CAPITULO # 6LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

INTRODUCCIONHasta el momento hemos aplicado la primera ley de la termodinmica a los sistemas cerrados y abiertos.

Esta primera ley nos indica que la energa es una propiedad que se conserva.

Todo proceso debe satisfacer la primera ley, pero esto no es una condicin suficiente para que un proceso real ocurra.

Para que un proceso real ocurra naturalmente, debe cumplirse al mismo tiempo la primera y segunda ley de la termodinmica.

INTRODUCCIONMayor cantidad de energa a alta temperatura se puede convertir en trabajo, por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energa a una menor temperatura.

La segunda ley se usa para determinar los limites tericos en el desempeo de sistemas de ingeniera de uso comn como maquinas trmicas y refrigeradores.

INTRODUCCIONLa segunda ley de la termodinmica nos permite identificar en que direccin ocurre un proceso. Los procesos ocurren en una cierta direccin y no en la direccin contraria.

Existe una propiedad denominada entropa que explica en que direccin se debe producir el flujo de energa.

Ejemplos: tasa de caf, sistema peso-paletas, otros

La segunda ley es tambin usada en determinar los limites tericos de funcionamiento de sistemas de energa usados comnmente, como las mquinas trmicas y refrigeradoras.

INTRODUCCIONEl uso de la Segunda ley de la Termodinamica no se limita a identificar la direccin de un proceso, sino que tambin indica que la energa tiene calidad adems de cantidad.

La primera ley trata con la cantidad de energa y las transformaciones de la energa de una forma a otra sin considerar la direccin del proceso ni la calidad de energa.

Preservar la calidad de la energa es uno de los principales objetivos del ingeniero. La segunda ley de la termodinmica nos permite determinar la calidad de la energa as como tambin el grado de degradacin de la energa durante un proceso.

RESERVORIOS TERMICOSUn reservorio trmico es definido como un cuerpo con una gran capacidad de energa trmica tal que pueda suministrar o absorber calor sin sufrir cambio de temperatura.

Ejemplos: ocanos, lagos, ros, esteros, la atmsfera, etc.

Un reservorio que suministra energa en la forma de calor se denomina fuente.

Un reservorio que absorbe energa en forma de calor se denomina sumidero.

MAQUINAS TERMICASComo se explic en el caso del sistema peso-paletas, el trabajo fcilmente puede ser convertido en otras formas de energa (p.e, calor) pero convertir otras formas de energa a trabajo no es fcil. (ver fig 6.8 texto guia)

De este ejemplo y de otros que ocurren en la naturaleza, se concluye que el trabajo puede ser convertido directamente y completamente en calor, pero convertir calor en trabajo requiere de un dispositivo denominado maquina trmica. (ver esquema)

MAQUINAS TERMICASLas caractersticas de cualquier maquina trmica son:

Reciben calor de una fuente de alta T.

Convierte parte del calor en trabajo.

Rechaza el calor remanente a un sumidero de baja temperatura.

Opera en un ciclo

MAQUINAS TERMICASUn maquina trmica tpica es la denominada planta de poder a vapor (ver fig. 6-10 texto guia).

El trabajo neto es igual a: Wnet = Wout Win

El funcionamiento de una maquina trmica opera en un ciclo, por lo que Wneto = Qneto

Qneto = Qin - Qout

MAQUINAS TERMICASPara representar que tan eficientemente se convierte el calor en trabajo, se define el trmino eficiencia trmica: la fraccin del calor de entrada que es convertida en trabajo neto.

En general, la eficiencia de cualquier sistema puede definirse como:

= produccin / consumo = salida deseada/ entrada requerida

MAQUINAS TERMICASPara una mquina trmica:

= trabajo neto / calor aadido

= Wneto / Qin = Wout Win / Qin

Tambin:

= Qneto/ Qin = (Qin Qout)/ Qin

ENUNCIADO DE KELVIN-PLANKEs imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor desde una fuente y producir una cantidad equivalente de trabajo.

Ninguna maquina trmica puede tener una eficiencia () del 100 %.

