INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABAMATERIA:TERMODINAMICATEMA:EFICIENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

CATEDRATICO:MENDEZ USCANGA GENAROPRESENTAN:GARCIA ALVAREZ MISAEL PALACIOS RAMIREZ ALANRAMIREZ GARCIA LUIS GENAROVIRGEN CASTILLO ROBERTO CARLOSHORARIO:8:00-9:00 HRS

Orizaba, Veracruz 12 de Diciembre de 2014

INDICE

1.1 INTRODUCCION1.2 ANTECEDENTES1.3 EFICIENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA1.3.1 EFICIENCIA TERMICA1.3.2 SGUENDA LEY DE LA TERMODINAMICA: ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK1.3.3 EFICIENCIA SEGN LA SEGUNDA LEY, HII1.4 CONCLUSIONES1.5 REFERENCIAS

INTRODUCCION

ANTECEDENTESComo conocimientos previos para poder abordar el tema de la eficiencia trmica debemos saber lo que es la segunda ley de la termodinmica, entender los conceptos de depsitos de energa, lo que son mquinas trmicas, se dar un breve repaso de estos 3 antecedentes.La segunda ley de la termodinmica establece que la energa tiene calidad y cantidad, que en procesos reales estas dos propiedades tienden a disminuir conforme se desarrolla el proceso. La segunda ley de la termodinmica no solo se limita a identificar la direccin de los procesos, tambin afirma que la energa tiene calidad como cantidad. Una experiencia comn es que una taza de caf caliente dejada en una habitacin que est ms fra termine por enfriarse. Este proceso satisface la primera ley de la termodinmica porque la cantidad de energa que pierde el caf es igual a la cantidad que gana el aire circundante. Ahora se considera el proceso inverso; caf caliente que se vuelve incluso ms caliente en una habitacin ms fra como resultado de la transferencia de calor desde el aire. Se sabe que este proceso nunca se lleva a cabo, sin embargo, hacerlo no violara la primera ley de la termodinmica siempre y cuando la cantidad de energa que pierde el aire sea igual a la cantidad que gane el caf. En el desarrollo de la segunda ley de la termodinmica, es muy conveniente tener un cuerpo hipottico que posea una gran cantidad de energa que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningn cambio de temperatura. Un claro ejemplo de lo que se est hablando es son los grandes cuerpos de agua, tales como ocanos, lagos, ros, manantiales, asi como el aire atmosfrico, etc. Se pueden modelar de manera precisa como depsitos de energa trmica debido a sus grandes capacidades de almacenaje de energa o masas trmicas. Tambin es posible modelar un sistema de dos fases como un depsito, ya que puede absorber y liberar grandes cantidades de calor mientras permanece a temperatura constante. Otro ejemplo de depsito de energa trmica es el horno industrial. Las temperaturas de la mayora de los hornos se controlan con cuidado, por lo que son capaces de suministrar de una manera esencialmente isotrmica grandes cantidades de energa trmica en forma de calor. Por lo tanto, se pueden modelar como depsitos.Un cuerpo no tiene que ser considerado muy grande para referenciarlo como depsito; cualquier cuerpo fsico cuya capacidad de energa trmica es grande con respecto a la cantidad de energa que suministra o absorbe se puede modelar como depsito. Un depsito que suministra energa en la forma de calor se le llama fuente, y otro que absorbe energa en la forma de calor se llama sumidero. Los depsitos de energa trmica suelen denominarse depsitos de calor porque proveen o absorben energa en forma de calor.El trabajo se puede convertir fcilmente en otras formas de energa pero convertir otras formas de energa en trabajo no es fcil. Convertir el calor en trabajo requiere de dispositivos especiales que se llaman maquinas trmicas. Las maquinas trmicas difieren bastante entre s pero es posible caracterizarlas mediante: 1.- Reciben calor de una fuente a temperatura alta.2.- Convierten parte de este calor en trabajo.3.- Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura.4.- Operan en un ciclo.Las maquinas trmicas y otros dispositivos cclicos por lo comn requieren un fluido hacia y desde el cual se le transfiera calor mientras experimenta un ciclo. A este fluido se le conoce como FLUIDO DE TRABAJO.El trmino maquina trmica se usa con frecuencia en un sentido ms amplio que incluye dispositivos que producen trabajo que no operan en un ciclo termodinmico. Las maquinas relacionadas con la combustin interna, como las turbinas de gas y los motores de automviles, entran en esta categora. Estos dispositivos operan en un ciclo mecnico pero no en un ciclo termodinmico, porque el fluido de trabajo no experimenta un ciclo completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los gases de escape se purgan y se reemplaza por una mezcla fresa de aire y combustible al final del ciclo.

EFICIENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICAEFICIENCIA TRMICA

La segunda ley de la termodinmica es un principio general que impone restricciones a la direccin de la transferencia de calor y a la eficiencia posible en los motores trmicos. De este modo, va ms all de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinmica Ninguna mquina trmica convierte todo el calor que recibe en trabajo til.Esta limitacin en la eficiencia trmica de las mquinas llev a Kelvin-Planck a expresar lo siguiente: Es imposible construir una mquina trmica que operando en ciclos, convierta todo el calor que se le transmite en trabajo mecnico.Es decir para mantenerse en operacin una mquina trmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura como con una fuente de alta temperatura y por lo tanto ninguna mquina puede tener una eficiencia trmica de 100 %.Sin embargo esta informacin es de poco valor, sobre todo si se quiere aprovechar esta energa en alguna mquina trmica.Lo que se necesita es saber la cantidad de energa que se puede extraer y aprovechar como trabajo til, por ejemplo para accionar un generador; el resto de la energa, la parte que no est disponible para convertirla en trabajo, a la larga se descartar como energa de desecho por lo que no vale la pena considerarla.Para poder conocer ms afondo sobre el trabajo til de un sistema es necesario conocer los siguientes conceptos: La Disponibilidad, es el trabajo til mximo que puede obtenerse del sistema en un estado dado. Trabajo reversible, es el trabajo til mximo que puede obtenerse cuando un sistema es sometido a un proceso entre dos estados especficos. Irreversibilidad, es la prdida de trabajo potencial durante un proceso, causada por la presencia de factores tales como la friccin, la diferencia de temperaturas. El estado muerto, es el estado al final proceso, hasta lograr el mximo trabajo, de manera que el sistema se encuentre en equilibrio termodinmico con los alrededores.Esto es a la temperatura y presin de los alrededores. Las propiedades de un sistema en el estado muerto se denotan mediante el subndice cero:P0, T0, h0, v0, s 0Se supone: T0 = 25 0C, P 0 = 101.3 KpaEl trabajo realizado por dispositivos que producen trabajo no siempre es del todo producido en una forma til.Por ejemplo cuando un gas en un dispositivo de cilindro mbolo, se est expansionando, parte del trabajo realizado por el gas, se emplea en empujar el aire atmosfrico fuera del camino del mbolo.Este trabajo que no puede emplearse en ningn propsito til, es igual a la presin atmosfrica P0 por el cambio de volumen del sistema.Y se denomina trabajo de los alrededores Wair:Wair= P0 (v2 - v1) (K J / Kg)Wair = mP0 (V2 V1) (K J)La diferencia entre el trabajo real W y el trabajo de los alrededores Wair recibe el nombre de trabajo til Wu:Wu = W- Wair (Kj)Cuando un sistema cerrado se expande se realiza trabajo (W) y parte de este trabajo se emplea en vencer la presin atmosfrica, por ello Wair representa una prdida.La irreversibilidad podr calcularse de acuerdo con la siguiente frmula matemtica:I= Wrev- Wu (Kj)Tambin en un proceso totalmente reversible Wrev y Wu son idnticos y la irreversibilidad es igual a cero.La magnitud de la energa que se desperdicia con la finalidad de completar el ciclo. Pero nunca es cero; de esta manera, la salida neta de trabajo de una mquina trmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, slo parte del calor transferido a la mquina trmica se convierte en trabajo. La fraccin de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeo de una mquina trmica y se llama eficiencia trmicaPara las mquinas trmicas, la salida deseada es la de trabajo neto, mientras que la entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido de trabajo. Entonces la eficiencia trmica de una mquina trmica se puede expresar como

