TERCERA LEY DE LA TERMODINAMICAIntroduccion se vern aplicaciones de la segunda ley a procesos. La primera ley de la termodinmica trata con la propiedad energa y la conservacin de ella; mientras que la segunda define una nueva propiedad llamada entropa, la cual es hasta cierto punto abstracto y difcil de describir fsicamente sin considerar el estado microscpico del sistema. La entropa se entiende y aprecia mejor estudiando los usos que normalmente se encuentran en los procesos de ingeniera, empieza con una exposicin acerca de la desigualdad de Clausius, un concepto fundamental para definir entropa, y contina con el principio de incremento de entropa. Pero en si la entropa puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular. Cuando un sistema se vuelve ms desordenado, las posicionesde las molculas son menos predecibles y la entropa aumenta, de ah que no sorprenda que la entropa de una sustancia sea ms baja en la fase slida y ms alta en la gaseosa En la slida, las molculas de una sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilibrio, pero les es imposible moverse unas respecto de las otras, por lo que su posicin puede predecirse en cualquier momento con certeza. Sin embargo, en la gaseosa, las molculas se mueven al azar, chocan entre s y cambian de direccin, lo cual hace sumamente difcil predecir con precisin el estado microscpico de un sistema en cualquier instante. Asociado a este caos molecular se encuentra un valor alto de entropa.

Desde otro punto de vista reas importantes de aplicacin de la termodinmica son la generacin de potencia y la refrigeracin. Ambos objetivos usualmente se realizan mediante sistemas que operan en un ciclo termodinmico. Los ciclos termodinmicos se pueden dividir en dos categoras generales: Los ciclos de potencia de gas, vapor y refrigeracin.Los dispositivos o sistemas que se usan para producir una salida neta de potencia se llaman a menudo motores o mquinas trmicas, y los ciclos termodinmicos en los que operan se llaman ciclos de potencia. Los dispositivos o sistemas que se usan para producir un efecto de refrigeracin se llaman refrigeradores, acondicionadores de aire o bombas trmicas, y los ciclos en los que operan se llaman ciclos de refrigeracin.

En los ciclos de gas, el fluido de trabajo permanece en la fase gaseosa durante todo el ciclo, mientras que en los ciclos de vapor, el fluido de trabajo existe en fase de vapor durante una parte del ciclo y en fase lquida durante otra parte.

RESUMEN DE LA TERCERA LEY

la entropa de una sustancia pura cristalina a una temperatura absoluta de cero es cero

La desigualdad de Clausius, establecida por primera vez por el fsico alemnR. J. E. Clausius (1822-1888), uno de los fundadores de la termodinmica.Este concepto se expresa comoEcuacin 1.

Es decir, la integral cclica de dQ/T siempre es menor o igual a cero. Esta desigualdad es vlida durante todos los ciclos, tanto reversibles como irreversibles.Si ninguna irreversibilidad ocurre tanto dentro del sistema como en el dispositivo cclico reversible, entonces el ciclo experimentado por el sistema combinado es internamente reversible y como tal, puede invertirse.

La entropa es una propiedad extensiva de un sistema y a veces es llamada entropa total, mientras que la entropa por unidad de masa s es una propiedad intensiva y tiene la unidad kJ/kg KEl cambio de entropa de un sistema durante un proceso puede determinarse integrando la ecuacin 7-4 entre los estados iniciales y final:Ecuacin 2

La entropa es una propiedad y, al igual que las otras propiedades, tiene valores fijos en estados fijos. Por consiguiente, el cambio de entropa S entre dos estados especificados es el mismo sin importar qu trayectoria, reversible o irreversible, se sigue durante un proceso

EL PRINCIPIO DEL INCREMENTOFigura 1

DE ENTROPAConsidere un ciclo conformado por dos procesos: el proceso 1-2 que es arbitrario (reversible o irreversible), y el 2-1, el cual es internamente reversible.

La segunda integral en la relacin anterior es reconocida como el cambio de entropa S1 _ S2. Por consiguiente,

La cual puede reordenarse como

Tambin puede expresarse en forma diferencial comoEcuacin 3

Esta ecuacin expresa que la entropa de un sistema aislado durante un proceso siempre se incrementa o, en el caso lmite de un proceso reversible, permanece constante. En otros trminos, nunca disminuye. Esto es conocido como el principio de incremento de entropa.

La entropa es una propiedad extensiva, por lo tanto la entropa total de un sistema es igual a la suma de las entropas de las partes del sistema.

El principio de incremento de entropa no implica que la de un sistema no pueda disminuir. El cambio de entropa de un sistema puede ser negativo durante un proceso, pero la generacin de entropa no. El principio de incremento de entropa puede resumirse como sigue:Figura 2

Ecuacin 8Ecuaciones 7Ecuacin 6Ecuacin 5Ecuacin 4

Los ciclos de potencia de gas

Un ciclo durante el cual se produce una cantidad neta de trabajo recibe el nombre de ciclo de potencia, y un ciclo de potencia durante el cual el fluido de trabajo permanece en todo momento como un gas se denomina ciclo de potencia de gas. El ciclo ms eficiente que opera entre una fuente a temperatura TH y un sumidero a temperatura TL es el ciclo de Carnot y su eficiencia trmica est dada porEcuacin 9

Los ciclos reales de gas son bastante complejos. Los clculos utilizados para simplificar su anlisis se conocen como suposiciones de aire estndar. Bajo estas suposiciones se considera que todos los procesos sern internamente reversibles; se supone que el fluido de trabajo ser aire, el cual se comporta como un gas ideal, mientras que los procesos de combustin y escape se sustituyen por procesos de adicin y rechazo de calor, respectivamente. Las suposiciones de aire estndar se denominan suposiciones de aire estndar fro si se supone tambin que el aire va a tener calores especficos a temperatura ambiente. En las mquinas reciprocantes, la relacin de compresin r y la presin media efectiva PME se definen como

