5.Segunda Ley de La Termodinamica
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CONSTRUIMOS FUTURO TERMODINAMICA La segunda ley de la termodinámica Ing. Juan Pablo Consuegra Torres Ingeniero Mecánico UIS Estudiante de Maestría en Ingeniería Mecánica UIS
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CONSTRUIMOS FUTURO
TERMODINAMICA
La segunda ley de la
termodinámica
Ing. Juan Pablo Consuegra Torres
Ingeniero Mecánico UIS
Estudiante de Maestría en Ingeniería Mecánica UIS
CONSTRUIMOS FUTURO
CONTENIDO:
1. Introducción.
2. Depósitos de energía térmica.
3. Maquinas térmicas.
4. Refrigeradores y bombas de calor.
5. Máquinas de movimiento perpetuo.
6. Procesos reversibles e irreversibles.
7. Ciclo de Carnot.
8. Principios de Carnot.
9. La maquina térmica de Carnot.
10.El refrigerador de Carnot y la bomba de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
Dirección y calidad de la energía
Dirección de los procesos de transferencia de
energía
1. Introducción.
CONSTRUIMOS FUTURO
El uso de la segunda ley de la termodinámica no se limita
a identificar la dirección de los procesos, también afirma
que la energía tiene calidad así como cantidad.
La segunda ley de la termodinámica se usa también para
determinar los limites teóricos en el desempeño de
sistemas de ingeniería.
Un proceso no puede tener lugar a menos que satisfaga
tanto la primera como la segunda ley de la
termodinámica.
1. Introducción.
CONSTRUIMOS FUTURO
DEPÓSITOS DE ENERGÍA TERMICA
Es muy conveniente tener un hipotético cuerpo que
posea una capacidad de energía térmica relativamente
grande (masa X calor especifico) que pueda suministrar o
absorber cantidades finitas de calor sin experimentar
ningún cambio de temperatura.
Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica.
2. Depósitos de energía térmica.
CONSTRUIMOS FUTURO
Un cuerpo no tiene que ser muy grande para considerarlo
como un depósito.
Cualquier cuerpo físico cuya capacidad de energía
térmica es grande con respecto a la cantidad de energía
que suministra o absorbe se puede modelar como
depósito.
2. Depósitos de energía térmica.
CONSTRUIMOS FUTURO
Un depósito que suministra energía en la forma de calor
se llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de
calor se llama sumidero.
Los depósitos de energía térmica
suelen denominarse depósitos de
calor porque proveen o absorben
energía en forma de calor.
2. Depósitos de energía térmica.
CONSTRUIMOS FUTURO
MÁQUINAS TÉRMICAS
El trabajo se puede convertir en calor de manera directa y
por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere
usar algunos dispositivos especiales.
Estos dispositivos se llaman
máquinas térmicas.
3. Máquinas térmicas.
CONSTRUIMOS FUTURO
Las maquinas térmicas se pueden caracterizar mediante:
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 forma de flecha rotatoria).
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de
calor de baja temperatura (la atmosfera, los ríos, etc.).
4. Operan en un ciclo.
3. Máquinas térmicas.
CONSTRUIMOS FUTURO
El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a
la definición de una máquina térmica es la central
eléctrica de vapor.
3. Máquinas térmicas.
entradasalidasalidaneto WWW ,
salidaentradasalidaneto QQW ,
CONSTRUIMOS FUTURO
Eficiencia térmica:
La fracción de la entrada de calor que se convierte en
salida de trabajo neto es una medida del desempeño de
una maquina térmica y se llama eficiencia térmica .
3. Máquinas térmicas.
ter
entrada
salidater
entrada
salidaneto
ter
Q
Q
Q
W
totalcalordeEntrada
netotrabajodeSalidatermicaEficiencia
1
,
CONSTRUIMOS FUTURO
Las maquinas térmicas, los
refrigeradores y las bombas de calor
operan entre un medio de alta
temperatura (o depósito) a temperatura
y otro de baja temperatura (o depósito) a
temperatura .
Como nomenclatura se tiene que:
magnitud de la transferencia de
calor entre el dispositivo cíclico y el
medio de alta temperatura .
magnitud de la transferencia de
calor entre el dispositivo cíclico y el
medio de baja temperatura .
3. Máquinas térmicas.
HQ
LQ
HT
LT
CONSTRUIMOS FUTURO
Observe que están definidas como magnitudes,
por lo tanto son cantidades positivas.
La eficiencia térmica de una maquina térmica siempre es
menor a la unidad por se definen como
cantidades positivas.
