Tema 2

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

ING. JOHANNA KRIJNEN

CONTENIDOCONTENIDO1. Introducción a la segunda ley de la termodinámica.2. Máquinas térmicas (MT)• Concepto• Descripción del ciclo termodinámico.• Eficiencia o rendimiento térmico.• Enunciado de Kelvin Planck3. Máquinas de refrigeración (MR)/ Bomba de calor (BC)• Concepto• Descripción del ciclo termodinámico.• Coeficiente de operación o realización de cada máquina.4. Enunciado de Clausius.5. Procesos reversibles e irreversibles.6. Postulados de Carnot.7. Escalas absolutas de temperatura8. Eficiencia de Carnot9. Eficiencia y coeficiente de operación de Carnot10. Ejercicios de máquinas térmicas y de refrigeración.

¿¿Por quPor quéé unos procesos ocurren en un sentidounos procesos ocurren en un sentidoy no en el contrario?y no en el contrario?

LA SEGUNDA LEY

1) Proporciona los medios para medir calidad (utilidad) de la energía.

2) Establece el criterio de la actuación ideal de los dispositivos en la ingeniería.

3) Determina la dirección de la evaluación de los procesos espontáneos.

4) Establece el estado final de equilibrio en los procesos espontáneos.

5) Establece los parámetros para medir las perdidas en los procesos energéticos.

6) Conduce a la escala termodinámica de temperatura la cual es independiente de la sustancia utilizada en la medida.

Una tasa de café caliente no se pondrá mas caliente en una habitación fría.

SEGUNDO PRINCIPIOTodo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio

20ºC25ºC?

El tiempo va en una dirección

.

? ?

ESPONTANEIDAD.NECESIDAD DE UNA SEGUNDA LEY.

Cambio espontáneo: Aquél que tiende a ocurrir sinnecesidad de ser impulsado por una influencia externa.

¿Se puede explicar la direccionalidad del tiempo,con el primer principio de la Termodinámica?

No

?25ºCT=75ºCT=50ºC

DEPOSITO DE ENERGDEPOSITO DE ENERGÍÍA TA TÉÉRMICARMICA

Un deposito que suministra energía en forma de calor recibe el nombre de fuente, y uno que absorbe energía en forma de calor se denomina sumidero.

Cuerpos de masa moderadamente grandes pueden modelarse como depósitos de energía térmica.

MMÁÁQUINAS TQUINAS TÉÉRMICASRMICASEs un dispositivo que permite trasformar la energía en forma de calor en trabajo. Destacando que existen diferencias considerables entre ellas, pero con características comunes como:

1) Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos de petróleo, reactores nucleares, etc).

2) Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de un eje en rotación).

3) Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etc).

4) Funciona en un ciclo.

cedsum

cedsumsalnet

cedsumsalnet

QQQQW

QQW

f

&&& −=

−=

,

,

salnetW ,

cedQ

sumQ

EFICIENCIA TEFICIENCIA TÉÉRMICARMICASolo una parte del calor transferido a la maquina es convertida en trabajo. Esta fracción de energía transformada es una medida del rendimiento de una maquina, conocida como eficiencia térmica y se denota . tη

entra

salenetot Q

WrequeridaEntradadeseadaSalidaienton ,dimRe =⇒= η

Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así:

entra

sale

entra

saleentra

entra

salenetot Q

QQ

QQQ

W−=

−== 1,η

La notación para el calor de entrada y salida se estable como:

H

Lt Q

Q−=1η Donde;

:HQ Magnitud del calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura HT

:LQ Magnitud del calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura LT

La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. Estos dispositivos están provisto de cuatros elementos básicos que conforman el ciclo termodinámico por lo cuales circula el fluido de trabajo (refrigerante).

MMÁÁQUINA FRIGORIFICAQUINA FRIGORIFICA

1) Compresor: El refrigerante entra como vapor saturado y se comprime a la presión del condensador.

2) Condensador: El refrigerante sale del compresor a una temperatura relativa alta y se enfrían y condensa conforme fluye por el serpentín liberando calor hacia el medio exterior.

3) Válvula: El refrigerante sale del condensador y entra en la válvula donde su presión y su temperatura desciende drásticamente, debido a la estrangulación.

4) Evaporador: El refrigerante entra al evaporador donde absorbe calor del espacio refrigerado evaporándose y luego repetir el proceso.

Ing. Caracciolo Gómez

MMÁÁQUINA FRIGORIFICA COMPONENTESQUINA FRIGORIFICA COMPONENTES

Coeficiente de operación:

La eficiencia de un refrigerador se expresa en termino de coeficiente de actuación y se denota con . Debido al principio de funcionamiento de los refrigeradores la definición plantea:

RCOP

entraneto

LR W

QrequeridaEntradadeseadaSalidaCOP

,

==

Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así:

11

−=

−==

LHLH

L

neto

LBC QQQQ

QWQCOP

RCOPEl puede ser mayor que la unidad debido a que la cantidad de calor absorbido puede ser mayor que el trabajo de entrada.

