SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Transcripción

1 Tema 2 SEGUNDA EY DE A TERMODINÁMICA ING. JOANNA KRIJNEN

2 CONTENIDO 1. Introducción a la segunda ley de la termodinámica. 2. Máquinas térmicas (MT) Concepto Descripción del ciclo termodinámico. Eficiencia o rendimiento térmico. Enunciado de Kelvin Planck 3. 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 temperatura 8. Eficiencia de Carnot 9. Eficiencia y coeficiente de operación de Carnot 10. Ejercicios de máquinas térmicas y de refrigeración.

3 Por qué unos procesos ocurren en un sentido y no en el contrario? A SEGUNDA EY 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.

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

5 SEGUNDO PRINCIPIO Todo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio 25ºC? 20ºC El tiempo va en una dirección.??

6 ESPONTANEIDAD. NECESIDAD DE UNA SEGUNDA EY. Cambio espontáneo: Aquél que tiende a ocurrir sin necesidad de ser impulsado por una influencia externa. Se puede explicar la direccionalidad del tiempo, con el primer principio de la Termodinámica? T50ºC? T75ºC No 25ºC

7 DEPOSITO DE ENERGÍA A TÉRMICAT Cuerpos de masa moderadamente grandes pueden modelarse como depósitos de energía térmica. 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.

8 MÁUINAS TÉRMICAST Es 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) iberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etc). 4) Funciona en un ciclo. W W& net, sal net, sal sum & sum sum f & ced ced ced sum ced W net, sal

9 EFICIENCIA TÉRMICAT Solo 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 η t. Salida deseada Wneto, sale Re ndimiento ηt Entrada requerida Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así: η t W neto, sale entra sale 1 entra entra sale entra entra a notación para el calor de entrada y salida se estable como: ηt 1 : : Donde; Magnitud del calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura T Magnitud del calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura T

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13 MÁUINA FRIGORIFICA a 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). 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.

14 MÁUINA FRIGORIFICA COMPONENTES Ing. Caracciolo Gómez

15 Coeficiente de operación: MÁUINA FRIGORIFICA a eficiencia de un refrigerador se expresa en termino de coeficiente de actuación y se denota con COP R. Debido al principio de funcionamiento de los refrigeradores la definición plantea: COP R Salida deseada Entrada requerida W neto, entra Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así: COP BC W neto 1 1 El COP R puede ser mayor que la unidad debido a que la cantidad de calor absorbido puede ser mayor que el trabajo de entrada.

16 BOMBA DE CAOR 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: a medida del funcionamiento de una bomba de calor se expresa también en términos del coeficiente de actuación, y se denota por COP BC. Su definición plantea que: COP BC Salida deseada Entrada requerida W neto, entra Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así: COP BC W neto 1 1 COP BC f 1

17 PROCESOS REVERSIBES E IRREVERSIBES Proceso 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. Péndulo sin fricción. Compresión y expansión en cuasiequilibrio de un gas. Proceso irreversible: os procesos que no son reversibles se conocen como irreversibles y los factores que los causan son: a 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.

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20 CICO DE CARNOT El 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, T constante. Expansión adiabática reversible: Proceso 2-3, disminuye de T a T Compresión isotérmica reversible: Proceso 3-4, T constante. Compresión adiabática reversible: Proceso 4-1, aumenta de T a T

21 CICO DE CARNOT INVERSO Esta 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 W neto, entra as 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

22 ESCAA TERMODINÁMICA MICA DE TEMPERATURA Según Carnot la eficiencia se puede plantear como η t f ( TA, TB ) y también puede expresarse como: η t W net, sale entra Por lo que se establece: B, sale A, entra 1 f A, entra A, entra B, sale 1 ( T, T ) ψ ( T, T ) A B A B B, entra A, entra Donde f ( T ) y ψ ( T ) son funciona arbitrarias. a única forma de la función ψ ( T ) matemáticamente aceptable es: ψ (, T ) g ( TA ) ( T ) B, sale T A B g B A, entra ( ) g g ( TA ) ( T ) Donde g T es un función arbitraria, simplificando se tiene: B, sale A, entra ( TA ) ( T ) B Escala de Kevin de temperaturas absolutas B

23 MAUINA TÉRMICA T CARNOT a maquina térmica hipotética que funciona con el ciclo reversible de Carnot se llama maquina térmica de Carnot. a eficiencia térmica de cualquier máquina térmica, reversible o irreversible, esta dada por: η t 1 η t 1 T T as eficiencias térmicas de maquinas térmicas reales y reversible que operan entre los mismos límites de temperatura se comparan de la manera siguiente: η t pηt, ηt, f ηt, rev. rev rev Máquina térmica irreversible. Máquina térmica reversible. Máquina térmica imposible.

24 REFRIGERADOR Y BOMBA DE CAOR DE CARNOT Un 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: 1 1 COPR COPR 1 T T 1 COP BC 1 1 COP BC 1 1 T os coeficientes de funcionamiento de refrigeradores reales y reversibles que funcionen entre los mismos limites de temperaturas pueden compararse con los siguientes: T η t pηt, ηt, f ηt, rev. rev rev Refrigerador irreversible. Refrigerador reversible. Refrigerador imposible.