Capitulo_7(2da.Ley-Termodinámica)

CAPITULO 7 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICAOBJETIVOSEl objetivo de este captulo es introducir los conceptos bsicos y definiciones requeridos por la segunda ley de la Termodinmica. Tambin se consideran un conjunto de deducciones que pueden denominarse colorarios del mismo.Introducir el concepto de entropa. Presentar el ciclo y la mquina de CARNOT.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.

ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.

7.1 IntroduccinLa Ingeniera Termodinmica desempea un papel vital en el diseo de mltiples procesos, dispositivos y sistemas en la industria.- El primer principio de la termodinmica, nos permite afirmar que las diversas formas de energa son equivalentes, pero no nos dice nada en cuanto a la posibilidad de la conversin de un cierto tipo de energa en otro y a las limitaciones que pueden o no existir para dicha transformacin. Es el segundo principio el que nos indicar las limitaciones que existen en las transformaciones energticas.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Aplicaciones de la termodinmica en el campo de la Ingeniera.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Aplicaciones de la termodinmica en el campo de la Ingeniera.El trabajo realizado por el cuerpo que baja hace aumentar la energa interna del aire contenido en el volumen fijo, es imposible que el aire se use para hacer girar las paletas y suba el peso.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.2 ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICAa) Enunciado de Carnot:Nicols Lonard Sadi Carnot (1796 - 1832)Para entender adecuadamente el enunciado de Carnot del segundo principio debemos, en primer lugar, definir lo que se entiende en l por mquinas trmicas.Se entiende por mquina trmica todo equipo que transforma calor en trabajo mecnico operando cclicamente. Es decir, que toda mquina trmica est constituida por ciertos mecanismos y algn fluido que evoluciona en ellos, de manera que al describir dicho fluido un ciclo termodinmico se produce la conversin de una cierta cantidad de calor en trabajo mecnico.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.2 ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICAING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Con dicho concepto de mquina trmica el enunciado de Carnot puede expresarse:Toda mquina trmica requiere para su funcionamiento al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La mquina funcionar tomando calor de la fuente de mayor temperatura, que denominaremos fuente caliente, producir trabajo y entregar calor a la fuente de menor temperatura, que llamaremos fuente fra.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


El esquema representativo de una mquina trmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot del segundo principio se indica en la figura siguiente:ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


b) Segn Kelvin-Plank: Es imposible construir una mquina con un solo depsito de calor que, mientras funcione siguiendo un ciclo, produzca otros efectos que el de realizar trabajo a base de tomar calor de dicho depsito enfrindolo.Este enunciado de Kelvin- Planck exige que cualquier dispositivo cclico que produzca un trabajo neto intercambie calor por lo menos con dos fuentes trmicas a diferentes temperaturas.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.FUENTEPROCESO CICLICOQQ=WIMPOSIBLE


Postulado de Kelvin-Planck:El postulado exige que los motores trmicos funcionen entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Sin embargo, el cuerpo a baja temperatura no puede ser una fuente de energa como lo es de alta temperatura.



c) Segn Clausius:IMPOSIBLEING. CARLOS FIDEL CRUZ M.FUENTE CALIENTETemperatura T1FUENTE FRIATemperatura T2MQUINACCLICA


Segn Clausius:Es imposible la existencia de un sistema que pueda funcionar de modo que su nico efecto sea una transferencia de energa mediante calor de un cuerpo fro a otro ms caliente.- Esta exigencia describe simplemente una mquina frigorfica, un dispositivo que funciona cclicamente, transfiere energa trmica desde una regin de baja temperatura a otra de alta temperatura.