MMÁÁQUINA FRIGORIFICAQUINA FRIGORIFICA

El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura, lo cual se consigue al absorber el calor de una fuente de baja temperatura, como el agua o aire frió. Utilizando como fluido de trabajo refrigerante y un mismo ciclo con propósito distintito.

Coeficiente de actuación:La medida del funcionamiento de una bomba de calor se expresa también en términos del coeficiente de actuación, y se denota por . Su definición plantea que:BCCOP

entraneto

HBC W

QrequeridaEntradadeseadaSalidaCOP

,

==

Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así:

HLLH

H

neto

HBC QQQQ

QWQCOP

−=

−==

11

1fBCCOP

BOMBA DE CALORBOMBA DE CALOR

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLESPROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLESProceso reversible:Es el que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores; tanto el sistema y los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor neto y de trabajo neto entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado.

Proceso irreversible:Los procesos que no son reversibles se conocen como irreversibles y los factores que los causan son: La fricción, la expansión libre, la mezcla de dos fluidos, la transferencia de calor a través de un diferencia finita de temperatura, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de los sólidos y las reacciones químicas.

Expansión libre del gas.

Transferencia de calor.

Péndulo sin fricción.

Compresión y expansión en cuasiequilibrio de un gas.

CICLO DE CARNOTCICLO DE CARNOTEl ciclo reversible mas conocido es el ciclo Carnot, propuesto por primera vez en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. Este ciclo esta compuesto por cuatro procesos reversibles, dos isotérmico y dos adiabático, los cuales pueden ejecutarse en un sistema cerrado o en uno de flujo estable.

Expansión isotérmica reversible:Proceso 1-2, constante.=HT

Expansión adiabática reversible:Proceso 2-3, disminuye de LH TaT

Compresión isotérmica reversible:

Proceso 3-4, constante.=LT

Compresión adiabática reversible:Proceso 4-1, aumenta de HL TaT

CICLO DE CARNOT INVERSOCICLO DE CARNOT INVERSOEsta vez, el ciclo permanece exactamente igual, excepto en que la dirección de cualquier interacción de calor y trabajo están invertidas: se absorbe calor en una cantidad de del deposito de baja temperatura, y se desecha calor en la cantidad de en un deposito de alta temperatura. Para lograr todo esto se requiere una entrada de trabajo

LQHQ

entranetoW ,

Las descripción del comportamiento termodinámico de estos ciclos se presenta mediante diagramas P-V.

Diagrama P-V del ciclo de Carnot Diagrama P-V del ciclo de Carnot inverso

ESCALA TERMODINESCALA TERMODINÁÁMICA DE TEMPERATURAMICA DE TEMPERATURASegún Carnot la eficiencia se puede plantear como y también puede expresarse como:

( )BAt TTf ,=η

entraA

entraB

entraA

saleBentraA

entra

salenett Q

QQ

QQQ

W

,

,

,

,,, 1−=−

==η

Por lo que se establece:

( ) ( )BABAentraA

saleB TTTTfQQ

,,1,

, ψ≡−=

Donde y son funciona arbitrarias. La única forma de la función matemáticamente aceptable es:

( )Tf ( )Tψ ( )Tψ

( ) ( )( )

( )( )B

A

entraA

saleB

B

ABA Tg

TgQQ

TgTgTT =⇒=

,

,,ψ

Donde es un función arbitraria, simplificando se tiene:( )Tg

( )( )B

A

entraA

saleB

TT

QQ

=,

, Escala de Kevin de temperaturas absolutas

MAQUINA TMAQUINA TÉÉRMICA CARNOTRMICA CARNOTLa maquina térmica hipotética que funciona con el ciclo reversible de Carnot se llama maquina térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier máquina térmica, reversible o irreversible, esta dada por:

H

Lt

H

Lt T

TQQ

−=⇒−= 11 ηη

Las eficiencias térmicas de maquinas térmicas reales y reversible que operan entre los mismos límites de temperatura se comparan de la manera siguiente:

⎪⎩

⎪⎨

⎧

==

revt

revt

revt

t

,

,

.,

ηηη

ηf

p Máquina térmica irreversible.

Máquina térmica reversible.

Máquina térmica imposible.

REFRIGERADOR Y BOMBA DE CALOR DE CARNOTREFRIGERADOR Y BOMBA DE CALOR DE CARNOTUn refrigerador o una bomba de calor que operen en un ciclo de Carnot invertido se llama un refrigerador de Carnot, o Bomba de calor de Carnot. El coeficiente de funcionamiento de cualquier refrigerador o bomba de calor, reversible o irreversible esta dado por:

11

11

−=⇒

−=

LHR

LHR TT

COPQQ

COP

HLBC

HLBC TT

COPQQ

COP−

=⇒−

=1

11

1

Los coeficientes de funcionamiento de refrigeradores reales y reversibles que funcionen entre los mismos limites de temperaturas pueden compararse con los siguientes:

⎪⎩

⎪⎨

⎧

==

revt

revt

revt

t

,

,

.,

ηηη

ηf

p Refrigerador irreversible.

Refrigerador reversible.

Refrigerador imposible.