Capítulo 5:Capítulo 5:

La segunda ley de la termodinámica.

5.1 Introducción5.1 Introducción¿Por qué es necesario un segundo principio de la termodinámica? Hay muchos

procesos en la naturaleza que aunque son compatibles con la conservación de la energía no tienen lugar de forma espontánea. Además, la primera ley no establece ninguna diferencia entre calor y trabajo, sin embargo no es lo mismo convertir trabajo en calor que al contrario. De este modo, es necesario introducir un nuevo principio de la termodinámica que complemente la ley de conservación de la energía.

Algunas definicionesAlgunas definiciones

Depósito de energía térmica o foco térmico: cuerpo con una gran capacidad de energía térmica (masa x calor específico) que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufra ningún cambio de temperatura. Ejemplos: océanos, mares, la atmósfera, hornos industriales, etc.

Fuente: depósito o foco que suministra energía en forma de calor.

Sumidero: depósito o foco que absorbe energía en forma de calor.

5.2 Máquinas térmicas5.2 Máquinas térmicas

Wneto, sal

Qen

Qsal

Baja temperaturaSUMIDERO

Alta temperaturaFUENTE

MÁQUINATÉRMICA

Máquina térmica: dispositivo que convierte calor en trabajo. Las máquinas térmicas difieren considerablemente unas de otras, pero todas se caracterizan por:

1. Reciben calor de una fuente de alta temperatura.

2. Convierten parte de este calor en trabajo.

3. Liberan calor en un sumidero de baja temperatura.

4. Operan en un ciclo.

Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el cual el calor se transfiere energía mientras se somete a un ciclo: fluido de trabajo.

5.2 Máquinas térmicas5.2 Máquinas térmicasFuente de energía(como un horno)

Frontera del sistema

Caldera

Bomba

Condensador

Turbina

Sumidero de energía(como en la atmósfera)

Wen Wsal

Esquema de una planta de vapor para generar energía.

5.2 Máquinas térmicas5.2 Máquinas térmicas

en

sal

en

net

QQ

QW ||1−=≡ε

Rendimiento o eficiencia térmica:

.1 perfecta térmicamáquina Una.10 Obviamente =⇒≤≤ εε

Enunciado de KelvinEnunciado de Kelvin--PlanckPlanck de la segunda ley de la termodinámicade la segunda ley de la termodinámica::

“Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor de un solo depósitio y producir una cantidad neta de trabajo”.

Es decir, para mantenerse en operación una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura como con una fuente de alta temperatura. Este enunciado también puede expresarse como: “ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica del 100%”.

5.3 Refrigeradores y bombas de calor5.3 Refrigeradores y bombas de calor

Salidadeseada

Entradarequerida

neto, en

Espacio refrigeradofrío a TL

Ambiente calientea TH > TL

El objetivo de un refrigerador es extraercalor QL de un espacioQue se desea enfriar.

0|| <−= HLneto QQW

LH

L

neto

L

QQQ

WQ

−=≡

||||η

Balance de energía:

Eficiencia o coeficiente de operación:

Observe que η puede ser mayor que 1.Valores típicos: η = 5−6.

Componentes básicos de un sistema de refrigeración y sus condiciones típicas de operación.

Medio circundante como

el aire de la cocina

Espacio refrigerado

CONDENSADOR

EVAPORADOR

VÁLVULA DEEXPANSIÓN COMPRESOR

Wneto,ent

5.3 Refrigeradores y bombas de calor5.3 Refrigeradores y bombas de calor

5.3 Refrigeradores y bombas de calor5.3 Refrigeradores y bombas de calor

Entradarequerida

Espacio calentado máscaliente a TH > TL

Ambiente fríoa TL

Salidadeseada

neto, sal

El objetivo de una bomba de calor es suministrar calor QH en un espacio más caliente.

LH

H

neto

HB QQ

QWQ

−==

||||

||||ε

Rendimiento de una bomba de calor:

valores típicos: 2-3.

