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Termo.epe.Segunda Ley UPCTRANSCRIPT
DIVISIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES PARA EJECUTIVOS TERMODINÁMICA APLICADA
¿Qué establece la segunda ley de la termodinámica?’
1) Existe una dirección cuando la energía se transfiere en forma de calor
2) La conversión de calor en trabajo nunca es 100%, porque el calor y el trabajo son formas de energía de diferente calidad
3) Todo proceso ocurrirá espontáneamente si provoca un aumento de la entropía total
1. Introducción a la segunda ley
El capítulo correspondiente a la Segunda Ley de la Termodinámica será desarrollado en dos partes:
A) MÁQUINAS TÉRMICAS
Conoceremos los principios en los que se basa el funcionamiento de máquinas generadoras de energía mecánica (trabajo) a partir de energía térmica (calor)
B) MÁQUINAS REFRIGERADORAS O BOMBAS DE CALOR
Conoceremos los principios en los que se basa el funcionamiento de los sistemas de refrigeración y de calefacción, empleando energía mecánica (trabajo) para transferir energía térmica (calor)
Primera parte:
Estudio de máquinas que convierten calor en trabajo y viceversa
Segunda parte:
Aplicación de los postulados de la segunda ley y la propiedad de la entropía
A) Cálculo de la variación de entropía en sistemas cerrados y abiertos.
B) Principio de espontaneidad (aumento de entropía en el universo)
C) Aplicaciones prácticas en diversos dispositivos para evaluar rendimientos: turbina, compresor, bomba, tobera
2. Dirección espontánea de los procesos
1) Caída de cuerpos
3) Aire comprimido en una llanta sale rápidamente cuando se abre la válvula
4) Sentir frío si tocamos un cuerpo helado
2) Enfriamiento espontáneo de cuerpos calientes en ambientes más fríos
Algunos procesos no podrían ocurrir espontáneamente
Por ello se dice que existe una dirección natural en la conversión de energía
El calor es una energía de menor calidad que el trabajo
El trabajo puede convertirse completamente en calor 100%
El calor no puede convertirse completamente en trabajo, nunca
En resumen:
• La segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente.
• La segunda ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos
ENUNCIADO DE CLAUSIUS
R. J. Clausius (ingeniero francés) ,a mediados del siglo XIX, formuló un principio para la Segunda ley:
"No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío (depósito térmico) a otro (depósito térmico) más caliente"
TH TL
Enunciados de la Segunda Ley de la Termodinámica
¿ Eficiencia 100%?
"No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo“
Este principio nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas.
ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK
Es un dispositivo que entrega trabajo (o potencia) al entorno para lo cual convierte parte de la energía que recibe por transferencia de calor desde un depósito térmico a alta temperatura y el resto de la energía no convertida en trabajo es eliminada a un depósito de menor temperatura
Eficiencia térmica:
MT = ( Wneto,salida / Qentrada) x 100No vemos los detalles de la máquina (motores, plantas de energía), sólo vemos sus efectos
3. Máquina Térmica
Wneto,salida
3.1 Depósito térmico
• Depósito térmico es una clase especial de sistema que se mantiene siempre a temperatura constante aún cuando entregue o reciba calor. Es un sistema idealizado, sin embargo algunos casos se aproximan a este concepto: la atmósfera terrestre, los mares, lagos, el sol, un gran bloque de metal, la combustión, etc.
• Fuente: depósito que proporciona calora temperatura constante
• Sumidero: depósito que recibe calor a temperatura constante
3.2 Funcionamiento de las máquinas térmicas
Las máquinas térmicas difieren entre sí pero es posible caracterizarlas a todas mediante el siguiente esquema
1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etc.)
2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria)
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, lagos, etc.)
4. Funcionan en un ciclo
5. Requieren un fluido hacia o desde el cual se transfiere calor mientras experimentan un ciclo. Este fluido es conocido como fluido de trabajo
3.3 Eficiencia térmica
Balance de energía:
Qentrada - Qsalida = Wneto, salida
entrada
salidanetoQ
WMT
,
La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica
Unas máquinas tienen mejor eficiencia que otras
¿Qué máquina tiene la mayor eficiencia?
HMT Q
LQ1
1) El gas recibe 100 kJ de calor desde un depósito a mayor temperatura y se calienta hasta 90oC expandiéndose
2) El gas realiza el trabajo de elevar la carga gastando 15 kJ. El trabajo realizado es menor que la energía recibida porque el gas ha utilizado 85 kJ en calentarse hasta 90oC
3) Al retirar la carga el gas no se enfría espontáneamente, porque el depósito con el cual está en contacto tiene una temperatura mayor (100oC) que el gas
4) Es necesario ponerlo en contacto con un depósito a menor temperatura (20oC) para que el gas pueda regresar a su estado inicial rechazando los 85 kJ
5) La energía que ahora tiene el depósito a 20oC no puede reciclarse, por ello se llama energía o calor de desecho
¿Por qué no es posible ahorrar el calor eliminado al sumidero QL?