3. Máquinas térmicas.
LHsalidaneto QQW ,
H
Lter
H
salidaneto
ter
Q
Q
Q
W
1
,
LH QyQ
LH QyQ
CONSTRUIMOS FUTURO
• Ejemplo:
Se transfiere calor a una maquina térmica desde un horno
a una tasa de 80 MW. Si la tasa de rechazo de calor hacia
un rio cercano es 50 MW, determine la salida de potencia
neta y la eficiencia térmica para esta maquina térmica.
3. Máquinas térmicas.
CONSTRUIMOS FUTURO
La segunda ley de la termodinámica : enunciado de
Kelvin-Planck
“ Es imposible para cualquier dispositivo que funcione en
un ciclo recibir calor de un solo depósito y producir una
cantidad neta de trabajo “
Enunciado Kelvin-Plank
Lo cual nos dice que ninguna
maquina térmica puede tener una
eficiencia térmica de 100%.
3. Máquinas térmicas.
CONSTRUIMOS FUTURO
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
La transferencia de calor de un medio que se encuentra a
baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere
dispositivos especiales llamados refrigeradores.
El ciclo de refrigeración que se utiliza con mayor
frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión por
vapor.
4. Refrigeradores y bombas de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
Componentes del ciclo de refrigeración por compresión
por vapor:
Un compresor
Un condensador
Una válvula de expansión
Un evaporador.
4. Refrigeradores y bombas de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
4. Refrigeradores y bombas de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
Coeficiente de desempeño:
La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos
del coeficiente de desempeño (COP, Coeficient Off
Performance), el cual se denota mediante COPR.
4. Refrigeradores y bombas de calor.
1
1
,
L
HLH
L
entradaneto
LR
Q
QQQ
Q
W
Q
requeridaentrada
deseadasalidaCOP
CONSTRUIMOS FUTURO
Bombas de calor: El objetivo es mantener un espacio
calentado a una temperatura alta. Se logra absorbiendo
calor desde una fuente que se encuentra a temperatura
baja.
La medida de desempeño de una bomba de calor también
se expresa en términos del coeficiente de desempeño
definido por:
4. Refrigeradores y bombas de calor.
1
1
1
,
RHP
H
LLH
H
entradaneto
HHP
COPCOP
Q
QQQ
Q
W
Q
requeridaEntrada
deseadaSalidaCOP
HPCOP
CONSTRUIMOS FUTURO
4. Refrigeradores y bombas de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
La segunda ley de la termodinámica : enunciado de
Clausius:
“ Es imposible construir un dispositivo que funcione en
un ciclo y cuyo único efecto sea producir la transferencia
de calor de un cuerpo de temperatura más baja a un
cuerpo de temperatura más alta “
Un refrigerador no puede operar a
menos que su compresor sea
propulsado mediante una fuente de
energía externa.
4. Refrigeradores y bombas de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
Equivalencia de los dos enunciados
Los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius son
equivalentes en sus consecuencias, y se puede usar
cualquiera como expresión de la segunda ley de la
termodinámica.
Cualquier dispositivo que viole el enunciado de Kelvin-
Planck también viola el de Clausius, y viceversa.
4. Refrigeradores y bombas de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
MAQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO
Cualquier dispositivo que viola alguna de las dos leyes de
la termodinámica se llama maquina de movimiento
perpetuo.
Un dispositivo que viola la primera ley de la
termodinámica se llama maquina de movimiento perpetuo
de primera clase, y otro que viola la segunda ley se llama
maquina de movimiento perpetuo de segunda clase.
5. Máquinas de movimiento perpetuo.
CONSTRUIMOS FUTURO
Maquina de movimiento perpetuo de primera clase.
5. Máquinas de movimiento perpetuo.
CONSTRUIMOS FUTURO
Maquina de movimiento perpetuo de segunda clase.
5. Máquinas de movimiento perpetuo.
CONSTRUIMOS FUTURO
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
Un proceso reversible se define como un proceso que se
puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores.
Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la
naturaleza, solo son idealizaciones de procesos reales.
Los procesos reversibles pueden ser considerados como
limites teóricos para los irreversibles correspondientes.
6. Procesos reversibles e irreversibles.
CONSTRUIMOS FUTURO
EL CICLO DE CARNOT
El ciclo reversible mas conocido es el ciclo de Carnot
propuesto en 1824 por el ingeniero frances Sadi Carnot.
Es un ciclo termodinámico ideal
reversible entre dos fuentes de
temperatura, en el cual el rendimiento
es máximo.
