08 tq - segunda ley de la termo

7/21/2019 08 TQ - Segunda Ley de La Termo

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.Ramírez-Navas

Termodinámica

IQ Juan Sebastián Ramírez-Navas, PhD

Universidad Santiago de Cali

Cali – Colombia

2ª Ley de la Termo

IQ Juan Sebastián Ramírez-Navas, PhD

Universidad Santiago de CaliCali – Colombia

CONTENIDO

Termo



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.Ramírez-Navas

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Contenido

2ª Ley de la Termo

Bibliografía recomendada

INTRODUCCIÓN

Termo

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Introducción

CalorCafé

caliente

Una taza de café calienteno se pondrá más aliente

en un cuarto más frío



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.Ramírez-Navas

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Introducción

Calor

La transferencia de calor a

un alambre no generará

electricidad

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Introducción

Calor

La transferencia de calor a

una hélice no ocasionará

que ésta gire

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Introducción

•Ingeniero francés pionero en elestudio de la Termodinámica. Sele reconoce hoy como elfundador de la Termodinámica.

• En 1824 publicó su obramaestra: "Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego ysobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia",donde expuso las ideas quedarían forma al segundo

principio de la termodinámica.Nicolas Léonard Sadi Carnot

(1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832)



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Introducción

• El libro de Carnot indicaba que para que unamáquina térmica produjera trabajo mecánico

continuo, debía intercambiar calor con dos cuerposa diferentes temperaturas, absorbiendo calor del

cuerpo caliente y transfiriéndolo al cuerpo frío.

• Sin un cuerpo frío al que se transfiera calor, lamáquina no puede funcionar continuamente. Esta esla idea esencial de una de las formas de la segundaley de la termodinámica.

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Introducción

• Los proceso toman su curso

en cierta dirección y no en la

dirección inversa.

• La primera ley no restringe la

dirección de un proceso, pero

satisfacerla no asegura que el

proceso ocurrirá realmente.

UN SENTIDO

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Introducción

•

La incapacidad de la primera ley de identificar si unproceso puede llevarse a cabo es remediado al

introducir la segunda ley de la termodinámica.

• La 2ª ley afirma que la energía tiene calidad, así

como cantidad.

• La 1ª ley tiene que ver con la cantidad y la

transformación de la energía de una forma a otra sin

importar su calidad



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Introducción

• Hay varios enunciados equivalentes de la 2ª ley. Por

ejemplo el enunciado de Clausius:

• «Es imposible que un sistema realice un proceso

cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor

hacia el sistema desde una fuente fría y el flujo de

una cantidad igual de calor desde el sistema hacia

una fuente caliente».

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Introducción

• Un enunciado alternativo de la segunda ley es el de

Kelvin-Planck, debido originalmente a William

Thomson y más tarde reformulado por Planck:

• «Es imposible que un sistema realice un proceso

cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor

desde una fuente de calor al sistema, y la

realización por el sistema de una cantidad de

trabajo equivalente sobre el entorno».

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Introducción

• Entendemos por fuente de calor o baño de calor uncuerpo que está en equilibrio interno a una

temperatura constante y que es suficientementegrande como para que el flujo de calor entre él y elsistema no cause un cambio significativo en latemperatura de la fuente.

• La segunda ley dice que es imposible construir unamáquina cíclica que convierta calor en trabajo conun 100% de rendimiento.



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MÁQUINASTÉRMICAS

Termo

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Máquinas térmicas

Agua Agua

Calor

Calor

Trabaja No trabaja

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Máquinas térmicas

• El trabajo es convertible en calor directa ycompletamente, pero convertir el calor a trabajo

requiere el uso de algunos dispositivos especiales.Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.

• Los químicos muestran en general poco interés porlas máquinas térmicas, pero nuestro estudio es partede una cadena de razonamientos que conducirá alcriterio para determinar la posición del equilibrioquímico en un sistema.



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Máquinas térmicas

• Una máquina térmica convierte parte de la energía

molecular aleatoria de las moléculas de un flujo

calorífico en energía mecánica macroscópica

(trabajo).

• La sustancia de trabajo (por ejemplo, el vapor en

una máquina de vapor) se calienta en un cilindro, y

al expandirse mueve un pistón, produciendo de esta

forma trabajo mecánico.

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Máquinas térmicas

Si la máquina funciona continuamente, la sustancia de

trabajo tiene que enfriarse de nuevo hasta recuperar

su estado original, y el pistón debe volver a suposición inicial antes de que se pueda calentar la

sustancia de trabajo de nuevo y obtener otra

expansión que produzca trabajo. Por tanto la sustancia

de trabajo sigue un proceso cíclico.

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Máquinas térmicas

• Las máquinas térmicas difieren

considerablemente unas de otras,aunque todas se caracterizan porlo siguiente: – Reciben calor de una fuente de alta

temperatura (energía solar, hornosde petróleo, reactores nucleares,etc.)

– Convierten parte de este calor entrabajo

– Liberan el calor de desechoremanente en un sumidero de bajatemperatura (la atmósfera, ríos, etc.)

– Operan en un ciclo.

Q en

Energía térmica

FUENTE

Energía térmica

SUMIDERO

Q sal

MÁQUINATÉRMICA

Wneto, sal



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Máquinas térmicas

• Las máquinas térmicas yotros dispositivos cíclicos

suelen incluir un fluido al ydesde el cual el calor se

transfiere mientras se sometea un ciclo. Este fluido recibeel nombre de fluido detrabajo.

• El trabajo neto puededeterminarse a partir de los

datos de transferencia decalor.

