Procesos reversibles e Irreversibles

Transcripción

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2 Procesos reversibles e Irreversibles Contenido Cuasi equilibrio Trabajo Reversibilidades y Disponibilidad Ciclo de Carnot

3 Cuasi equilibrio Estudiaremos el proceso de cuasi-equilibrio que se produce en situaciones en las que se presenta trabajo por acción de la frontera móvil de un sistema.

4 Cuasi equilibrio Supuestos: La presión es uniforme No se considera la gravedad Se asumen una serie de etapas en cuasi-equilibrio

5 Análisis Cuasi equilibrio

6 Cuasi equilibrio El trabajo es una función de paso o camino y su diferencial es inexacta Nunca se evalúa una variable inexacta en función de sus estados finales e iniciales Se asume P constante en cada incremento de volumen

7 Cuasi equilibrio Demostración 1: Dada la definición de trabajo determine las relaciones para trabajo cuasi-equilibrio en procesos a V, T y P constantes. Demostración 2: Repita el ejercicio anterior para un proceso politrópico

8 Ejercicios 1. Un kg de vapor con 20% de calidad es calentado a presión constante de 200kPa hasta alcanzar la temperatura de 400C. Determine el trabajo realizado

9 Ejercicios 2. Un cilindro de 110mm de diámetro contiene 100ml de agua a 60C. Se asienta un pistón sobre el agua, el cuál pesa 50kg y se añade calor de manera que se alcanza la temperatura de 200C. Determine el calor realizado

10 Ejercicios 3. Se añade energía a un sistema cilindro pistón. Súbitamente el pistón es retirado de manera que el producto PV se mantiene constante. Considere P1 = 200kPa, V1 = 2 m 3 y P2 = 100kPa. Calcule el trabajo realizado por el gas

11 No cuasi equilibrio El área en un diagrama Pv representa únicamente el trabajo de un proceso de cuasi equilibrio. Para procesos de no cuasi equilibrio, no se utiliza la relación PdV. En esos casos se recurre a otros medios o relaciones para calcular el trabajo.

12 Análisis No cuasi equilibrio

13 Ejercicios 4. Una masa de 100 kg cae una altura de 3m, lo que genera un aumento en el volumen en el cilindro de 0.002m 3. El peso del pistón mantiene una presión barométrica de 100kP. Determine el trabajo neto realizado por el gas a los alrededores

14 Proceso reversible Es un proceso que una vez ocurrido, puede ser revertido y esta acción, de reversión, no deja cambios en el sistema o en los alrededores. Estos procesos deben desarrollarse en condiciones de cuasi equilibrio y se somete a las siguientes condiciones:

15 Proceso reversible No existe fricción La transferencia de calor se realiza a través del diferencial infinitesimal de temperatura No se presentan expansiones incontroladas No se producen mezclas No se producen turbulencias No se genera combustión

16 Eficiencia de Segunda Ley Es la relación entre el trabajo producido por una máquina real y una reversible ideal, o viceversa, según sea el caso Analice las relaciones

17 Irreversibilidad Se define como la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real Tanto este concepto como la eficiencia de segunda ley nos indican el desempeño de un proceso termodinámico

18 Disponibilidad Se define como la cantidad máxima de trabajo reversible que puede ser extraído de un sistema

19 Ciclo de Carnot La descripción del ciclo abarca: Componentes del ciclo El desarrollo de la eficiencia térmica Demostraciones Concepto de perfección

20 Ciclo de Carnot Supuestos asumidos Se dispone de una fuente de energía que entrega calor a temperatura constante Se dispone de un sumidero de energía que recibe calor a temperatura constante Se produce una cantidad de trabajo neta El fluido de trabajo es una mol de gas ideal

21 Ciclo de Carnot 1-2 Expansión isotérmica reversible. 2-3 Expansión adiabática reversible. 3-4 Compresión isotérmica reversible. 4-1 Compresión adiabática reversible.

22 Ciclo de Carnot (1) (2) (4) (3) Fuente de energía a T H T H = const. Sumidero de energía a T L QL T L = const. Q H a) Proceso 1-2 c) Proceso 3-4 Aislamiento T H T L (2) (3) Aislamiento T H T L (1) (4) d) Proceso 4-1 b) Proceso 2-3

23 3. Ciclo de Carnot La The image cannot eficiencia be displayed. Your computer may not have enough memory térmica to open the image, or the image may have been se corrupted. representa Restart your computer, and then open the file again. If the red x por: still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Dado que se trata de un ciclo se puede decir: The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Entonces: The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

24 3. Ciclo de Carnot Balance de energía paso 1-2 Balance de energía paso 3-4

25 3. Ciclo de Carnot Procesos adiabáticos reversibles Luego

26 3. Ciclo de Carnot Interpretación de los resultados La eficiencia del Ciclo de Carnot no depende de la naturaleza del fluido (k, Cv,n) sino de (T) reservorios El proceso que describe el ciclo es imaginario y representa el límite de un ciclo real cuando las fuerzas que actúan se aplican infinitesimalmente Lograste entender porque no podemos usar la energía contenida en el aire o en los océanos para generar trabajo!!!!!

27 Ejercicio 1 Una técnica nueva de generación es OTEC (ocean thermal energy conversion), la cual sugiere que se puede aprovechar la diferencia de temperaturas de las capas oceánicas para producir energía eléctrica. Considere una temperatura de reservorio alto de 25C y una de temperatura de reservorio bajo de 10C y determine la máxima cantidad de energía que se puede producir por Joule de calor absorbido y especifique sus asunciones para resolver el problema. Fuente: (Henning S, 2014)

28 Solución 1 Asunciones. Los procesos que componen el sistema son reversibles. Lo cual indica que únicamente el 5% de calor absorbido puede ser convertido en calor. A donde va el resto de calor?

29 4. Entropía La lección del Ciclo Carnot nos dice Las máquinas reversibles son mas eficientes que reales. dq Clausius propone para demostrar la validez T 0 de esta expresión vamos a considerar el siguiente esquema de un sistema reversible:

30 4. Entropía Thermal reservoir T R δ Q R must have Reversible cyclic device δ W rev dq T 0 δ Q T System δ W sys Fuente: (M. Boiles, Y Cengel, 2006)

31 4. Entropía REVERSIBLES IRREVERSIBLE S

32 Bibliografía Cengel, B. (2011). Termodinámica (7 ed.). New York: Mc Graw Hill. DP, T. (1993). Applied Chemical Engineering Thermodynamics. Berlin : Springer - Verlag. MITOpenCurseWare. (2008). Thermodynamics and Kinetics. Retrieved 2016, from Second Law of Thermodyniamics: