Ley Maquinas Termicas

8/11/2019 Ley Maquinas Termicas

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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA

EXPERIENCIA:

Dos consecuencias empricas y el sentido de evolucin de los procesos:Siempre se observa transferencia de energa trmica desde un sistema de mayor temperatura a otro conmenor temperatura, y aunque la 1 Ley lo permite, nunca se observa el caso contrario.Siempre es posible transformar todo el trabajo en calor, pero nunca se ha conseguido transformar todo elcalor en trabajo, aunque la 1 Ley lo permita.Hay procesos que slo pueden seguirse en una direccin y no en la opuesta:

El objeto de la segunda Ley termodinmica es establecer la posible evolucin de un proceso.

DEFINICIONES: Bao, depsito o fuente trmica; Bao, depsito o sumidero trmico, bao fro, baocaliente.Maquina trmica: Sistema termodinmico que recibe calor (QH) de un bao caliente, cede calor (QL) aun bao fro y produce trabajo (W), todo ello en un proceso cclico. Ejemplo de una central elctricajunto con el diagrama general de las mquinas trmicas:

Dos advertencias:* El fluido que sigue el ciclo es el mismo en la central elctrica, pero no tiene porque ser as como ocurreen los motores de combustin como veremos.

* Por definicin QH, QLy W se toman como cantidades positivas (naturalmente esto genera confusin yhay que tener cuidado: cuando se use la 1 Ley como el calor Q Lsale del sistema (o VC) habr que ponerun signo negativo).

Q

P R O C E S O

CALDERA

CONDENSADOR

TURBINA

BOMBA

QH

QL

W


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La 1 Ley establece que: U=Q-W=QH QL W, como el proceso es un ciclo (U=0):

QH QL= W

No todas las mquinas obtienen el mismo trabajo consumiendo el mismo calor y por tanto, se definerendimiento o eficienciade una mquina al cociente entre lo que se desea (trabajo) y lo que se gasta(QH):

= W/QH = (QH QL)/QH= 1 QL/QH,

que necesariamente tiene que ser


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Son mquinas trmicas usadas en la direccin opuesta: gastando trabajo, W, se saca energa de unbao fri, QL, y se cede calor, QH, a un bao caliente. La 1 Ley exige que W+QL=QH, es decir QH>QL

Segn se utilice para enfriar el bao fro o calentar el caliente se llama refrigerador o bomba de calorrespectivamente. Los acondicionadores de aire suelen actuar de las dos formas mediante un sistema decontroles de forma que en invierno enfran la calle para calentar la casa y en verano al revs.

Coeficientes de operacin o rendimiento (NO ES LO MISMO QUE )COP(refrigerador) =energa deseada/coste energtico =QL/W = 1/(QH/QL 1)

que puede ser mayor que 1.COP(bomba de calor)=energa deseada/coste energtico= QH/W = 1/(1 QL/QH)que es necesariamente mayor que 1

De lo dicho podemos concluir con otro enunciado de la 2 Ley debido a Clausius:Es imposible para cualquier mquina trmica recibir calor de un bao fro y cederlo a un bao caliente singasto de trabajo.

Equivalencia entre los dos enunciados

Movimientos perpetuos de primera y segunda especie: mquinas que violan el premier o el segundoprincipio de la termodinmica.

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

.

REVERSIBLES: LOS QUE SE PUEDEN VOLVER A RECORRER ESTADO A ESTADO, DEL SISTEMA YEL RESTO DEL UNIVERSO, EN SENTIDO OPUESTO.

IRREVERSIBLES: LOS QUE NO SON REVERSIBLES.

No olvide que siempre tenemos el sistema y el resto del universo.Observaciones Ningn proceso real es reversible: cadas, roturas, mezclas, friccin, deformaciones, transferencia

de calor, ... La irreversibilidad suele estar ligada a la violencia del proceso y exigen mayor cantidad de trabajo

o generan menor cantidad de trabajo siempre en contra nuestra! Reducen el rendimiento decualquier dispositivo termodinmico.

QH

TL

QH+QL

W=QH

QL

=100%

TH

QL

QL


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Los procesos reversibles son infinitamente lentos. El proceso pasa por sucesivos estados deequilibrio los cuales, estrictamente, se alcanzan en un tiempo infinito.

Los procesos irreversibles tambin pueden ser lentos.

Un sistema puede volver al estado inicial en un proceso irreversible PERO el resto del universo,inevitablemente, ha cambiado.

En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el sistema que estamosestudiando haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos ensentido opuesto para volver al estado inicial (y no el resto del universo); estos procesos se llamaninternamente reversibles

En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el resto del universo hayapasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuestopara volver al estado inicial (y no el sistema); estos procesos se llaman

, el proceso sigue siendo irreversible. (El diagrama anterior es un caso deeste tipo)

externamente reversibles

Hay procesos que son a la vez internamente y externamente reversibles y an son procesostotalmente irreversibles. (Un ejemplo es el caso mencionado de la transferencia de energa trmicaentre dos sistemas con un aislante).

,el proceso sigue siendo irreversible. (Los baos suelen verificar esta condicin).