d) Segn Hatsopoulos - KeenanCualquier sistema con ciertas restricciones especificadas y que tenga un lmite superior en su volumen puede, desde cualquier estado inicial, alcanzar un estado de equilibrio estable sin ningn efecto sobre el ambiente.Un colorario importante del enunciado de H.K. es:Si un sistema esta en equilibrio estable, no puede cambiar a otro estado de equilibrio estable con un trabajo neto de salida como el nico efecto externo al sistema.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.3 PROCESOS IRREVERSIBLESSe dice que un proceso es irreversible si, una vez que el proceso ha tenido lugar, resulta imposible devolver al sistema y a todas las partes del entorno a sus respectivos estados iniciales.Por ejemplo utilizaremos el enunciado de Kelvin Planck para demostrar la irreversibilidad de un proceso con rozamiento. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


El bloque que generalmente est en reposo en la parte superiorAplicando el balance de energa para sistemas cerrados.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


En resumen los procesos irreversibles incluyen una o mas de las siguientes irreversibilidades:Transferencia de calor a travs de una diferencia finita de temperaturas.Expansin libre de un gas lquido hasta una presin ms baja.Reaccin qumica espontnea.Mezcla espontnea de sustancias con diferente composicin o estado.Rozamiento- tanto de deslizamiento como de viscosidad en el seno de un fluido.Flujo de corriente elctrica a travs de una resistencia elctrica.Magnetizacin o polarizacin con histresis.Deformacin inelstica.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOSING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.4. Desigualdad de ClausiusConsidrese un sistema B, y aplicando la primera ley al sistema, la ecuacin es:

Los flujos de energa tienen lugar simultneamente se obtendr:



Aplicando la primera ley al motor R da:Sustituyendo el calor que recibe, obtenemos

Para un sistema A el trabajo total esING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Concluimos que:Finalmente la relacin conocida con el nombre de desigualdad de Clausius, es:

; Smbolo para un incremento infinitesimal de una funcin de camino.



7.5 La entropa base de la segunda Ley de la TermodinmicaSi los procesos son todos reversibles, ningn trabajo neto tendr que suministrarse, en otras palabras, la integral cclica de dWA es igual a cero y, por tanto, podemos escribir la expresin de la desigualdad de Clausius:

Esta ecuacin conduce a un resultado importante. Si la integral a lo largo del ciclo arbitrario de una magnitud es cero, entonces la magnitud es una propiedad y se le ha dado el nombre de entropa, llamada tambin Ecuacin de la segunda Ley de la Termodinmica.



La ecuacin de variacin de calor que experimenta una determinada sustancia es:Realizando la integracin:



Para un camino finito e internamente reversible;As las leyes primera y segunda son semejantes en cuanto a que ambas conducen a la definicin del cambio de una propiedad en funcin de las interacciones de la frontera de un sistema cerrado.El segundo trmino de las ecuaciones anteriores se interpreta como una medida de transferencia de entropa asociada a la transferencia de calor.El cambio de entropa real es:

Siendo Sp la variante produccin de entropa ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.6 EFICIENCIA 0 RENDIMIENTO DE UNA MAQUINA TRMICAEn trminos generales el rendimiento es igual al servicio sobre el gasto, es decir la produccin obtenida sobre el consumido.

El rendimiento trmico de un ciclo ser igual a la produccin de trabajo de dicho ciclo, es decir, el calor convertido en trabajo sobre el calor consumido, se expresa por la siguiente ecuacin:ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.7 El ciclo de CARNOTSe mencion anteriormente que las mquinas son dispositivos cclicos y que el fluido de trabajo de una de estas mquinas vuelve a su estado inicial al final de cada ciclo. Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y durante otra se hace trabajo sobre el fluido. La diferencia entre estos dos momentos es el trabajo neto que entrega la mquina trmica.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.7 El ciclo de CARNOTEl ciclo de CARNOT es un ciclo considerado como el de mayor rendimiento trmico, por que el calor convertido en trabajo trmico es mayor con respecto a otros ciclos.Los ciclos ideales de las mquinas trmicas sirven tambin como patrones de comparacin con ciclos reales de estas mquinas. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


