Termodinámica y Mecánica de Fluidos T3.- SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Grados en Ingeniería Marina y Marítima

Transcripción

1 ermodinámic y Mecánic de Fluidos.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Grdos en Ingenierí Mrin y Mrítim..- Segundo Princiio de l ermodinámic Ls trsrencis son el mteril de oyo del rofesor r imrtir l clse. No son untes de l signtur. Al lumno le ueden serir como guí r recoilr informción (libros, ) y elborr sus roios untes ertmento: Are: Ingenierí Eléctric y Energétic Máquins y Motores érmicos CARLOS J RENEO renedoc@unicn.es eschos: ESN 6 / ESII S- 8 htt://ersonles.unicn.es/renedoc/index.htm lfn: ESN 9 0 / ESII ermodinámic y Mecánic de Fluidos.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Grdos en Ingenierí Mrin y Mrítim..- Segundo Princiio de l ermodinámic Objetios: En este tem se resent el Segundo Princiio de l ermodinámic: degrdción de l energí, tnto en los rocesos cíclicos como en los no cíclicos. Se introducen los concetos de Entroí, ergí y el Análisis ergético. odo ello está encmindo determinr l eficienci, o ineficienci, de un roceso

2 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Segundo Princiio en Procesos Cíclicos.- Segundo Princiio en Procesos no Cíclicos.- Cálculo de ergís.- Eficienci de un Proceso Energético.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (I) S.P.. es l egrdción de l Energí El clor,, osee un rte de exergétic, (), y otr de nergétic An() () An() Cundo un sistem recibe clor, un rte es nergí (todo, si es el medio mbiente quien le recibe) od l exergí de electricidd que se trnsform en clor se destruye.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (II) Un Motor érmico (M..) trnsform en Si fuer reersible serrí l () delan() El M.. recibe, de un foco cliente ( ), de l () recibid extre L An() recibid más An gen (irreersibiliddes) ls cede en form de clor, unfocofrío (< ) ( ) An( ) s M.. s Si ( An( ( ) ) ) An( An( ) ) An Gen

3 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (III) Otros enuncidos del SP Kelin Plnk Es imosible roducir un trbjo neto con un motor térmico, en un ciclo comleto, intercmbindo clor solmente, con un cuero un temertur fij Clusius Es imosible construir un máquin, que funcionndo con un ciclo, no roduzc otro efecto, que trnsferir clor desde un cuero otro de myor temertur F.C. F.C. ( C ) Sistem F.F. ( F < C ).- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (IV) El Rendimiento érmico de un ciclo es el cociente entre el trbjo teórico (áre del ciclo) y el clor introducido t t () An() t b< (b) An G An(b) Siemre que s clor de un sistem otro más bj ª se roduce un Irreersibilidd érmic, se destruye exergí, () () An() An() b

4 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (V) Pr que un M.. se reersible, h de tener: reersibilidd interior ( r =0) exterior( m =0) y reersibilidd térmic, ( =0) Requiere que funciones con rocesos cusiestáticos y éstos sen: ortes y cesiones de clor se roduzcn en isoterms que ests tengn l mism que el foco que cede/recibe el clor que los estdos entre isoterms sen trés de dibátics ( = r =0) s s s M..R. s.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (VI) Son PROCESOS IREVERSIBLES Es osible l inersión del Proceso? rnsferenci de clor > = - >0 Si 0: reersible F.C. ( ) F.F. ( < ) Violción del enuncido de Clusius F.C. ( ) F.F. ( < ) Rozmiento = F.C. ( cte) F.C. ( cte) Sistem Violción del enuncido de Kelin Plnk Sistem Proceso no cusiestático Imosible reroducir los estdos del roceso, y que no están definidos

5 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Isoterms Adibátics.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (VII) s = s = = Ciclo de Crnot isoterms y Adibátics (Isoentróics) Isoterms ( = cte), - y - = = s = s q w R ln b R ln b q q q q w w R R ln ln 0, cedido ln 0 Adibátics (s = cte), - y - A B ln ln B A b b ln ln.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Isoterms Adibátics.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (VIII) s = s = = Ciclo de Crnot isoterms y Adibátics (Isoentróics) Rendimiento de Crnot Un motor térmico logrrá un rendimiento máximo si funcion entre dos nieles de temertur con un ciclo reersible Cmbio de orden en el cociente or el signo negtio = = s = s A B A B ln ln ln ln B A B A ln ln en K

