5_2ª LEY DE LA TERMODINÁMICA

Transcripción

1 5_2ª EY DE A ERMODINÁMICA 5. DIRECCIÓN DE OS PROCESOS 5.2 FOCOS, DEPÓSIOS O BAÑOS 5.3 MÁUINAS ÉRMICAS 5.4 REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CAOR 5.5 PROCESOS REVERSIBES Y PROCESOS IRREVERSIBES 5.6 CICO DE CARNO 5.7 ESCAA ERMODINÁMICA DE EMPERAURAS 5.8 MÁUINA ÉRMICA DE CARNO

2 5. DIRECCIÓN EMPORA DE OS PROCESOS EXPERIENCIA:

3 Dos consecuencias empíricas y el sentido de evolución de los procesos: baja baja PROCESO PROCESO alta alta ay procesos que sólo pueden seguirse en una dirección y no en la opuesta!!! AUNUE O PERMIA A PRIMERA EY DE A ERMODINÁMICA!!! El objeto de la segunda ey termodinámica es establecer la posible evolución de un proceso.

4 5.2 FOCOS, DEPÓSIOS O BAÑOS DEFINICIONES: Baño, depósito o foco: Sistema capaz de intercambiar energía térmica sin modificar su temperatura. os baños, depósitos o focos se llaman fuentes o sumideros dependiendo de si suministran o adsorben energía. Por su definición los baños, depósitos o focos deberían son sistemas de gran tamaño o gran capacidad calorífica. ambién son baños, depósitos o focos artilugios que en alguna forma se mantienen a temperatura constante como los hornos. ambién son baños, depósitos o focos los sistemas que sin ser grandes puede considerase como tales de forma relativa.

5 5.3 MÁUINAS ÉRMICAS MAUINA ÉRMICA proceso cíclico Ejemplo de una central eléctrica CADERA BOMBA CONDENSADOR URBINA Dos advertencias: * El fluido que sigue el ciclo es el mismo en la central eléctrica, pero no tiene porque ser así como ocurre en los motores de combustión como veremos más adelante. * Por definición, y se toman como cantidades positivas U CICO:

6 U RENDIMIENO CICO: Energía _ Deseada η Coste _ Energético 0!!! η < ORIGEN DE A PÉRDIDA DE FRICCIÓN técnicamente evitable. 2a EY: desgraciadamente INEVIABE Enunciado de Kelvin-Planck de la 2ª ey: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir trabajo y no ceder nada de calor a un baño frío. η

7 5.4 REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CAOR máquinas térmicas en sentido opuesto + 800kPa 30ºC EVAPORADOR 800kPa 60ºC > Refrigerador y bomba de calor. 20kPa -25ºC VÁVUA COMPRESOR CONDENSADOR 20kPa -20ºC Rendimiento η COP COP R BC Energía _ Deseada Coste _ Energético Energía _ Deseada Coste _ Energético Coeficientes de OPeración: / / COP > 0 R COP BC > COP BC COPR + Enunciado de la 2ª ey de Clausius: COP R Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin gasto de trabajo. COP BC

8 Refrigeradores y acondicionadores de aire: COP R Energía _ Deseada Coste _ Energético / Coeficiente de Eficiencia Energética Coeficiente de Eficiencia Energética USA: COP R CEE Btu Vatios hora Energía térmica: Btu British thermal unit.055 kj Btu h J / s 3600s 3600J 3600J 3. 42Btu 055J COP R kh CEE 3.42 kh Valores usuales: COP R 2-4 o CEE 8-2 Valores usuales: COP BC 2-3

9 Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir trabajo y no ceder nada de calor a un baño frío. Enunciado de Clausius: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin gasto de trabajo. Equivalencia entre los dos enunciados: + η00%

10 Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir trabajo y no ceder nada de calor a un baño frío. Enunciado de Clausius: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin gasto de trabajo. Equivalencia entre los dos enunciados: - Movimientos perpetuos de primera y segunda especie: máquinas que violan el primer o el segundo principio de la termodinámica

11 5.5 PROCESOS REVERSIBES Y PROCESOS IRREVERSIBES PROCESOS REVERSIBES: OS UE SE RECORREN A RAVÉS DE SUCESIVOS ESADOS DE EUIIBRIO Y UE POR ANO SE PUEDEN VOVER A RECORRER EN SENIDO OPUESO A RAVÉS DE ESOS MISMOS ESADOS DE EUIIBRIO, ANO DE SISEMA COMO DE RESO DE UNIVERSO. IRREVERSIBES: OS UE NO SON REVERSIBES. Observaciones No olvide que siempre tenemos el sistema y el resto del universo. Ningún proceso real es reversible. a irreversibilidad suele estar ligada a la violencia del proceso y exigen mayor cantidad de trabajo cuando lo damos o generan menor cantidad de trabajo cuando lo recibimos!siempre en contra nuestra! Reducen el rendimiento de cualquier dispositivo termodinámico.