Podemos tratar de hacer los procesos lo menos irreversibles posible. La razn de ello es doble:en los procesos reversibles es relativamente fcil evaluar cualquier variable termodinmica y sirvende comparacin de los sistemas reales.

El procedimiento para hacer a un proceso reversible es producir lentamente el trabajo (procesocuasi-esttico) y disponer de muchos baos trmicos para hacer los intercambios de calor poco apoco. Un proceso reversible necesita producir trabajo de una manera infinitamente lenta ydisponer de infinitos baos trmicos.

En principio se podra tender a mejorar los rendimientos haciendo los sistemas ms reversiblespero, adems de los problemas tcnicos, la potencia sera cada vez menor.

No olvide nunca que las propiedades de un estado termodinmico no dependen de cmo se hayaalcanzado ese estado, sea reversible o irreversiblemente.

P P

V

SISTEM

RESTO

UNIVERSO

T

H

TL< T

H

I

S

L

N

T

E


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T

V S

P

S

Q

S

TL

TH

4 3

21

TL

THW

4

3

2

1

QH

QL

QH

QL

1 2

QH TH

TH

TL

2 3

34

QL

TH

TL

41

TL

EL CICLO DE CARNOTEs el proceso cclico reversible que sigue un sistema y que consiste de cuatro pasos: dos procesosisotermos y dos procesos adiabticos segn se indica a continuacin. Aunque nos referiremos a un gas, elsistema puede ser cualquier material, incluso puede renovarse como ocurre en los motores de explosin.

Expansin isotrmica a THEl sistema se pone en contacto con un bao caliente

( 1 2 )

de temperatura THabsorbiendo una cantidad de calorQHmientras se expande a la temperatura del baoy por tanto realizando un trabajo W(1-2) y aumentandosu entropa justo en QH/TH.

Expansin adiabticaEl sistema se asla trmicamente y se sigue expandiendo

( 2 3 )

adiabticamente hasta que baja la temperatura a TL.Mientras se expande realiza un trabajo W(2-3) a expensasde la energa interna y se mantiene la entropa constante.

Compresin isotrmica a THEl sistema se pone en contacto con un bao fro detemperatura TLcediendo una cantidad de calor QHmientras

( 3 4 )

se comprime a la temperatura del bao y sufriendo untrabajo W(3-4) y disminuyendo su entropa en QL/TL.

Compresin adiabticaEl sistema se vuelve a aislar trmicamente y se siguecomprimiendo adiabticamente hasta que sube la temperatura a TH.Mientras se comprime sufre un trabajo

( 4 1 )

W(4-1) y se mantiene la entropa constante.


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Observaciones:

El ciclo es reversible porque se realiza lentamente, el bao caliente est a una temperaturainfinitesimalmente mayor a THy el fro est a una temperatura infinitesimalmente inferior a TL.

En un ciclo completo el trabajo total es W=W12+W23+W34+W41y el calor total es Q=QH-QL, y elcambio de energa interna U=0, por tanto: W=Q o [W12+W23+W34+ W41]=[QH-QL].

Por ser reversible puede recorrerse en el otro sentido (como un refrigerador o bomba de calor).

Principios de Carnot:

Todas las maquinas trmicas que sigan un proceso reversible entre los mismos baos trmicos tienenigual rendimiento.El rendimiento de una mquina trmica que siga un proceso irreversible entre dos baos trmicos esmenor que el rendimiento de cualquier mquina trmica que siga un proceso reversible entre los dosmismos baos

Si los principios de Carnot no se cumplen se violara la 2 Ley:

ESCALA TERMODI NMI CA DE TEMPERATURAS

Del 2 pr i nci pi o de Carnot ( o l o que es l o mi smo l a2 l ey) se deduce que el r endi mi ent o sl o depende del as temperatur as de l os baos: =( TH, TL) QH/ QL =f unci n( TH, TL) . Con t r es maqui nas si gui endo pr ocesosr ever si bl es como i ndi ca l a f i gur a se l l ega a:

Q1/ Q2=f ( T1, T2) , Q2/ Q3=f ( T2, T3) , Q1/ Q3=f ( T1, T3) .

Y como Q1/ Q3=Q1/ Q2 Q2/ Q3 f ( T1, T3) =f ( T1, T2) f ( T2, T3)

La ni ca f orma para que se veri f i que est a i gual dad esque l a f unci n f sea de l a f or ma: f ( A, B) =F( A) / F( B) , ol o que es l o mi smo que QH/ QL=f unci n( TH, TL) =F( TH) / F ( TL) .

Kel vi n pr opuso una escal a de t emper atur as basada eneste r esul t ado t omando l a f unci n ms senci l l a paraF( T) =T. Est a es l a conoci da escal a absol ut a det emper atur as que se det ermi na en par t e

por l aexpr esi n: QH/ QL = TH/ TL. Per o est a expr esi n es sl ouna pr opor ci n ent r e t emperat ur as, hace f al t a ot r acondi ci n para determi nar l a escal a compl etament e.Par a el l o se asi gn el val or 273. 16K a l a temper atur adel agua en el punt o t r i pl e.

TL

TH

TL

W(R)

-W(R)IRREV REV

QH -Q QH

QL I


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