Termodinámica

Segunda ley de la

termodinámica

Ing. Víctor Vega

Termofluidos IE-0281

Temas

Generalidades

Máquinas térmicas

Eficiencia térmica y coeficiente de rendimiento

Segunda ley de la termodinámica

Enunciados de Kelvin y Plank, y Clausius

El proceso reversible

Factores que hacen irreversibles los procesos

El ciclo de Carnot

Cuatro procesos básicos de un ciclo de Carnot

Dos proposiciones sobre la eficiencia de un ciclo de Carnot

Salida de la potencia y el ciclo de Carnot

Observaciones alrededor del ciclo de Carnot

Generalidades

La primera ley no tiene restricciones en cuanto a la dirección

del flujo de calor y trabajo.

Yendo más allá se sabe que no porque un sistema cumpla la

primera ley significa que pueda ocurrir.

De aquí parte la segunda ley de la termodinámica,

pudiéndose asegurar que un proceso ocurrirá si se cumple la

primera y segunda ley de la termodinámica.

La segunda ley establece las bases que justifican que un

proceso puede llevarse a cabo de cierta forma y no en

dirección opuesta.

Concepto

Además de nuestra experiencia sabemos para dos cuerpos a

diferentes temperaturas. El calor será transferido del que tiene

una temperatura mayor al de más baja.

Siendo imposible que lo inverso ocurra.

Máquina térmica

Se define como: un componente que está sometido a un ciclo

termodinámico y cierta cantidad de trabajo neto positivo se

realiza a través de la transferencia de calor de un cuerpo de

mayor temperatura a uno de menor.

Al levantar un peso durante un ciclo, el trabajo fue hecho por el

gas. De manera que es positivo, al igual que la transferencia de

calor.

Eficiencia térmica

Para una máquina térmica se define como salida y la

entrada, es decir: la relación entre la energía requerida y el

costo de producirla.

Planta térmica: 35-50%

Motor de gasolina: 30-35%

Motor de diesel: 30-40%

Coeficiente de rendimiento

(COP)

La eficiencia de un refrigerador se expresa como la energía

requerida (el calor transferido del espacio refrigerado) y el

costo de producirla (W). Así:

La refrigeradora de una casa presenta un valor cercano a

2,5. Unidades con un enfriado profundo pueden tener un

coeficiente cercano a 1.

Un depósito de calor es un cuerpo del cual se transfiere

calor indefinidamente sin cambiar su temperatura.

La atmósfera y el océano se aproximan a esta definición.

Si de este recipiente se transfiere calor se dice fuente. En

caso que el calor sea transferido a él se dice sumidero.

Segunda ley de la

termodinámica

Existen dos enunciados de la termodinámica clásica

conocidos como el enunciado de Kelvin y Plank y el

enunciado de Clausius.

Enunciado de Kelvin y Plank

Es imposible construir un componente que opere en un

ciclo y produzca sólo el efecto de subir un peso e

intercambiar calor con un recipiente simple.

Lo que es igual a afirmar que no existe ninguna máquina

térmica capaz de tener una eficiencia de 100%.

Enunciado de Clausius

Es imposible construir un componente que opere en un

ciclo y produzca sólo el efecto de transferir calor de un

cuerpo frío a uno caliente.

De lo anterior, ambos enunciados nacen de evidencias

experimentales.

Si no se cumple alguno de los dos enunciados se viola de

forma automática el restante. Y si por contrario uno se

cumple, se cumple el otro.

Además, define que es imposible construir una máquina

con movimiento perpetuo.

Proceso reversible

Es un proceso que una vez que se lleva a cabo se puede revertir

sin provocar cambios al sistema o a los alrededores.

Irreversible

Reversible

Factores que hacen irreversibles

los procesos

Fricción

Expansión sin restricción

Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura

Mezcla de dos sustancias diferentes

Fricción

Algo del calor se transfiere del sistema a los alrededores

hasta que el bloque llegue a su temperatura inicial.