6 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Isoterms Adibátics.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (IX) s = s = = M.. reersible () Si el F.F. es el mbiente (, ): = = s = s rnsf. dibátic gs erfecto [] b b ; Isoterm gs erfecto [] R Ln b R Ln R Ln.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (X) El Contenido ergético del Clor, f e, se uede elur como: mx t t mx mx () t mx fe () t Clor () An() t mx () () Si l M.. no funcion con el medio mbiente como foco frío, sino con otro otr temertur, se obtiene el Rendimiento de Crnot como: t t(crnot) M. f( y ) M.. Crnot Recordr que ls s se exresn en K

7 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (XI) t(crnot) crnot = 0 ºC = 5 ºC = 50 ºC (ºC).- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos Cíclicos (XII) t(crnot) Pr que un motor térmico se reersible tiene que trbjr con el ciclo de Crnot Funcionndo como Mquin frigorífic (reerso) F.C. ( ) Sistem F.F. ( < ) si 0 K El Cero bsoluto no se uede conseguir

8 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Clculr l del clor l slir de un sistem cuy temertur es de 750 K si el mbiente está 00 K Clculr l del clor l slir de un sistem cuy temertur es de.500 K si el mbiente está 00 K.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA A cost de su u un sistem cerrdo uede dr y or serdo o l ez (tmbién uede recibirlo); nlizr que ocurre con l y l An

9 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Un motor térmico reersible en el que el fluido cede 80 kj/min un fuente frí 7ºC tiene un rendimiento del 60%. Clculr l temertur del foco cliente y l otenci del motor.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos no Cíclicos (I) L en el so de entre dos sistems isotermos y : () An() An() An() An() An Recordr que: en K l l ( - ) l (. )

10 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos no Cíclicos (II) Si ls temerturs de los sistems son ribles: (Ej: en un isóbr) d d Ls integrles sólo se ueden resoler si son conocids ls trnsformciones (olitróic de exonente conocido) Si sólo se conocen el estdo inicil y finl, hy que utilizr l Entroí, S [J/K] Es un roiedd extensi, s [J/(kgK)] L Entroí, S es un mgnitud que mide l rte de l energí que no se uede utilizr r roducir trbjo dq s No deende de l trnsformción Culquier cmino que un dos estdos tiene l mism entroí s s s dq.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos no Cíclicos (III) Culquier trnsformción reersible ( r = 0) en un gs erfecto, si c y c ctes: s s s [] dq dwr dh d dq s s c Ln R Ln s s s [] dq dq dwr du d s s c Ln R Ln

11 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos no Cíclicos (IV) L exergí destruid,, h de ser igul l incremento de nergí, An, o lo que es lo mismo, l nergí generd, An G : An An G Y se uede clculr en función de entroí, S, como d d S d (S S ) S S G An G S G.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos no Cíclicos (V) En un sistem dibático ( = 0) S no uede disminuir, sólo umentr si se gener un irreersibilidd ( r ) An S S G G En ls trnsformciones dibátics = r =0,lS no cmbi s dq Adibátic Isoentróic (s cte) En un sistem: S disminuye si cede clor (trss An y ést disminuye) Clor () An() S umentr cundo recibe clor (recibe An) S ument cundo se roduce en su interior or un irreersibilidd

12 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- S do Princ. en Procesos no Cíclicos (VI) El P.P.. se uede exresr en función de s, cuy rición deende del clor tomdo o cedido y del trbjo de rozmiento s dq dq dw ds r ds dq dw r q w r ds dq dwr du d ds du d ; ds u u d [] dq dwr dh d ds dh d ; ds h h d An G S G.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Hllr l del y l en un intercmbio térmico cundo = 00 K ) cundo = 700 K y = 600 K b) cundo = 00 K y = 00 K