3.4 Máquina de Carnot o Ciclo de Carnot
TH
V
TL
QH
QL
1
2
3
4
P
1-2 Expansión isotérmica a TH: entrada de calor
2-3 Expansión adiabática
3-4 Compresión isotérmica a TL : salida de calor
4-1 Compresión adiabática
Para el ciclo: QCICLO = WCICLO
QH = QL + Wneto,salida
La eficiencia de una máquina térmica depende de cómo se ejecutan los procesos. Si estos procesos son reversibles, entonces la maquina tendrá la máxima eficiencia
Wneto = Wciclo = W12 + W23 + W34 + W41 (1)
2-3 W23 = nCV (T3 – T2) = nCv (TL – TH)
En cada etapa se aplica la ecuación de energía para un sistema cerrado (moles constantes) Qif - Wif = U = nCV(Tf – Ti)
1-2 Q12 = W12 = nRuTH ln (P1/P2)
3-4 Q34 = W34 = nRuTL ln (P3/P4)
4-1 W41 = nCV (T1 – T4) = nCv (TH – TL)
Iguales de signo contrario
PP
TT
TT
H
L
2
3
2
3
1
PP
TT
TT
H
L
1
4
1
4
1
PP
PP
1
2
4
3 ln (P3/P4) = - ln (P1/P2)
(2)
(3)
De (2) y (3)
Reemplazando en (1)
Wneto = Wciclo = W12 + W34
Wneto = nRuTH ln (P1/P2) +nRuTL ln (P3/P4)
Wneto = nRu(TH - TL )ln (P1/P2)
entrada
salidaneto
MT
Q
W ,
ln (P3/P4) = - ln (P1/P2)
Qentrada = Q12 = nRuTH ln (P1/P2)
Reemplazando en la eficiencia
TT
H
LMT 1 Máxima eficiencia de una máquina térmica que
opera entre dos depósitos de calor
LA CONVERSIÓN DE CALOR EN TRABAJO NUNCA SERÁ AL 100%
¿Por qué la eficiencia no puede ser 100%?
1) Porque la temperatura de la fuente de calor no puede ser infinita. Esta temperatura está en función a la resistencia de los materiales
2) Porque la temperatura del sumidero de calor no puede ser cero. Esta temperatura generalmente es la temperatura de la atmósfera, o del río, o del lago al cual se desecha el calor
IMPORTANTENinguna máquina que funcione entre dos depósi-tos térmicos a TH y TL podrá tener una eficiencia en la conversión de energía, mayor a la de la máquina reversible
La máquina irreversible entre- ga menos trabajo y por tanto elimina más calor sin convertir que la máquina térmica reversible
rev irrev
Es un dispositivo que permite mantener un lugar a una temperatura más baja que el ambiente. Para ello extrae calor de un lugar frío, recibe una cantidad de trabajo (o potencia) y rechaza calor a un depósito caliente
Coeficiente de desempeño
COPR = QL/Wneto,entrada No vemos los detalles de la máquina (refrigerador), sólo vemos sus efectos
4. Refrigerador
Balance de energía:
QL +Wneto, entrada = QH
entradanetoW
QLCOP R,
El COPR es el coeficiente de desempeño del refrigerador y expresa la cantidad de calor extraido por cada unidad de trabajo consumido
QQQ
LH
LCOP R
4. 1 Coeficiente de desempeño
4.2 Refrigerador de Carnot
TH
V
TL
QH
QL
3
4
1
2
P1-2 Compresión isotérmica a TL: entrada de calor
2-3 Compresión adiabática
3-4 Expansión isotérmica a TH : salida de calor
4-1 Expansión adiabática
El refrigerador de Carnot es un ciclo exactamente inverso a la máquina de Carnot. El trabajo es una entrada de energía
Un análisis similar al de la máquina térmica de Carnot permite obtener una expresión del COP máximo de un refrigerador reversible ideal que depende sólo de las temperaturas de fuente y sumidero
TTT
LH
LCOP
Una bomba de calor funciona de manera similar a un refrigerador: recibe calor de un depósito frío y entrega calor a un depósito caliente, siempre que se utilice una cantidad de trabajo (potencia)
El objetivo es mantener un lugar a una temperatura más alta que el ambiente
COPBC = QH / Wneto,entrada
5. Bomba de calor
Coeficiente de desempeño No vemos los detalles de la máquina (bomba de calor), sólo vemos sus efectos
Balance de energía:
QL +Wneto, entrada = QH
entradanetoW
QHCOP BC,
El COP es el coeficiente de desempeño de la bomba de calor y expresa la cantidad de calor entregado por cada unidad de trabajo consumido
QQQ
LH
HCOPBC
5. 1 Coeficiente de desempeño
5.2 Bomba de calor de Carnot
TH
V
TL
QH
QL
3
4
1
2
P1-2 Compresión isotérmica a TL: entrada de calor
2-3 Compresión adiabática
3-4 Expansión isotérmica a TH : salida de calor
4-1 Expansión adiabática
El refrigerador de Carnot es un ciclo exactamente inverso a la máquina de Carnot. El trabajo es una entrada de energía
Un análisis similar al de la máquina térmica de Carnot permite obtener una expresión del COP máximo de una bomba de calor reversible ideal que depende sólo de las temperaturas de fuente y sumidero
TTT
LH
HCOP BC
SISTEMA EN SU ESTADO INICIAL
SISTEMA EN SU ESTADO FINAL
Al quitar las divisiones se quitan restricciones. Las bolitas se han mezclado unas con otras de tal manera que ahora no se pueden ordenar de manera espontánea si se colocan las divisiones
Para retornar al sistema a su estado inicial se debe realizar el trabajo de clasificarlas. Este trabajo representa la alteración del entorno debido al proceso. En un proceso reversible se puede regresar al estado inicial sin afectar al entorno, no hay pérdida o degradación de la energía
6. Procesos reversibles
Máquina térmica interna y externamente reversible
Los procesos internos son reversiblesLa máquina recibe y entrega calor a la misma temperatura de fuente (TH) y sumidero (TL)
Máquina térmica externamente irreversible
La máquina recibe calor a una temperatura menor (TH
*) que la fuente (TH) y entrega calor a una temperatura mayor (TL
*) que el sumidero (TL)
6.1 Procesos internamente y externamente reversibles