TAREA:Revisar las eficiencias de conversin de energa tpicas para diferentes sistemas, e investigar otras, mostrar a travs de ejemplos

REFRIGERADORESPor experiencia el flujo de calor es en la direccin de la disminucin de temperatura, esto es, desde un medio de alta temperatura hacia un medio de baja temperatura. Este proceso de transferencia de calor ocurre naturalmente sin requerir ningn dispositivo.

Sin embargo, el proceso reverso no puede ocurrir espontneamente.

La transferencia de calor desde un medio de baja temperatura a un medio de alta temperatura requiere de un dispositivo especial llamado refrigerador.

REFRIGERADORUn refrigerador al igual que una maquina trmica es un dispositivo cclico. El fluido de trabajo se denomina refrigerante.

El ciclo de refrigeracin mas utilizado se denomina ciclo de compresin de vapor. (ver esquema)

El objetivo de un refrigerador es remover calor desde el espacio refrigerado (evaporador). Para lograr aquello se necesita entregar Win o (Wc) a un compresor.

En un refrigerador la eficiencia se denomina coeficiente de desempeo (COP) = produccin / consumo = Qin / Win = Qin / (Qout Qin). Notar que COP puede ser mayor que 1.

ENUNCIADO DE CLAUSIUSEs imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y que no produzca otro efecto que la transferencia de calor desde un medio de baja temperatura a un medio de alta temperatura.

PROCESO REVERSIBLE E IRREVERSIBLELa segunda ley indica que ninguna maquina trmica puede tener una eficiencia del 100 %. Entones, Cual ser la mxima eficiencia posible para una maquina trmica?

Para responder a esta pregunta, primero tenemos que definir el concepto de proceso reversible.

Se define un proceso reversible como aquel que una vez realizado puede invertirse (volver a su estado inicial) sin producir ningn cambio ni en el sistema ni en sus alrededores.

PROCESO REVERSIBLE E IRREVERSIBLE

Un proceso que no cumple con esta condicin se denomina irreversible.

Un proceso reversible es un proceso ideal, es decir que no ocurre en la realidad. Todos los procesos reales son irreversibles.

Conociendo las causas de la irreversibilidad, es posible de disminuirlas para acercarnos lo mas posible a un proceso reversible.

Un ciclo formado por procesos reversibles es tambin reversible.

PROCESO REVERSIBLE E IRREVERSIBLEUn sistema puede regresar a su estado inicial siguiendo un proceso, ya sea a travs de un proceso reversible (ideal) o uno irreversible (real).

La diferencia esta en que a travs de un proceso reversible se puede regresar al estado inicial sin producir ningn cambio neto de calor y trabajo sobre los alrededores, en cambio a travs de un proceso irreversible, los alrededores usualmente hacen trabajo sobre el sistema y por lo tanto en el no se puede regresar a su estado inicial. Ejemplo: pistn-cilindro; bebida fra, etc. Tarea: Investigar los principales factores de irreversibilidad.

EL CICLO Y LA MAQUINA TERMICA DE CARNOT

Habiendo definido un ciclo reversible, se pregunta ahora cual es el ciclo mas eficiente posible?

Un ciclo formado por varios procesos reversibles y que se denomina ciclo de Carnot es aquel en el cual se puede obtener la mayor eficiencia trmica posible.

Una maquina trmica que pudiera trabajar segn este ciclo ideal se denomina maquina trmica de Carnot.

EL CICLO Y LA MAQUINA TERMICA DE CARNOTEste ciclo esta formado por los siguientes procesos:

Proceso isotrmico reversible (1-2)Proceso adiabtico reversible (isentrpico) (2-3)Proceso isotrmico reversible (3-4)Proceso adiabtico reversible (isentrpico) (4-1)

Diagrama P vs. v del ciclo de Carnot

EL CICLO Y LA MAQUINA TERMICA DE CARNOTLa sustancia de trabajo es un gas ideal.

A partir de la definicin de eficiencia trmica, se puede demostrar para el ciclo de Carnot lo siguiente:

= 1 (T2/T1)= 1 (TL/TH )

El resultado anterior nos muestra que la eficiencia de una mquina de Carnot solo depende de las temperaturas absolutas de la fuente y del sumidero.

