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Segunda ley de la termodinámica
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La Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda Ley de la Termodinámica
5.1. Postulados de la Segunda Ley
5.2. Entropía. Producción de Entropía. Factores de irreversibilidad.
5.2.1 Máquinas térmicas y refrigeradores
5.2.2 El Ciclo de Carnot
5.2.3 La desigualdad de Clasius
5.3. Cambio de entropía en procesos reversibles
5.4. Cambio de entropía en procesos irreversibles
5.5. Trabajo perdido
5.6. Segunda Ley de la Termodinámica para un volumen de control.
5.7. El proceso isentrópico para flujo estable y estado estable.
5.8. Cambio de entropía de un gas ideal
5.9. Principio de incremento de entropía
5.10. Aplicaciones
Postulados de la Segunda Ley• Un proceso no sucede a menos que satisfaga tanto
la primera como la segunda leyes de la termodinámica.
• Existen varios enunciados válidos de la segunda ley de la termodinámica. Analizaremos dos (2) de ellos posteriormente en relación con algunos dispositivos de ingeniería que funcionan en ciclos.
Postulados de la Segunda Ley• El empleo de la segunda ley no se limita a
identificar la dirección de los procesos.
• La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad.
• La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad.
• La segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el grado de degradación de la energía durante un proceso.
Maquinas Térmicas• Las máquinas térmicas
difieren considerablemente unas de otras, aunque todas se caracterizan por lo siguiente:
– Reciben calor de una fuente de alta temperatura
– Convierten parte de este calor en trabajo
– Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura
– Funcionan en un ciclo.
Maquinas Térmicas
Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el que el calor se transfiere mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre de Fluido de Trabajo
Máquina térmica muchas veces tiene un sentido más amplio para incluir dispositivos que producen trabajo y que no operan en un ciclo termodinámico. (Turbinas de gas, motores de automóvil)
Dichos dispositivos operan en un ciclo mecánico pero no en un ciclo termodinámico, ya que el fluido de trabajo (gases de combustión) no se someten a un ciclo completo. Los gases de escape se evacuan y sustituyen por una mezcla de aire puro de combustible al final del ciclo.
Maquinas Térmicas
El dispositivo productor de trabajo que menor encaja en la definición de máquina térmica es la planta de energía de vapor, que es una máquina de combustión externa.
Maquinas Térmicas
Cantidad de calor suministrado al vapor en la caldera desde una fuente de alta temperatura (horno).
Cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura (atmósfera, río, etc)
Cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina.
Cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.
Eficiencia Térmica
Eficiencia TérmicaLos dispositivos cíclicos de interés práctico, máquinas térmicas, refrigeradores
Eficiencia TérmicaLos dispositivos cíclicos de interés práctico, como las máquinas térmicas, los refrigeradores y las bombas de calor, funcionan entre un medio de alta temperatura y un medio a baja temperatura
Para brindar uniformidad al tratamiento de las máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, las siguientes dos cantidades son definidas:
Magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura .
Magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura .
Eficiencia TérmicaAdvierta que tanto , como son definidas como magnitudes, y por ello son cantidades positivas. La dirección de y se determina fácilmente por inspección y no es necesario preocuparse por sus signos.
Eje. 5.1, 5.2
𝜂𝑡=1−𝑄𝐿
𝑄𝐻
Segunda Ley de la Termodinámica, enunciado de Kelvin-Planck
Es imposible para cualquier dispositivo que funcione en un ciclo recibir calor de un solo depósito y producir una cantidad neta de trabajo.
Para mantener en operación una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura como una fuente de alta temperatura.
Segunda Ley de la Termodinámica, enunciado de Kelvin-Planck
El enunciado de Kelvin-Planck también se expresa como ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100%, o para que una planta de energía funcione, el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente así con el horno.
Esto no se debe a la fricción o a otros efectos disipativos. Es una limitación que se aplica tanto a máquinas térmicas ideales como a reales
Eficiencias de Conversión de Energía
Eficiencia es uno de los términos usados con más frecuencia en la termodinámica, e indica cuan bien se realiza un proceso de conversión o transferencia de energía.