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Máquinas térmicas

• Recuerde que para que un sistema cerrado que se

somete a un ciclo el cambio de energía internaΔU es

cero y, por ello, la salida de trabajo neto del sistema

también es igual a la transferencia neta al sistema

,neto sal en sal W Q Q

EFICIENCIATÉRMICA

Termo



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Eficiencia térmica

• La salida de trabajo neto de una máquina térmica

siempre es menor que la cantidad de entrada de

calor. Sólo la parte de calor transferida a la máquina

térmica se convierte en trabajo.

• La fracción de la entrada de calor que se convierte

en la salida de trabajo neto es una medida del

rendimiento de una máquina térmica y recibe el

nombre de eficiencia térmica ηt.

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Eficiencia térmica

• El rendimiento o eficiencia, en general, puede

expresarse en términos de la salida deseada y de la

entrada requerida como:

Rendimiento salida deseada

entrada requerida

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Eficiencia térmica

Eficiencia térmica salida de trabajo neto

entrada de trabajo neto

,

,

1

neto sal

t

en

neto sal en sal

sal t

en

W

Q

W Q Q

Q

Q



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Eficiencia térmica

1 2

100 kJ

20 kJ 30 kJ

80 kJ 70 kJ

100 kJ

t t

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Máquinas térmicas

• Los dispositivos cíclicos de interéspráctico, operan entre un mediode alta temperatura (depósito) aTH y un medio de bajatemperatura a TL.

• Por lo tanto:

– Q H es la magnitud de la transferenciade calor entre un dispositivo cíclico yun medio a TH

– Q L es la magnitud de la transferenciade calor entre un dispositivo cíclico yun medio a TL

Q H

Dispositivo de alta

Temperatura a TH

Dispositivo de alta

Temperatura a TL

Q L

MÁQUINATÉRMICA

Wneto, sal

,

,

1

neto sal

t

H

neto sal H L

Lt

H

W

Q

W Q Q

Q

Q

REFRIGERADORESY BOMBAS DE CALOR

Termo



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Refrigeradores

• En la naturaleza el calor fluye en la dirección de la

temperatura decreciente, de medios de alta T a

medios de baja T.

• El proceso inverso no puede ocurrir por sí solo.

• La transferencia de calor de un medio de baja T a

uno de alta T requiere dispositivos especiales

llamados refrigeradores .

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Refrigeradores

• Los refrigeradores, como máquinas térmicas, son

dispositivos cíclicos.

• El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de

refrigeración se llama refrigerante.

• El ciclo de refrigeración que se usa con mayor

frecuencia es el ciclo de refrigeración porcompresión de vapor.

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Condensador

Evaporador

Válvula deexpansión

Compresor

Espaciorefrigerado

Medio circundante comoel aire de la cocina

Wneto, sal



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Refrigeradores

• Coeficiente de operación

– La eficiencia de un

refrigerador se expresa entérminos de COPR.

,

L R

neto en

L R

H L

QCOP

W

QCOP

Q Q

Q H

Ambiente caliente

a TH > TL

Espacio refrigerado frío

a TL

Q L

Refrigerador Wneto, sal

Entrada

requerida

Salida

deseada

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Bombas de calor

• El objetivo de una bomba de calor es mantener un

espacio calentado a alta temperatura. Lo cual

consigue al absorber el calor de una fuente de baja

temperatura como el agua de un pozo o el frío del

aire exterior del invierno y suministrándolo a un

medio de alta temperatura como una casa

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Bombas de calor

• Coeficiente de operación

– La eficiencia de un

refrigerador se expresa en

términos de COPBC.

,

H BC

neto en

H BC

H L

QCOP

W

QCOP

Q Q

Q H

Espacio calentado más

caliente a TH > TL

Ambiente frío a TL

Q L

Bomba decalor

Wneto, sal

Entrada

requerida

Salida

deseada



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jsrn

• El rendimiento de los

refrigeradores y de los

acondicionadores de aire seexpresan en términos del

coeficiente de eficiencia

energética (CEE), que es la

cantidad de calor tomada

de un espacio enfriado en

Btu por Wh (watt-hora) de

electricidad consumida.

• Si se considera que 1kWh =

3412 Btu entonces 1Wh =

3,412 Btu.

• Una unidad que extrae 1

kHh de calor del espacio

enfriado por cada kWh de

electricidad que consumo

(COP = 1) tendrá un CEE de

3,412

1

3.412

BC R

R

COP COP

CEE COP

BIBLIOGRAFÍA

Termo

Bibliografía

• Libros – ROMO, L. y CRIOLLO, R. Tratado de Termodinámica Química,

Ed. Univ., 1996.

– LEVINE, I.N. Physical chemistry. McGraw-Hill, 2008. 989 p.

– ÇENGEL, Y. Termodinámica. McGraw-Hill Interamericana deEspaña S.L., 2012. 1009 p.

– LEVENSPIEL, O. Fundamentos de Termodinámica. Prentice-Hall, 1997. 362 p.

– MAHAN, B.H. Termodinámica química elemental. Reverté,1987. 150 p.

– MOVILLA, J.L. Temodinámica química. Universitat Jaume I,Servei de Comunicació i Publicacions, 2005. 336 p.

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Bibliografía

• Bases de datos

– ScienceDirect

– SpringerLink

– Wiley Online

– Acs

• Revistas – The Journal of Chemical Thermodynamics

– Journal of Thermodynamics

– International Journal of Thermodynamics

– Journal of Thermodynamics & Catalysis

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http://www.springerlink.com/

http://onlinelibrary.wiley.com/

http://pubs.acs.org/

http://www.sciencedirect.com/science/journal/00219614

http://www.hindawi.com/journals/jtd/

http://www.ijoticat.com/index.php/IJoT

http://www.omicsonline.org/jtchome.php

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