Capítulo 5: La segunda ley de la termodinámica.

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1 Capítulo 5: La segunda ley de la termodinámica.

2 5.1 Introducción Por qué es necesario un segundo principio de la termodinámica? Hay muchos procesos en la naturaleza que aunque son compatibles con la conservación de la energía no tienen lugar de forma espontánea. Además, la primera ley no establece ninguna diferencia entre calor y trabajo, sin embargo no es lo mismo convertir trabajo en calor que al contrario. De este modo, es necesario introducir un nuevo principio de la termodinámica que complemente la ley de conservación de la energía. Algunas definiciones Depósito de energía térmica o foco térmico: cuerpo con una gran capacidad de energía térmica (masa x calor específico) que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufra ningún cambio de temperatura. Ejemplos: océanos, mares, la atmósfera, hornos industriales, etc. Fuente: depósito o foco que suministra energía en forma de calor. Sumidero: depósito o foco que absorbe energía en forma de calor.

3 5.2 Máquinas térmicas Máquina térmica: dispositivo que convierte calor en trabajo. Las máquinas térmicas difieren considerablemente unas de otras, pero todas se caracterizan por: Alta temperatura FUENTE 1. Reciben calor de una fuente de alta temperatura. 2. Convierten parte de este calor en trabajo. 3. Liberan calor en un sumidero de baja temperatura. 4. Operan en un ciclo. MÁQUINA TÉRMICA Q en W neto, sal Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el cual el calor se transfiere energía mientras se somete a un ciclo: fluido de trabajo. Q sal Baja temperatura SUMIDERO

4 Esquema de una planta de vapor para generar energía. 5.2 Máquinas térmicas Fuente de energía (como un horno) Frontera del sistema Caldera W en Bomba Turbina W sal Condensador Sumidero de energía (como en la atmósfera)

5 Rendimiento o eficiencia térmica: 5.2 Máquinas térmicas ε W net Qsal =1 Q Q en en Obviamente 0 ε 1. Una máquina térmica perfecta ε = 1. Enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica: Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor de un solo depósitio y producir una cantidad neta de trabajo. Es decir, para mantenerse en operación una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura como con una fuente de alta temperatura. Este enunciado también puede expresarse como: ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica del 100%.

6 5.3 Refrigeradores y bombas de calor El objetivo de un refrigerador es extraer calor Q L de un espacio Que se desea enfriar. Ambiente caliente a T H > T L Balance de energía: W neto = QL H Q < Eficiencia o coeficiente de operación: 0 Entrada requerida neto, en η Q W L neto = Q H QL Q L Salida deseada Observe que η puede ser mayor que 1. Valores típicos: η = 5 6. Espacio refrigerado frío a T L

7 Componentes básicos de un sistema de refrigeración y sus condiciones típicas de operación. 5.3 Refrigeradores y bombas de calor Medio circundante como el aire de la cocina CONDENSADOR VÁLVULA DE EXPANSIÓN COMPRESOR W neto,ent EVAPORADOR Espacio refrigerado

8 5.3 Refrigeradores y bombas de calor El objetivo de una bomba de calor es suministrar calor Q H en un espacio más caliente. Espacio calentado más caliente a T H > T L Salida deseada Rendimiento de una bomba de calor: ε B = Q W H neto = Q Q H Q H L neto, sal Entrada requerida valores típicos: 2-3. Ambiente frío a T L

9 5.3 Refrigeradores y bombas de calor Enunciado de Clausius de la segunda ley de la termodinámica: Es imposible construir un dispositivo que opera 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. En definitiva, este enunciado nos dice que no es posible transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente sin realizar un trabajo a cambio. η <

10 5.3 Refrigeradores y bombas de calor Prueba de que la violación del enunciado de Kelvin-Planck conduce a la violación del de Clausius. Depósito de alta temperatura a T H Depósito de alta temperatura a T H Q H Q H + Q L Q L MÁQUINA TÉRMICA η t = 100% W neto = Q H REFRIGE- RADOR REFRIGE- RADOR Q L Q L Depósito de baja temperatura a T L a) Un refrigerador que es accionado por una máquina térmica 100% eficiente Depósito de baja temperatura a T L b) El refrigerador equivalente

11 5.4 Procesos reversibles e irreversibles Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin modificar el entorno, es decir, tanto el sistema como los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto sólo es posible si el intercambio de calor y trabajo neto entre el sistema y el entorno es cero para el proceso combinado (original e invertido). Los procesos que no son reversibles son conocidos como irreversibles. En realidad, los procesos reversibles no suceden en la naturaleza. Son meras idealizaciones cuyo interés se debe a: (1) son fáciles de analizar gracias a que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio y (2) sirven como modelos ideales con los cuales pueden compararse los procesos reales. Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades. Entre ellos están la fricción, la expansión libre de un gas, la mezcla de dos gases, la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperaturas, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos produce un proceso irreversible.

12 5.5 El ciclo de Carnot Primer principio de Carnot: el rendimiento de una máquina térmica irreversible es siempre menor que el rendimiento de una reversible que opera entre los mismos dos focos térmicos. Segundo principio de Carnot: todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos focos tienen el mismo rendimiento. Demostración del primer principio de Carnot. MT irreversible Depósito de alta temperatura a T H MT (o R) reversible MT + R combinado (supuesto) Depósito de baja temperatura a T L Depósito de baja temperatura a T L a) Una máquina térmica reversible y una irreversible que operan entre los mismos dos depósitos (la máquina térmica reversible se invierten después para funcionar como un refrigerador) b) El sistema combinado equivalente

13 Ejecución del ciclo de Carnot en un sistema cerrado. 5.5 El ciclo de Carnot Fuente de energía a T H T H = const. (1) (2) Sumidero de energía a T L T H = const. (4) (3) Q H Q L a) Proceso 1-2 a) Proceso 3-4 (2) (3) (1) (4) T H T H TL T L a) Proceso 2-3 a) Proceso 4-1

14 5.5 El ciclo de Carnot Rendimiento de la máquina de Carnot: Diagrama P-V del ciclo de Carnot. ε Carnot = 1 T T L H neto, en

15 5.5 El ciclo de Carnot Eficiencia de un refrigerador de Carnot: Diagrama P-V del ciclo inverso de Carnot. η Carnot = T H T L T L

16 5.5 El ciclo de Carnot Ningún refrigerador puede tener un COP (η) más elevado que un refrigerador reversible que opere entre los mismos límites de temperatura. Ambiente caliente a T H = 300 K Refrigerador reversible COP R = 11 Refrigerador irreversible COP R = 7 Refrigerador imposible COP R = 13 Espacio refrigerado frío a T L = 275 K