Eficiencia del calentador de agua la razón de la energía entregada a la casa por el calentador de agua a la energía suministrada al calentador de agua.
Poder calorífico del combustible la cantidad de calor liberado cuando una cantidad especificada de combustible (por lo general una unidad de masa) a temperatura ambiente es quemada por completo y los productos de la combustión son enfriados a la temperatura ambiente.
Eficiencias de Conversión de Energía
La mayoría de los combustibles tienen hidrógeno, que forma agua cuando se quema, y el poder calorífico de un combustible será diferente dependiendo de si el agua de los productos de combustión está en forma líquida o en vapor.
PCI poder calorífico inferior, es cuando el agua sale como vapor.
PCS cuando el agua de los gases de combustión es condensada por completo.
Eficiencias de Conversión de Energía
Las eficiencias de los motores de automóviles y aviones a reacción normalmente se basan en PCI, el agua abandona como vapor en los gases de escape y no es práctico intentar recuperar el calor de vaporización. Las eficiencias de los hornos se basan en PSC.
Para los motores de automóvil la salida de trabajo se entiende como la potencia entregada por el cigüeñal. El trabajo de salida puede ser la potencia mecánica en la turbina de salida, o la salida de potencia eléctrica del generador.
Un generador es un dispositivo que convierte energía mecánica a energía eléctrica, y la efectividad de un generador se caracteriza por la eficiencia del generador ()
Eficiencias de Conversión de Energía
La razón de la salida de potencia eléctrica a la entrada de potencia mecánica.
La razón de la salida en el eje de la turbina a la entrada de calor al fluido de trabajo.
25-30% automóvil a gasolina34-40% motores diesel40-60% grandes plantas de Potencia
salida de energía mecánica del motor entre la energía eléctrica de entrada
Eje 5.3
Eficiencias de Conversión de Energía
El rango de eficiencia a plena carga de los motores varía aproximadamente el 35% para motores pequeños a cerca del 96% para motores de gran eficiencia.
Eje 5.3
Refrigeradores y Bombas de Calor
En la naturaleza el calor fluye en dirección de la temperatura decreciente, de medios de alta temperatura a medios de baja temperatura.
El proceso inverso no puede ocurrir por sí solo. La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.
Los refrigeradores, como las máquinas térmicas, son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante.
Refrigeradores y Bombas de Calor
Coeficiente de funcionamiento
La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de funcionamiento El objetivo de un refrigerador es quitar calor del espacio refrigerado.
Bombas de calor
Transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura.
Bombas de calor
El rendimiento de los refrigeradores y de los acondicionadores de aire en USA se expresa en términos del rendimiento energético nominal (REM)
Una unidad extrae de calor del espacio enfriado por cada de electricidad que consume tendrá un REM de 3.412.
La gran mayoría de los A/A tienen un REM entre 8 y 12.
Eje. 5.4, 5.5
Segunda Ley de la Termodinámica Enunciado de Clausius
Existen dos enunciados clásicos de la segunda ley: el enunciado de Kelvin-Planck, que se relaciona con las máquinas térmicas. El enunciado de Clausius, que se relacionan con refrigeradores o bombas de calor.
Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la transferencia de calor de un cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más alta.
Ambos enunciados de la segunda ley son negativos, y un enunciado negativo no puede probarse. Parte de observaciones experimentales.
Equivalencia de los dos enunciados
Los enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius son equivalentes en sus consecuencias y cualquiera de ellos es útil como la expresión de la segunda ley de la termodinámica.
Cualquier dispositivo que viole el enunciado de Kelvin-Planck viola también el enunciado de Clausius, y viceversa.
Considerando la combinación de máquina térmica-refrigerante mostrada en la fig. operando entre los mismos dos depósitos.
Equivalencia de los dos enunciados
Se supone que la máquina térmica tiene, en contra del enunciado de Kelvin-Planck, una eficiencia térmica de 100% y, por lo tanto convierte todo el calor que recibe en trabajo
Este trabajo se suministra luego a un refrigerador que extrae una cantidad de calor del depósito de baja temperatura y que libera una cantidad de calor al depósito de baja temperatura.
