ContenidoINTRODUCCION..................................................................................................................................2

UNIDAD 3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA............................................................................3

3.1 Transferencia de energía por calor, trabajo y masa.................................................................3

3.2 Ecuación general de la energía.................................................................................................3

3.3 Balance de energía para sistemas cerrados..............................................................................3

3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estable...................................................................6

3.5 Balance de energía para proceso de flujo no estable...............................................................8

INTRODUCCION..................................................................................................................................9

UNIDAD 4. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.........................................................................10

4.1 Principios básicos...................................................................................................................10

4.2 Dispositivos de energía térmica..............................................................................................10

4.3 Enunciado de Kelvin-Plank.....................................................................................................11

4.4 Maquinas térmicas.................................................................................................................11

4.5 Refrigeradores y bombas de calor..........................................................................................12

4.6 La escala termodinámica de temperatura..............................................................................14

4.7 Maquina térmica de Carnot...................................................................................................15

4.8 La desigualdad de Clausius.....................................................................................................16

4.9 El refrigerador y la bomba de calor de Carnot........................................................................18

4.10 Procesos reversibles e irreversibles......................................................................................19

4.11 El ciclo de Carnot y principios de Carnot..............................................................................19

FUENTES DE CONSULTA...................................................................................................................22

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INTRODUCCION

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el calor. De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la práctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

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I LEY DE LA

TERMODINAMICA

UNIDAD 3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

3.1 Transferencia de energía por calor, trabajo y masa.La energía puede ser transferida hacia o desde un sistema cerrado (a una masa fija) en dos formas distintas: calor y trabajo. Para volúmenes de control la energía también puede transferirse por masa. Una transferencia de energía o hacia un sistema cerrado se debe al calor, si es causada por una diferencia de temperatura entre el sistema y su medio ambiente. De otra manera, es trabajo y originada por una fuerza que actúa a través de una distancia. Se inicia este capítulo con la discusión de transferencia de energía por calor. Entonces se introducen varias formas de trabajo, con un énfasis particular en el trabajo por frontera móvil o trabajo P dV, común en aparatos reciprocantes tales como los motores automotrices y los compresores. Se continúa con el trabajo de flujo, que es el trabajo asociado al forzar un fluido a entrar o salir de un volumen de control y muestra que de la combinación de la energía interna y el flujo de trabajo resulta la entalpia. En seguida se discute el principio de conservación de la masa y su aplicación a varios sistemas. Por último, se muestra que h + ke +pe representa la energía de un fluido en movimiento por unidad de su masa.

3.2 Ecuación general de la energíaTambién conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Fue propuesta por Antoine Lavoisier.

La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente:

Eentra − Esale = ΔEsistema

Que aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico, queda de la forma:

Q = \Delta U + \ W

3.3 Balance de energía para sistemas cerradosEl sistema cerrado es una región de masa constante; se denomina masa de control. A través de sus límites sólo se permite la transferencia de energía, pero no de materia. La pared que rodea al sistema es impermeable:

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Se denomina un sistema cerrado cuando es un proceso por lotes, mientras que un proceso continuo o semicontinuo es abierto. En los sistemas cerrados se genera transferencia de energía a través de las fronteras en forma de trabajo o calor, más no transferencia de masa lo cual se resume en la siguiente ecuación:

1. La energía interna de un sistema depende casi totalmente de la composición química, de su estado (sólido, líquido, gaseoso) y la temperatura de los materiales del sistema.

2. La energía interna es independiente de la presión en gases ideales y casi independiente para sólidos y líquidos

3.  Si no existen cambios de temperatura o de estado ni reacciones químicas ∆U=0

4. Si el sistema no tiene aceleración ∆Ec=05. Si el sistema no tiene cambios de altura, ni distancia, no se eleva ni se cae

∆Ep=06. El proceso se llama adiabático cuando se encuentra perfectamente aislado

o cuando sus alrededores se encuentran a la misma temperatura, por lo tanto Q=0

7. El trabajo que se realiza en un sistema está dado principalmente por el desplazamiento de las fronteras contra una fuerza resistente o por el paso de corriente eléctrica o radiación a través de las fronteras. Por ejemplo el movimiento de un pistón es un trabajo contra una fuerza resistente.

8. Si no hay partes móviles ni corrientes eléctricas ni radiaciones en las fronteras, se deduce que W=0

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Ejemplo 1. Un cilindro con pistón móvil contiene gas. La temperatura inicial del gas es de 25 °C.

El cilindro se coloca en agua hirviendo y el pistón se mantiene en una posición fija. Se transfiere una cantidad de calor de 2 kCal al gas, el cual se equilibra a 100 °C (y una presión más alta). Después se libera el pistón y el gas realiza 100 J de trabajo para mover al pistón a su nueva posición de equilibrio. La temperatura final del gas es de 100 °C

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3.4 Balance de energía para sistemas de flujo estableLa mayor parte de los procesos industriales tienen lugar en sistemas abiertos. Cuando se lleva a cabo un proceso semicontinuo o continuo se denomina un sistema abierto. En un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energía a través de sus límites; la masa contenida en él no es necesariamente constante. Una pared también puede ser semipermeable, si permite el paso sólo de algunas sustancias.

En los procesos técnicos se toma una serie de flujos continuos de masa que son sometidos a interacción entre sí y con su entorno. Estas interacciones producen transformaciones de tipo físico y químico dando lugar a intercambios energéticos

de tipo mecánico o térmico con el exterior del sistema y a la obtención de nuevas corrientes continuas de masa como producto del proceso. Estos procesos de transformación e intercambio energético, tienen lugar, por tanto en sistemas termo-dinámicos abiertos.