Los dispositivos cclicos de inters prctico como las mquinas trmicas, Salida los refrigeradores y las bombas de calor operan entre un medio de alta temperatura (o depsito) a temperatura T y otro de baja temperatura (o depsito) a temperatura T.Las eficiencias trmicas de dispositivos que producen trabajo son relativamente bajas. Los motores ordinarios de automviles de ignicin por chispa tienen una eficiencia trmica de alrededor de 25 por ciento. Es decir, un motor de automvil convierte cerca de 25 por ciento de la energa qumica de la gasolina en trabajo mecnico. Este nmero es tan alto como 40 por ciento de los motores disel y las grandes centrales de turbinas de gas, y tan alto como 60 por ciento de las grandes centrales elctricas que funcionan con gas y vapor. As, incluso con las mquinas trmicas ms eficientes disponibles en la actualidad, casi la mitad de la energa suministrada termina en ros, lagos o en la atmsfera como energa de desecho o intilEn una central elctrica de vapor, el condensador es el dispositivo donde grandes cantidades de calor de desecho se rechaza hacia ros, lagos o la atmsfera.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA:ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

Respecto a mquinas trmicas se demostr que incluso bajo condiciones ideales una mquina de este tipo debe rechazar algo de calor hacia un depsito que se encuentra a baja temperatura con la finalidad de completar el ciclo.Es decir, ninguna mquina trmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo til. Esta limitacin de la eficiencia trmica de las mquinas trmicas forma la base para el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinmica, que se expresa como sigue:Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depsito y produzca una cantidad neta de trabajo.

Es decir, una mquina trmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura as como con una fuente de temperatura alta para seguir funcionando. Observe que la imposibilidad de tener una mquina trmica con 100 por ciento de eficiencia no se debe a la friccin o a otros efectos de disipacin, es una limitacin que se aplica a las mquinas trmicas ideales y reales. Se desarrolla una relacin para la eficiencia trmica mxima de una mquina trmica. Asimismo, se demuestra que este valor mximo depende slo de la temperatura del depsito.

EFICIENCIA SEGN LA SEGUNDA LEY, HII

Considere dos mquinas trmicas, ambas con una eficiencia trmica de 30 por ciento, como se muestra en la figura 8-15. Una de ellas (mquina A) es alimentada con calor de una fuente a 600 K y la otra (mquina B) con una a 1 000 K. Las dos desechan calor a un medio a 300 K y a primera vista ambas parecen convertir en trabajo la misma fraccin de calor que reciben, por lo tanto se desempean igualmente bien. Sin embargo, cuando se les observa con detenimiento a la luz de la segunda ley de la termodinmica, notamos un escenario totalmente diferente: en el mejor de los casos, estas mquinas pueden desempearse como mquinas reversibles, en cuyo caso sus eficiencias seran

Ahora es evidente que la mquina B tiene un potencial de trabajo disponible mayor (70 por ciento del calor proporcionado, en comparacin con el 50 por ciento de la A), por lo tanto debera desempearse mucho mejor que la mquina A.En este ejemplo es obvio que la eficiencia segn la primera ley por s sola no es una medida realista del desempeo de los dispositivos tcnicos. Para superar esta deficiencia, se define a la eficiencia segn la segunda ley hII como la relacin entre la eficiencia trmica real y la eficiencia trmica mxima posible (reversible) bajo las mismas condiciones

Con base en esta definicin, las eficiencias segn la segunda ley para las dos mquinas trmicas analizadas anteriormente son