13 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Hllr l cundo = 00 K y recibe r un sistem cuy es de: ) S =.000 K b) S = 600 K c) S = 00 K.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Cálculo de ergís (I) El desequilibrio de un sistem resecto del medio mbiente uede ser térmico (temertur), mecánico (resión), o químico El trbjo máximo que se uede obtener de un sistem es su exergí, que en un sistem cerrdo siemre es ositi ( 0) El contenido exergético del clor que s de un sistem,, otro,, es: Clor () An() An S () S S L exergí, ex u, o el trbjo útil que se uede obtener de un sistem es: ex u (u u ) (s s ) ( ) u -A() - encer El contenido exergético de l entlí es: (exergí entálic) ex h (h h ) (s s ) h -A()

14 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Cálculo de ergís (II) Estdo muerto H es un lor de referenci, l más usul el ermodinámic es 0ºC y br En ocsiones, como en sicrometrí, se suele referencir 0ºC y br s ex s h (h h ) (s s ) c c dh d ln c (, ) R ln ex h c ( ) c ln con y [] Ley Joule: En los gses erfectos Si = u = u y h = h R ln Si X ( 00) 00 ln 00 con con.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Cálculo de ergís (III) [] c Energí de un flujo : h L energí cinétic es 00% exergétic L exergí de un flujo, ex f,es: ex f c ex L h sólo tiene un rte exergétic: ex (h h ) (s s ) h

15 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Cunt ccidd de relizr trbjo útil se ierde en el condensdor de un centrl l que entr or de gu con un título del 85% y 5 kp y sle gu igul resión Vol. esecifico Energí intern Entlí Entroí m / kg kj / kg kj / kg kj / kg K Liquido Vor Liquido Vor Liquido L-Vor Vor Liquido Vor em, Presión st, st, st, st, st, oriz, st, st, st, ºC br f x 0 g u f U g h f h fg h g s f s g 0,050,005 8,0 8, 0,7 8,, 56,7 0,78 8,97 Presión em, st, st, st, st, st, oriz, st, st, st, br ºC f x 0 g u f U g h f h fg h g s f s g 0,0 8,96,000,800,5 5,,6,9 55, 0,6 8,76 0,06 6,6,006,79 5,5 5,0 5,5 5,9 567, 0,50 8,0 5 kp P 0,05 br.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA Suoniendo que ls cciddes clorífics no rín con l temertur, clculr r qué resiones l exergí entálic de un flujo de ire result negti, cundo l temertur del mismo se de: ) = =0ºC b) = 00 ºC

16 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Eficienci de un Proceso ergético (I) L rte útil de l energí r generr es l exergí, l nergí no es útil El nálisis exergético de los rocesos ermite otimizrlos El Rendimiento ergético,, es el cociente entre l exergí contenid en l utilidd desed del equio nlizdo, P, y l exergí emled r conseguirlo, F P F F F F Hy que definir P y F, or ejemlo, los humos de esce de un chimene ueden tener lgún contenido energético que no se roechble Pr equios de un solo flujo se define como el cociente entre l exergí sliente, s y l entrnte, e s e El Coste ergético es l iners de El unitrio, k se define: F F k P F.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Eficienci de un Proceso ergético (II) Los igrms de Flujo ofrecen un isión gráfic de los blnces energéticos y exergéticos Pr un intercmbidor de clor: t t H H E E t t H H E Ed E P F Energético ergético

17 .- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA.- Eficienci de un Proceso ergético (III) Pr un turbin de gs o or: E H t Ed E P F t H ergético Energético En un centrl térmic hy multitud de equios El nálisis uede tener en cuent un único elemento, rios, o el conjunto.- SEGUNO PRINCIPIO E LA ERMOINAMICA En un intercmbidor de clor entr ire 600 K y sle 850 K. El otro flujo es gs que entr.000 K. Ls corrientes son de 90 kg/s, ls resiones de entrd de br, y no hy cíd de resión en el intercmbidor. Suoniendo nuls ls érdids térmics, ls roieddes del ire, y el estdo muerto 00 K y br, clculr: ) slid de los gses b) Vrición de exergí en cd flujo c) L or unidd de tiemo