7. Ciclo de Carnot.
T1
T2
Q1
Q2
W
CONSTRUIMOS FUTURO
El ciclo de Carnot se compone de 4 procesos reversibles,
dos isotérmicos y dos adiabáticos así:
7. Ciclo de Carnot.
CONSTRUIMOS FUTURO
• Expansión isotérmica
(Proceso 1~2 diagrama)
• Expansión adiabática
(Proceso 2~3 diagrama)
• Compresión isotérmica
(Proceso 3~4 diagrama)
• Compresión adiabática
(Proceso 4~1 diagrama)
7. Ciclo de Carnot.
21
2211
TT
VPVP
0ln
1
212
V
VnRTQW hh
1
33
1
22
3322
VTVT
VPVP
0
)( 3223
Q
TTCW v
43
4433
TT
VPVP
434
3
ln 0L c
VW Q nRT
V
1
11
1
44
1144
VTVT
VPVP
0
)( 1441
Q
TTCW v
CONSTRUIMOS FUTURO
7. Ciclo de Carnot.
Trabajo total
Rendimiento
1 1L L
h h
Q T
Q T
LHsalidaneto QQW ,
CONSTRUIMOS FUTURO
7. Ciclo de Carnot.
Ciclo de Carnot inverso:
Como el ciclo de Carnot es
totalmente reversible, el
ciclo inverso se convierte
en el ciclo de refrigeración
de Carnot.
El ciclo es el mismo
solamente que se invierten
las direcciones de los
procesos.
CONSTRUIMOS FUTURO
7. Ciclo de Carnot.
Trabajo total
Rendimiento
1 1
11hh
LL
TQ
TQ
LHsalidaneto QQW ,
CONSTRUIMOS FUTURO
8. Principios de Carnot.
PRINCIPIOS DE CARNOT:
• La eficiencia de una maquina
térmica irreversible es siempre
menor que la eficiencia de una
maquina reversible que opera
entre los mismo dos
depósitos.
• Las eficiencias de las
maquinas térmicas reversibles
que operan entre los mismo
dos depósitos son las mismas.
CONSTRUIMOS FUTURO
La maquina térmica de Carnot
La eficiencia térmica de cualquier maquina térmica
reversible o irreversible se determina mediante la
ecuación:
Para maquinas térmicas reversibles la relación de
transferencia de calor se puede reemplazar por las
temperaturas absolutas de los dos depósitos:
9. La maquina térmica de Carnot.
H
Lter
Q
Q1
H
Lrevter
T
T1,
CONSTRUIMOS FUTURO
9. La maquina térmica de Carnot.
imposibletérmicamáquina
reversibletérmicamáquina
leirreversibtérmicamáquina
revter
revter
revter
ter
,
,
,
Todas las maquinas térmicas irreversibles que operen
entre estos limites de temperatura tiene eficiencias
menores.
CONSTRUIMOS FUTURO
9. La maquina térmica de Carnot.
1
1
L
HR
T
TCOP
CONSTRUIMOS FUTURO
Ejemplo:
Una maquina térmica de calor como la mostrada en la
figura, recibe 500 kJ por ciclo desde una fuente de alta
temperatura a 652 °C y rechaza calor hacia un sumidero
de baja temperatura a 30 °C.
Determine: a) la eficiencia de
esta maquina de Carnot y
b) la cantidad de calor rechazada
por ciclo hacia el sumidero.
9. La maquina térmica de Carnot.
CONSTRUIMOS FUTURO
10. El refrigerador de Carnot y la bomba de calor.
El refrigerador de Carnot y la bomba de calor
El coeficiente de desempeño de cualquier refrigerador o
bomba de calor se expresan por:
Los COP de los refrigeradores y las bombas de calor
reversibles se pueden determinar por:
H
LHP
L
HR
COP
COP
1
1
1
1
H
LrevHP
L
HrevR
TT
COP
TT
COP
1
1
1
1,,
CONSTRUIMOS FUTURO
9. La maquina térmica de Carnot.
imposibleorrefrigeradCOP
reversibleorrefrigeradCOP
leirreversiborrefrigeradCOP
COP
revR
revR
revR
R
,
,
,
Los coeficientes de desempeño de refrigeradores reales y
reversibles que operan entre los mismos limites de
temperatura se pueden comparar como sigue:
Se puede hacer un análisis similar para las bombas de
calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
10. El refrigerador de Carnot y la bomba de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
Ejemplo:
Un inventor afirma haber fabricado un refrigerador que
mantiene el espacio refrigerado a 35 °F mientras opera en
un espacio donde la temperatura es de 75 °F, además de
tener un COP de 13,5 ¿Es razonable esta afirmación?
10. El refrigerador de Carnot y la bomba de calor.
CONSTRUIMOS FUTURO
FIN