Es decir, la mquina A convierte 60 por ciento del potencial de trabajo disponible en trabajo til, mientras que esta proporcin es slo de 43 por ciento para la mquina B.La eficiencia segn la segunda ley tambin puede expresarse como la relacin entre las salidas de trabajo til y la de trabajo mximo posible (reversible):

Esta definicin es ms general porque puede aplicarse a los procesos (en turbinas, Dispositivos de cilindro-mbolo, etc.), as como a ciclos. Observe que la eficiencia segn la segunda ley no puede exceder a 100 por ciento.Tambin podemos definir una eficiencia segn la segunda ley para dispositivos no cclicos (como compresores) y cclicos consumidores de trabajo (como refrigeradores) como la proporcin entre la entrada de trabajo mnimo (reversible) y la entrada de trabajo til:

Para los dispositivos cclicos como refrigeradores y bombas de calor, tambin es posible expresarla en trminos de los coeficientes de desempeo, como

En las relaciones anteriores, el trabajo reversible Wrev debe determinarse mediante el uso de los mismos estados inicial y final que en el caso del proceso real. Las anteriores definiciones de la eficiencia segn la segunda ley no pueden ser aplicadas para los dispositivos que no estn destinados a producir o consumir trabajo. Por consiguiente, se necesita una definicin ms general; sin embargo, existe alguna discordancia en una definicin general para la eficiencia segn la segunda ley, por lo tanto una persona puede encontrar definiciones diferentes para el mismo dispositivo. La eficiencia segn la segunda ley est ideada para servir como una medida de aproximacin a la operacin reversible, en consecuencia su valor debe cambiar de cero en el peor caso (destruccin completa de exerga) a 1 en el mejor (sin destruccin de exerga). Con esta perspectiva, se define aqu la eficiencia segn la segunda ley de un sistema durante un proceso como.

Por consiguiente, al determinar la eficiencia segn la segunda ley, primero necesitamos determinar cunta exerga o potencial de trabajo se consume durante un proceso. En una operacin reversible debemos ser capaces de recuperar completamente la exerga proporcionada durante el proceso, y la irreversibilidad en este caso debe ser cero. La eficiencia segn la segunda ley es cero cuando no recuperamos exerga proporcionada al sistema. Observe que la exerga puede proporcionarse o recuperarse en diversas cantidades en distintas formas como calor, trabajo, energa cintica, energa potencial, energa interna y entalpa. En ocasiones se suscitan opiniones diferentes (aunque vlidas) acerca de lo que constituye la exerga proporcionada y esto causa diferentes definiciones para la eficiencia segn la segunda ley. En todo momento, sin embargo, las exergas recuperada y destruida (irreversibilidad) deben al sumarse dar la suministrada. Tambin, es necesario definir el sistema precisamente para identificar correctamente cualquier interaccin entre el sistema y sus alrededores.

Para una mquina trmica, la exerga suministrada es la disminucin en la exerga del calor transferido hacia la mquina, la cual es la diferencia entre la exerga del calor suministrado y la del calor rechazado. (La exerga del calor rechazado a la temperatura de los alrededores es cero.) La salida de trabajo neto es la exerga recuperada. Para un refrigerador o bomba de calor, la exerga proporcionada es la entrada de trabajo, ya que el trabajo suministrado a un dispositivo cclico se encuentra completamente disponible. La exerga recuperada es la del calor transferido hacia el medio de alta temperatura (que es el trabajo reversible) para una bomba de calor, mientras que para un refrigerador lo es la exerga del calor transferido desde un medio de baja temperatura. Normalmente, para un intercambiador de calor con dos flujos de fluido no mezclados, la exerga suministrada es la disminucin en la exerga del flujo de fluido a temperatura superior mientras que la recuperada es el aumento en la exerga del flujo de fluido a temperatura inferior.CONCLUSIONES

REFERENCIAS Bibliografas.http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html