Ecuacin 10

El ciclo de Otto es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes de encendido por chispa y se compone de cuatro procesos internamente reversibles: compresin isentrpica, adicin de calor a volumen constante, expansin isentrpica y rechazo de calor a volumen constante. Bajo las suposicionesde aire estndar fro, la eficiencia trmica del ciclo de OttoEcuacin 11

Ideal es donde r es la relacin de compresin y k es la relacin de calores especficos cP/cv.El ciclo Diesel es el ciclo ideal para las mquinas reciprocantes de encendido por compresin. Este ciclo es muy similar al de Otto, excepto en que el proceso de adicin de calor a volumen constante se reemplaza por un proceso de adicin de calor a presin constante. Su eficiencia trmica bajo las suposiciones de aire estndar fro es:Ecuacin 12

Donde rc es la relacin de corte de admisin, definida como la relacin de los volmenes de cilindro despus y antes del proceso de combustin.

Los ciclos Stirling y Ericsson son dos ciclos totalmente reversibles que incluyen un proceso de adicin de calor isotrmico a TH y un proceso de rechazo de calor isotrmico a TL.Difieren del ciclo de Carnot en que los dos procesos isentrpicos son sustituidos por dos de regeneracin a volumen constante en el ciclo Stirling y por dos de regeneracin a presin constante en el ciclo Ericsson. Ambos ciclos utilizan regeneracin, un proceso durante el cual se transfiere calor a un dispositivo de almacenamiento de energa trmica (denominado regenerador) durante una parte del ciclo y despus se transfiere de nuevo al fluido de trabajo durante otra parte del ciclo.

El ciclo ideal para las mquinas modernas de turbinas de gas es el ciclo Brayton, que est compuesto por cuatro procesos internamente reversibles: compresin isentrpica (en un compresor), adicin de calor a presin constante, expansin isentrpica (en una turbina) y rechazo de calor a presin constante. Bajo las suposiciones de aire estndar fro, su eficiencia trmica es

Ecuacin 13

Donde rp _ Pmx/Pmn es la relacin de presin y k es la relacin de calores especficos. La eficiencia trmica de un ciclo Brayton simple aumenta con la relacin de presin. La desviacin del compresor y de la turbina reales respecto de los isentrpicos idealizados puede tomarse en cuenta con exactitud si se utilizan sus eficiencias isentrpicas, definidas como

Ecuacin 14

Donde los estados 1 y 3 son los estados de entrada, 2a y 4a son los estados reales de salida, y 2s y 4s son los estados isentrpicos de salida.

En las mquinas de turbina de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina a menudo es considerablemente ms alta que la temperatura del aire a la salida del compresor. Por lo tanto, el aire de alta presin que sale del compresor se puede calentar transfirindole calor de los gases calientes de escape de turbina en un intercambiador de calor a contraflujo, que tambin se conoce como regenerador. El grado en el que un regenerador se acerca a un regenerador ideal se llama la eficacia o efectividad P y se define comoEcuacin 15

Bajo suposiciones de aire estndar fro, la eficiencia trmic de un ciclo Brayton ideal con regeneracin se vuelveEcuacin 16

Donde T1 y T3 son las temperaturas mnima y mxima, respectivamente, en el ciclo.La eficiencia trmica del ciclo Brayton se puede tambin aumentar utilizando compresin en etapas mltiples con interenfriamiento, y expansin en etapas mltiples con recalentamiento.El consumo de trabajo por el compresor se minimiza cuando se mantienen relaciones de presin iguales a travs de cada etapa. Este procedimiento tambin maximiza la produccin de trabajo por la turbina.Los motores de turbina de gas se usan de manera extensa para accionar aviones porque son ligeros y compactos y tienen una alta relacin de potencia a peso. El ciclo de propulsin por reaccin ideal se distingue del ciclo Brayton ideal simple en que los gases se expanden parcialmente en la turbina. Los gases que salen de la turbina a una presin relativamente alta se aceleran posteriormente en una tobera para proporcionar el empuje necesario para propulsar el avin.

El empuje neto que desarrolla el motor esEcuacin 17

Donde T1 y T3 son las temperaturas mnima y mxima, respectivamente, en el ciclo.

El consumo de trabajo por el compresor se minimiza cuando se mantienen relaciones de presin iguales a travs de cada etapa. Este procedimiento tambin maximiza la produccin de trabajo por la turbina.Los motores de turbina de gas se usan de manera extensa para accionar aviones porque son ligeros y compactos y tienen una alta relacin de potencia a peso. El ciclo de propulsin por reaccin ideal se distingue del ciclo Brayton ideal simple en que los gases se expanden parcialmente en la turbina. Los gases que salen de la turbina a una presin relativamente alta se aceleran posteriormente en una tobera para proporcionar el empuje necesario para propulsar el avin.El empuje neto que desarrolla el motor esEcuacin 18

donde m es el flujo msico de los gases, Vsalida es la velocidad de salida de los gases de escape y Ventrada es la velocidad de entrada del aire, ambas relativas al avin.La potencia desarrollada por el empuje del avin se llama la potencia de propulsin W. P, y est dada porEcuacin 19

La eficiencia de propulsin es una medida de la eficiencia con la que se convierte la energa liberada durante el proceso de combustin en energa de propulsin, y se define comoEcuacin 20

Para un ciclo ideal que incluye transferencia de calor slo con una fuente a TH y un sumidero a TL, la destruccin de exerga es

Ecuacin 21