EL CICLO Y LA MAQUINA TERMICA DE CARNOTPara buscar la mxima , T1 debe ser lo mas alta posible y T2 debe ser lo mas baja posible.

En la prctica lo que se controla es T1, por ejemplo, temperatura en la cmara de combustin de una caldera.

Para que la maquina trmica de Carnot tenga una del 100 % T2 debera ser 0 K (cero absoluto) pero esto no es posible, ya que no existe una sustancia que se encuentre a esa temperatura.

EL CICLO INVERTIDO DE CARNOT Y EL REFRIGERADOR DE CARNOTEl ciclo de la mquina trmica de Carnot descrito anteriormente es reversible, por lo tanto tambin lo sern los procesos invertidos. En este caso se denomina ciclo invertido de Carnot y el dispositivo que trabaja bajo este ciclo se denomina refrigerador de Carnot.

Se puede demostrar que el COP de un refrigerador de Carnot esta dado por:

COP = 1 / (T1/T2 1) = 1 / (TH/TL 1)

A continuacin se presenta el diagrama P- V de un ciclo invertido de Carnot.

CONCLUSIONLas maquinas trmicas y los refrigeradores que trabajan idealmente en ciclos reversibles representan modelos con los que las mquinas trmicas y refrigeradores reales se pueden comparar.

Tarea-LeccinQue es una bomba de calor?Cual es la produccin (salida deseada) y cual el consumo (la entrada requerida) para una bomba de calor?Grafique el ciclo de funcionamiento en los campos P-v y T-s, y los dispositivos que conforman una bomba de calor.Escriba el COP de una bomba de calor real y para una bomba de Carnot.

II LEY DE LA TERMODINAMICAEnunciado de Kelvin-Planck

Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo deposito y produzca una cantidad neta de trabajo.

Enunciado de Clausius

Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningn efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.

II LEY DE LA TERMODINAMICASegunda ley:

Esta ley plantea la imposibilidad de convertir 100 % de la energa trmica en trabajo til. Esta ley se podra definir de muchas formas, aqu se presenta dos posibles.

II LEY DE LA TERMODINAMICAEl calor nunca fluye por s mismo de un cuerpo fro a otro caliente.

Es imposible construir una mquina que, si opera continuamente, no produzca otro efecto que la extraccin de calor de una fuente y la realizacin de una cantidad equivalente de trabajo.

II LEY DE LA TERMODINAMICAEl calor siempre fluye de lo caliente a lo fro, en una maquina trmica, por ejemplo se generar una alta temperatura que servir para producir un trabajo til y una baja que ser desechada.

Tambin se podra afirmar que la calidad de la energa se va deteriorando, los sistemas se van degradando, as se ve como la gasolina que se quema en un motor de un carro y que se utiliza en una pequea parte, nunca se podr concentrar de nuevo, es un proceso irreversible, entonces toda la energa existe pero queda disipada y el desorden continuara sin retroceso.

II LEY DE LA TERMODINAMICAEntropaEs la medida de la cantidad de desorden y supone que la entropa se incrementa siempre. Suponga el caso de un automvil y vea la siguiente tabla:

II LEY DE LA TERMODINAMICABALANCE

Solo un 28% se utiliza el resto es energa que se disipa, se agrega al desorden mundial.Aun este 28 % no es totalmente utilizado en la aceleracin del vehculo. Salida de energa del motor 28% = energa utilizada en la aceleracin 3% + friccin en el rodamiento 6% + energa para los accesorios 3% + prdidas en marcha cuesta abajo y vaco 4% + resistencia del aire 7% + prdidas en la transmisin de potencia 3%.

II LEY DE LA TERMODINAMICAEntonces la entropa es un hecho real, hay una energa que se quema, parte se utiliza, otra se disipa y el proceso es irreversible.

La entropa se enuncia de la siguiente forma:

S = Q/TS= Cambio de entropaQ= Cantidad de calor agregado al sistema T=Temperatura del sistema

*********************************************************************