Expansión sin restricción

Para se restablecer la condición inicial se debe comprimir

el gas y se transfiere calor a los alrededores

Transferencia de calor a través de una

diferencia finita de temperatura

Si se transfiere calor de un cuerpo caliente a uno de baja temperatura, la única forma para que el sistema retorne a la condición inicial es por medio de refrigeración.

Por lo que se debe hacer trabajo en los alrededores y transferir un poco de calor del sistema al entorno para que el sistema vuelva a la condición inicial. Así se dice que es irreversible.

Se tiene un proceso de transferencia de calor reversible cuando la temperatura de dos cuerpos se aproxima a cero.

Mezcla de dos sustancias

diferentes

Si se rompe la membrana se forma una fase homogénea.

Para separar dichas sustancias se requiere cierta cantidad

de trabajo (planta separadora de aire) que hace que el

proceso sea irreversible.

El ciclo de Carnot

Si se asume que se tiene un proceso donde los depósitos

de calor de alta y baja temperatura permanecen

constantes.

Que se opera en un ciclo donde cada proceso es

reversible, entonces se dice que es un ciclo de Carnot.

Siendo el más eficiente que se puede obtener entre dos

fuentes de temperatura.

Para que el proceso de

transferencia de calor sea

reversible, la temperatura del

agua debe ser infinitesimalmente

menor que la temperatura de la

fuente.

El primer proceso del ciclo de

Carnot es isotérmico reversible.

El siguiente proceso ocurre en la

turbina sin transferencia de calor

(adiabático reversible). El fluido

disminuye desde la temperatura

de la fuente de alta temperatura

hasta la de baja temperatura.

Luego en un proceso isotérmico

se rechaza calor a la fuente de

baja temperatura. La temperatura

del fluido de trabajo es

infinitesimal

mente mayor que la de la fuente

de

baja temperatura.

El proceso final es adiabático

reversible, la temperatura del

fluido aumenta de la temperatura

baja a la alta.

4 procesos básicos de un ciclo de

Carnot

1. Isotérmico reversible donde se transfiere calor hacia una fuente de alta temperatura o desde ella.

2. Adiabático reversible en donde la temperatura del fluido disminuye desde la temperatura alta a temperatura baja.

3. Isotérmico reversible donde el calor se transfiere desde o hacia una fuente de baja temperatura.

4. Adiabático reversible donde la temperatura del fluido se incrementa desde una temperatura baja hasta una temperatura alta.

Dos proposiciones sobre la

eficiencia de un ciclo de Carnot

1. Es imposible construir una máquina que opere entre dos

fuentes dadas y sea más eficaz que una máquina

reversible que trabaje entre las mismas dos fuentes.

2. Todas las máquinas que funcionan en el ciclo de Carnot

entre dos fuentes dadas de temperatura constante tienen

la misma eficiencia.

Salida de la potencia y el ciclo

de Carnot

La máxima eficiencia teórica se da en ciclos

reversibles.

H

Cmax 1

T

TCiclo de potencia

CH

Cmax

TT

T

Ciclo de refrigeración

CH

Hmax

TT

T

Ciclo de bomba térmica

Observaciones alrededor del ciclo de

Carnot

Si la eficiencia de un ciclo es igual a la de Carnot el

proceso es reversible.

Si la eficiencia de un ciclo es menor que la de Carnot es

irreversible.

Si la eficiencia de un ciclo se prevé mayor a la de Carnot

esté ciclo es imposible de realizar.

Ejemplos y ejercicios

Dos máquinas térmicas operan entre el mismo recipiente de calor, recibiendo el mismo QH. Una máquina es reversible y la otra no. ¿Qué se puede decir del QL para el no reversible?

Para cada uno de los siguientes casos, determine si la máquina térmica cumple la primera ley y si viola la segunda ley:

QH = 6 kW QL = 4 kW W = 2 kW

QH = 6 kW QL = 0 kW W = 6 kW

QH = 6 kW QL = 2 kW W = 5 kW

QH = 6 kW QL = 6 kW W = 0 kW

Una máquina cíclica, recibe 325 kJ de un depósito a 1000

K. Rechaza 125 kJ a 400K y el ciclo produce 200 kJ de

trabajo. Es este ciclo reversible, irreversible o imposible?