Durante este proceso, el depósito de alta temperatura recibe una cantidad neta de calor (la diferencia entre y ). De manera que la combinación de los dos dispositivos resulta en un refrigerador.
Equivalencia de los dos enunciados
Como se muestra en la fig. se transfiere calor en una cantidad de un cuerpo más frío a uno más caliente sin requerir ninguna entrada de energía del exterior.
Esto es claramente una violación al enunciado de Kelvin-Planck.
Los enunciados de Clausius y de Kelvin-Planck son dos expresiones equivalentes de la 2da. Ley
Máquinas de Movimiento Perpetuo
Se dijo anteriormente que para que ocurra un proceso debe satisfacer la 1era y la 2da ley. Todo dispositivo que viole cualquiera de ellas recibe el nombre de maquina de movimiento perpetuo.
No se conoce ninguna máquina de movimiento perpetuo que funcione.
Un dispositivo que viole la primera ley de la termodinámica (creando energía) se denomina Máquina de movimiento perpetuo de primera especie (MMP1).
Un dispositivo que viole la segunda ley de la termodinámica se llama Máquina de movimiento perpetuo de segunda especie (MMP2).
Máquinas de Movimiento Perpetuo
Considere una planta de energía de vapor. Se propone calentar el vapor mediante calentadores de resistencia colocados dentro de la caldera, en lugar de hacerlo por medio de la energía suministrada por combustible fósiles o nucleares.
Parte de la electricidad generada por la planta se va a emplear para accionar los calentadores y la bomba. El resto de la energía eléctrica alimentará la red eléctrica como la salida de trabajo neto.
Al arrancar la planta eléctrica producirá electricidad indefinidamente sin requerir ninguna entrada de energía del exterior.
Máquinas de Movimiento Perpetuo
Proceso reversible e irreversible ¿Cual es la eficiencia más alta posible que puede tener una máquina térmica?
Antes de responder esta pregunta es necesario definir un proceso ideal, el cual recibe el nombre de proceso reversible. Una vez que han ocurrido, estos procesos no pueden invertirse por si solo de modo espontáneo y regresar al sistema a su estado inicial.
Un proceso reversible es el que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores.
Proceso reversible e irreversible Tanto el sistema como los alrededores regresan a su estado inicial, al final del proceso inverso. Esto es posible solo si el intercambio de calor neto y de trabajo neto entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso para el proceso combinado (original e invertido) los procesos no son reversible,
En realidad los procesos reversibles no suceden en la naturaleza, son meras idealizaciones de los procesos reales. Los procesos reversibles pueden aproximarse por medio de dispositivos reales, aunque nunca pueden alcanzarse.
IrreversibilidadesEntre los procesos que causan irreversibilidades están:
1. La Fricción.2. La expansión libre.3. La mezcla de dos fluidos.4. La transferencia de calor a través de una
diferencia finita de temperatura.5. La resistencia eléctrica.6. La deformación inelástica de sólidos.7. Las reacciones químicas.
Un proceso reversible no incluye ninguno de ellos.
Irreversibilidades
Irreversibilidades
Procesos interna y externamente reversibles
Un proceso es una interacción entre un sistema y sus alrededores, y un proceso reversible no involucra irreversibilidad asociadas con cualquiera de ellos.
Un proceso se denomina Internamente reversible si no hay irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema durante el proceso.
En el transcurso de un proceso internamente reversible, un sistema sigue una serie de estados de equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el sistema pasa exactamente por los mismos estados de equilibrio mientras regresa a su estado inicial.
Procesos interna y externamente reversibles
Las trayectorias de los procesos directo e inverso coinciden en un proceso internamente reversible.
El proceso de cuasiequilibrio es un ejemplo de un proceso internamente reversible.
Un proceso es externamente reversible si no ocurren irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso.
Un proceso es llamado totalmente reversible (reversible), sino incluye irreversibilidades dentro del sistema ni en sus alrededores.
Ciclo de Carnot
Este ciclo fue propuesto por primera vez en el año 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot.
La máquina térmica opera teórica que opera en el ciclo de Carnot se llama la máquina térmica de Carnot.
El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y puede ejecutarse en un sistema cerrado o en uno de flujo estable.
Ciclo de Carnot