5.3 Refrigeradores y bombas de calor5.3 Refrigeradores y bombas de calor

Enunciado de Enunciado de ClausiusClausius de la segunda ley de la termodinámicade la segunda ley de la termodinámica::

“Es imposible construir un dispositivo que opera en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la transferencia de calor de un cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más alta”.

En definitiva, este enunciado nos dice que no es posible transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente sin realizar un trabajo a cambio.

∞<η

5.3 Refrigeradores y bombas de calor5.3 Refrigeradores y bombas de calorPrueba de que la violación del enunciado de Kelvin-Planck conduce a la violación del de Clausius.

Depósito de alta temperatura a TH

Depósito de baja temperatura a TL

Depósito de alta temperatura a TH

Depósito de baja temperatura a TL

MÁQUINATÉRMICAηt = 100%

REFRIGE-RADOR

REFRIGE-RADOR

QH QH + QL

QL

W neto

= QH

QL

QL

a) Un refrigerador que es accionado por una máquina térmica 100% eficiente

b) El refrigerador equivalente

5.4 Procesos reversibles e irreversibles5.4 Procesos reversibles e irreversibles

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin modificar el entorno, es decir, tanto el sistema como los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto sólo es posible si el intercambio de calor y trabajo neto entre el sistema y el entorno es cero para el proceso combinado (original e invertido). Los procesos que no son reversibles son conocidos como irreversibles.

En realidad, los procesos reversibles no suceden en la naturaleza. Son meras idealizaciones cuyo interés se debe a: (1) son fáciles de analizar gracias a que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio y (2) sirven como modelos ideales con los cuales pueden compararse los procesos reales.

Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades. Entre ellos están la fricción, la expansión libre de un gas, la mezcla de dos gases, la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperaturas, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos produce un proceso irreversible.

5.5 El ciclo de 5.5 El ciclo de CarnotCarnot

Demostración del primer principio de Carnot.

Depósito de alta temperatura a TH

Depósito de baja temperatura a TL

Depósito de baja temperatura a TL

MTirreversible

MT (o R)reversible

MT + Rcombinado

(supuesto)

a) Una máquina térmica reversible y una irreversible que operan entre los mismos dos depósitos (la máquina térmica reversible se invierten después para funcionar como un refrigerador)

b) El sistema combinado equivalente

Primer principio de Carnot: el rendimiento de una máquina térmica irreversible es siempre menor que el rendimiento de una reversible que opera entre los mismos dos focos térmicos.

Segundo principio de Carnot: todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos focos tienen el mismo rendimiento.

5.5 El ciclo de 5.5 El ciclo de CarnotCarnotEjecución del ciclo de Carnot en un sistema cerrado.

a) Proceso 1-2

Fuentede energía

a TH

Sumiderode energía

a TL

(1) → (2)

(2) → (3)

(4) ← (3)

(1) ← (4)

a) Proceso 2-3

a) Proceso 3-4

a) Proceso 4-1

TH

QH QL

T H=

cons

t.

T H=

cons

t.

TL

THTL

5.5 El ciclo de 5.5 El ciclo de CarnotCarnot

neto, en

Diagrama P-Vdel ciclo de Carnot.

Rendimiento de la máquina de Carnot:

H

LCarnot T

T−= 1ε

5.5 El ciclo de 5.5 El ciclo de CarnotCarnot

Diagrama P-Vdel ciclo inversode Carnot.

Eficiencia de un refrigerador de Carnot:

LH

LCarnot TT

T−

=η

5.5 El ciclo de 5.5 El ciclo de CarnotCarnot

Ningún refrigerador puede tener un COP (η) más elevado que un refrigerador reversible que opere entre los mismos límites de temperatura.

Ambiente caliente

a TH = 300 K

Espacio refrigerado fríoa TL = 275 K

Refrigeradorreversible

COPR = 11

RefrigeradorirreversibleCOPR = 7

Refrigeradorimposible

COPR = 13