El ciclo de CARNOT est compuesto de cuatro procesos:1-2 Proceso isotrmico de expansin; se expande por que hay disminucin de presin y aumento de volumen, en este proceso se suministra calor al fluido operante.2-3 Proceso isentrpico de expansin; donde el fluido operante al expandirse produce trabajo.3-4 Proceso isotrmico de compresin; internamente reversible durante la cual se cede un calor al medio exterior.4-1 Proceso isentrpico de compresin; el fluido de trabajo alcanza la temperatura alta inicial.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Diagramas tpicos para un gas ideal que experimenta un ciclo de CARNOT.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.8 CICLO DE REFRIGERACIN Y BOMBA DE CALOREl segundo principio de la Termodinmica impone lmites a las prestaciones de los ciclos de refrigeracin y bomba de calor del mismo modo que a las de los ciclos de potencia.Para un ciclo de refrigeracin el coeficiente de operacin (coef efecto frigorfico) es:

El coeficiente de operacin para un ciclo de bomba de calor es:



7.8 CICLO DE REFRIGERACIN Y BOMBA DE CALORING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


7.8 CICLO INVERSO DE CARNOTPara introducir algunos aspectos importantes de la refrigeracin empezaremos considerando un ciclo de Carnot de refrigeracin de vapor.Este ciclo se obtiene invirtiendo el ciclo de Carnot de potencia de vapor. Todos los procesos son internamente reversibles. Ademas como la transferencia de calor entre el refrigerante y cada foco ocurre sin diferencia de temperaturas, no hay irreversibilidades externas.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Los deseos primarios de todas las personas son:- SALUD - DINERO - AMOREl gran secreto es seguir unos pasos en la vida.

1 Saber que existe Dios y darle gracias.2 Quererte a Ti mismo sintindote importante.3 Poner en practica todo lo que dices que eres, tener propsitos para lograr metas.4 No envidiar a nadie por lo que alcanzaron.5 No albergar rencor hacia nadie.6 No puedes tomar las cosas que no te pertenecen.7 No debes maltratar a nadie todos merecen respeto.8 Lo tico como principio.9 El orden, limpieza, integridad puntualidad y responsabilidad.10 Levntate con deseo de superacin y una sonrisa en los labios.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


Guarda este secreto en tu mente y tu corazn.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


PROBLEMASUn inventor sostiene que ha desarrollado un ciclo de Potencia capaz de producir un trabajo neto de 410 kJ a partir de un consumo de energa, por transferencia de calor de 1000 kJ. El sistema que realiza el ciclo recibe el calor de un flujo de gases calientes cuya temperatura es de 500 K y descarga calor a la atmsfera a 300 K. Evale esta afirmacin.ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.


EVALUACIN1. De los siguientes enunciados de la segunda ley, cul es incorrecto?La entropa de un sistema aislado debe permanecer constante o aumentar.La entropa de un bloque de cobre caliente disminuye a medida que se enfra.Si se derrite hielo en agua en un recipiente aislado, la entropa neta disminuye.Debe introducirse trabajo si se transfiere energa de un cuerpo fro a uno caliente.2. Una mquina opera con agua geotrmica a 100 C. Descarga a un arroyo a 20 C. Su eficiencia mxima es ms cercana a: a) 21% b) 32 % c) 58% d) 80%3. Un inventor dice que una mquina trmica opera entre capas ocenicas a 300 K y 200 K. Produce 100 kW y descarga 12000 kJ/min. Esta mquina es:a) Posible b) Imposible c) Reversible d) Probable.4. Seleccione un enunciado incorrecto que relacione con el ciclo de CARNOT.Ocurre trabajo para los cuatro procesos.Cada transformacin es un proceso reversibleHay dos procesos a presin constante.5. Calcule el cambio total de entropa si 10 kg de hielo a 0 C se mezcla con 20 kg de agua a 20 C. El calor de fusin del hielo es 340 kJ/kg.a) 6,1 kJ/k b) 3,9 kJ/K c)1,2 kJ/K d) 0,21 kJ/kIN G. CARLOS FIDEL CRUZ M.


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