12 os procesos reversibles son infinitamente lentos. El proceso pasa por sucesivos estados de equilibrio los cuales, estrictamente, se alcanzan en un tiempo infinito. os procesos irreversibles también pueden ser lentos. A I S < A N E

13 Un sistema puede volver al estado inicial en un proceso irreversible PERO el resto del universo, inevitablemente, ha cambiado. P P SISEMA V RESO UNIVERSO V En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el sistema que estamos estudiando haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuesto para volver al estado inicial y no el resto del universo; estos procesos se llaman internamente reversibles, el proceso sigue siendo irreversible. P SISEMA P RESO UNIVERSO V V

14 En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el resto del universo haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuesto para volver al estado inicial y no el sistema; estos procesos se llaman externamente reversibles, el proceso sigue siendo irreversible. os baños suelen verificar esta condición. ay procesos que son a la vez internamente y externamente reversibles y aún son procesos totalmente irreversibles. Un ejemplo es el caso mencionado de la transferencia de energía térmica entre dos sistemas con un aislante. Podemos tratar de hacer los procesos lo menos irreversibles posible; en los procesos reversibles es relativamente fácil evaluar cualquier variable termodinámica, sirven para compararlos con los sistemas reales y sacar consecuencias para mejorar el rendimiento de estos. El procedimiento para hacer a un proceso reversible es realizar lentamente trabajo proceso cuasi-estático y disponer de muchos baños térmicos para hacer los intercambios de calor poco a poco. Un proceso estrictamente reversible necesita producir trabajo de una manera infinitamente lenta y disponer de infinitos baños térmicos. En principio se podría tender a mejorar los rendimientos haciendo los sistemas más reversibles pero, además de los problemas técnicos, la potencia sería cada vez menor. No olvide nunca que las propiedades de un estado termodinámico no dependen de cómo se haya alcanzado ese estado, sea mediante un proceso reversible o un proceso irreversible.

15 5.6 CICO DE CARNO P 2 pdv ds V 4 3 S

16 P V 4 3 S Observaciones: Ciclo reversible por definición Máquina érmica Refrigerante Bomba de calor

17 Principios de Carnot: odas las maquinas térmicas que sigan un proceso reversible entre los mismos baños térmicos tienen igual rendimiento. El rendimiento de una máquina térmica que siga un proceso irreversible entre dos baños térmicos es menor que el rendimiento de cualquier máquina térmica que siga un proceso reversible entre los dos mismos baños - R I-R IRREV I REV -R I< R R - R I- R η REV > η IRR

18 ESCAA ERMODINÁMICA DE EMPERAURAS er. Principio de Carnot, REV η η η, f,,, f f f ,,, f f f, b a b a F F f b a b a F F b a b a F F KEVIN Además se ha impuesto que el punto triple del agua 0.0ºC le correspondan 273.6K, así KºC y ºCK b a b a

19 5.8 MÁUINA ÉRMICA DE CARNO η General Para una máquina de Carnot O cualquier otra REVERSIBE η REV > η IRR REV REV > IRR η η IRR CAIDAD Y DEGRADACIÓN DE A ENERGÍA: - pequeño - grande >> η pequeño de poca calidad η grande de gran calidad IMIES DE OS COPs COP COP R BC < / / < / /

20 MÁUINA ÉRMICA Cíclica Eficiencia RESUMEN E _ útil E _ consumida Eficiencia η,cop,... ª ey: Definición : REFRIGERADOR O BOMBA DE CAOR Cíclica η REVERS : COP COP R BC / / / /

21 Ejemplo 5 MAUINA ÉRMICA: η24% Potencia48.47 k Valor calorífico del combustible 449 kj/kg PREGUNA: consumo kg/seg? Consumo m m ValorCalorífico m / ValorCalorifico / 449kJ / kg η k η Consumo kg / hora

22 Ejemplo 6 BOMBA DE CAOR de COP2.5, casa 20ºC, exterior -2ºC Pérdidas en la casa 80000kJ/hora ' 80000kJ / hora calle 2º C casa 20º C PREGUNAS: potencia?? ' k COP COP kJ / hora COP PREGUNA: ué pasaría si la bomba fuera reversible? COP / / ' k COP COP PREGUNA: ué pasaría si se hubiese utilizado un calentador eléctrico? ' 80000kJ / hora calle 2º C casa 20º C Energía _ Deseada Coste _ Energético ' k

23 Ejemplo 7 652ºC 500kJ MAUINA DE CARNO ÉRMICA: PREGUNA: Rendimiento?? a máquina de Carnot es reversible: η ºC kJ PREGUNA: ué pasa con el rendimiento si bajamos la temperatura del foco caliente? fija η

24 Ciclo Carnot Secondaw Brig Klyce Carnot Cycle eat Engine hers/3-3/index.html