáticos
• El ciclo se puede llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estable
7. CICLO DE CARNOT• A-B: Expansión lenta; la
temperatura del gas no disminuye más que en un dT (proceso reversible)
• B-C: Expansión adiabática reversible (sin fricción y cuasiestática)
• C-D: Compresión lenta; la temperatura del gas no aumenta más que en un dT
• D-A: Compresión adiabática reversible
A
A
B
B
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7. CICLO DE CARNOTDiagrama P-V
• El área bajo la curva representa el trabajo realizado por o sobre el sistema
• 1-2-3: Trabajo que realiza el gas al expandirse
• 3-4-1: Trabajo que realizado sobre el gas durante la compresión
• Área gris: Trabajo Neto
• El de Carnot es el ciclo más eficiente que opera entre dos límites de temperatura dados
7. CICLO DE CARNOTCiclo Inverso
• Dibuje el diagrama para el ciclo inverso y describa cada una de las etapas
• Cuáles son los efectos sobre el entorno?
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8. PRINCIPIOS DE CARNOT1. La eficiencia de una máquina térmica
irreversible es siempre menor que laeficiencia de una máquina térmicareversible que opera entre los mismosdos depósitos
2. Las eficiencias de las máquinastérmicas reversibles que operan entrelos mismos dos depósitos son lasmismas
• La violación de cualquiera de estosprincipios da como resultado laviolación de la segunda ley de laTermodinámica
• Las máquinas reversibles no operannecesariamente a través de un ciclo deCarnot
8. PRINCIPIOS DE CARNOTDemostración primer principio
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8. PRINCIPIOS DE CARNOTDemostración segundo principio
• Similar a la anterior. Suponga ahora que dos
máquinas térmicas reversibles trabajan entre los
mismos depósitos, pero una es más eficiente que la
otra. Construya un sistema combinado entre ambas y
analice el proceso resultante y los efectos sobre el
entorno
9. ESCALA TERMODINÁMICA DE T
• Es independiente de las propiedades de las
sustancias termométricas
• “Todas las máquinas térmicas que operan entre los
mismos dos depósitos tienen la misma eficiencia”
hter,rev = g(TA, TB) o
),( BA
B
A TTfQ
Q
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9. ESCALA TERMODINÁMICA DE T
3
2
2
1
3
1
),(),(),( 322131 TTfTTfTTf
)(
)(),(
B
ABA
T
TTTf
B
A
B
A
T
T
Q
Q
B
A
B
A
T
T
T
T
)(
)(
10. MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
• Eficiencia para cualquier máquina térmica
• Eficiencia de una máquina de Carnot o de cualquier máquina térmica reversible
– Eficiencia máxima que puede tener una máquina térmica que opera entro dos depósitos a TB y TA
• Mientras mayor es TA y menor TB, mayor es la eficiencia
A
B
A
BA
Q
Q
Q
Q
W
1
A
netoterh
A
B
T
T 1rev ter,h
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10. MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
imposible térmica máquina ,
reversible es térmica máquina si ,
leirreversib es térmica máquina si ,
rev ter,
rev ter,
rev ter,
ter
h
h
h
h
10. MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOTCalidad de la energía
• La energía tiene calidad así como cantidad.
– A mayor temperatura, más de la energía térmica se puede
convertir en trabajo
– Mientras más alta sea la temperatura, mayor es la calidad
de la energía
• Problema: Calcule la máxima eficiencia que puede
tener una central eléctrica que convierte la energía
térmica almacenada en agua a 350 K
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10. MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOTCalidad de la energía
• El trabajo es una forma de energía más valiosa que el calor
• Cuando de un cuerpo de alta temperatura a otro de menor
temperatura se transfiere calor, éste se degrada porque ahora
menos de él se puede convertir en trabajo
• Problema: ¿Cuánta energía es aprovechable si se transfieren
100 kJ de calor de un depósito de 1000 K a otro de 300 K?
10. MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOTCalidad de la energía
• Lo que no se conserva es la calidad de la energía o el potencial
de trabajo de ésta
• Desperdiciar energía es sinónimo de convertirla en una forma
menos útil
• Problema: Una central eléctrica, que usa la atmósfera como
sumidero de energía (300 K), debe entregar 100kW de
potencia. ¿Con cuánta energía debe alimentarse si la caldera
opera a: (a) 1100 K; (b) 800 K?
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11. REFRIGERADOR DE CARNOT Y BOMBA DE CALOR
• Coeficientes de desempeño para máquinas en general
• Coeficientes para máquinas reversibles
-1
1COP y
1
1COP BCR
ABBA QQQQ
-1
1COP y
1
1COP BCR
ABBA TTTT
imposible orrefregerad ,COP
reversible es orrefrigerad si ,COP
leirreversib es orrefrigerad si ,COP
COP
rev R,
rev R,
rev R,
R
11. REFRIGERADOR DE CARNOT Y BOMBA DE CALOR
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REFRIGERADOR DOMÉSTICO
• Actualmente, consumen menor energía debido a:
– Empleo de motores y compresores más pequeños y de mayor eficiencia
– Mejores materiales de aislamiento
– Áreas superficiales de serpentín más grandes
– Mejores sellos para las puertas
REFRIGERADOR DOMÉSTICOCaracterísticas de operación
• Consumen entre 60 y 900 W al operar
• Temperatura de congelador: -18°C
• Temperatura de refrigerador: 3°C
• Temperatura ambiente nominal: 25°C
• Operan cerca de 30% del tiempo
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REFRIGERADOR DOMÉSTICO
• Características deseables:
– Volumen máximo de almacenaje de comida
Se ha logrado gracias al uso de aislamiento más delgado pero más eficaz, y por la reducción del espacio que ocupan compresor y condensador
– Consumo mínimo de energía
Mejor aislación en puerta y paredes
Buenas prácticas uso
– Menor costo posible para consumidor
REFRIGERADOR DOMÉSTICOMedidas de uso eficiente
1. Abrir la puerta de refrigerador las menos veces posibles
durante el menor tiempo posible
2. Enfriar primero los alimentos calientes a temperatura
ambiente antes de introducirlos al refrigerador
3. Limpiar los serpentines del condensador localizados detrás o
debajo del refrigerador
4. Comprobar si el empaque de la puerta tiene fugas
5. Evitar ajustes innecesarios de temperatura baja
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REFRIGERADOR DOMÉSTICOMedidas de uso eficiente
5. Evitar la acumulación excesiva de hielo en las superficies
interiores del evaporador
6. Usar el interruptor ahorrador de energía que controla los
serpentines de calentamiento y evita la condensación en las
superficies externas en ambientes húmedos
7. No bloquear los pasajes de flujo de aire hacia y desde los
serpentines del condensador