Figura 2. Sistema abierto

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Trabajo de flujo y de flecha: La velocidad neta de trabajo realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como:

W= Ws+Wfl

Donde:

Ws= trabajo de flecha o velocidad de trabajo realizada por el fluido del proceso sobre alguna parte móvil dentro del sistema

Wfl=Trabajo de flujo o trabajo realizado por el fluido en la salida del sistema menos la velocidad de trabajo realizada sobre el fluido en la entrada del sistema

Para comenzar explicaremos la expresión trabajo de flujo. A una unidad de proceso ingresa y sale un volumen de un fluido a una presión. El fluido que entra al sistema experimenta trabajo realizado sobre él por el fluido que se encuentra justo detrás por lo tanto;

Wentrada=Pentrada*Ventrada

Mientras que el fluido de salida realiza el trabajo sobre el flujo anterior de tal manera que

Wsalida=Psalida*Vsalida

Por lo tanto;

Wfl= Psalida*Vsalida - Pentrada*Ventrada

Si existen varias corrientes de entrada y salida llegan y se van del sistema, los productos PV de cada una deberán sumarse para determinar Wfl

Propiedades específicas: Son cantidades intensivas que son obtenidas a partir de la división de una propiedad extensiva entre la cantidad total del material del proceso, por ejemplo si el volumen de una sustancia es 300 cm3 y la masa es de 300 g, su volumen específico es de 1 cm3/g; si la velocidad del flujo másico es de 100 Kg/min y la de flujo volumétrico es 150 l/min, el volumen específico del material será de (150 l/Min)/(100 Kg/Min)= 1.5 l/Kg. La energía cinética específica es, la energía cinética de la corriente, 300 J/min, sobre el flujo másico, Ec’= (300 J/min)/(100 Kg/min)=3 J/Kg

La energía interna específica al ser una propiedad intensiva depende de la temperatura y presión por lo tanto si a una temperatura y presión determinada Uˆ=J/Kg con una masa en Kg entonces la energía total es igual a:

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1. Si no ocurren cambios de Temperatura, fase o reacciones químicas,2. Si no existen grandes distancias verticales en la entrada y salida de un sistema, entonces Ep=03. Si el sistema y sus alrededores están a la misma temperatura o si el sistema esta asilado por

completo Q=0 y el proceso es adiabático4. Si no se transmite energía a través de las fronteras del sistema mediante alguna parte móvil

entonces Ws=0

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3.5 Balance de energía para proceso de flujo no estable

INTRODUCCIONLa segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley. 1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido. 2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa. 3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre. Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

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UNIDAD 4. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

4.1 Principios básicosLa primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el calor. De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la práctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores. La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.

3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo. La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más importante es en relación con la eficiencia limitada de las máquinas térmicas. Expresada en forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía.

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4.2 Dispositivos de energía térmicaConocido también como foco térmico: cuerpo con una gran capacidad de energía térmica (masa x calor específico) que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufra ningún cambio de temperatura. Ejemplos: océanos, mares, la atmósfera, hornos industriales, etc.

4.3 Enunciado de Kelvin-Plank

El enunciado de Kelvin dice:

Es imposible construir una máquina que operando en ciclos no haga otra cosa más que extraer calo de un cuerpo y convertirlo íntegramente en

trabajo.

Este enunciado es equivalente al enunciado de Clausius, pues es posible demostrar que si uno supone la violación de uno de ellos, automáticamente se viola el otro, y recíprocamente.En términos simples, la primera ley prohíbe la existencia de máquinas de movimiento perpetuo de primera clase, esto es, maquinas cuya única función sea la de crear o aniquilar energía; la segunda ley prohíbe la existencia de máquinas de movimiento perpetuo de segunda clase, esto es cien por ciento eficientes. Por tanto el mundo de los procesos en que están involucradas transformaciones de energía está regido por dos leyes las cuales podemos resumir:

Primera ley: En los procesos que involucran transformaciones de energía, solo podemos salir a mano.Segunda ley: En tales procesos, ni siquiera podemos salir a mano, o en pocas palabras, nunca podemos ganar ni salir a mano.

4.4 Maquinas térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual 1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza un trabajo y 3) libera calor a una fuente a temperatura más baja. Por ejemplo, en un motor de gasolina, 1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape. O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se queman y el calor generado se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico.

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En la operación de cualquier máquina térmica, se extrae una cierta cantidad de calor de una fuente a alta temperatura, se hace algún trabajo mecánico y se libera otra cantidad de calor a una fuente a temperatura más baja. Resulta útil representar en forma esquemática una máquina térmica como se muestra en la figura 15.1. La máquina, representada por el círculo en el centro del diagrama, absorbe cierta cantidad de calor QC (el subíndice C se refiere a caliente) tomado de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor QF (el subíndice F se refiere a frío) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero, es decir ΔU = 0. Entonces, de la primera ley de la termodinámica se tiene que “el trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma”. De la figura 15.1, el calor neto es Qneto = QC - QF, por lo tanto el trabajo es:

W = QC - QF (15.1)

donde QC y QF se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajoes un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso en el diagrama PV.

4.5 Refrigeradores y bombas de calorUn refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente.

Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores. En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, expulsado de forma continua el calor que va entrando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorífico, éste se

encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

Ambos operan sobre el mismo principio. Un compresor eleva la temperatura del fluido de trabajo a base de realizar trabajo sobre él. El fluido, a temperatura superior a la ambiente, es puesto en

contacto con éste en un condensador (una rejilla,p.ej.), liberando calor Qout. El fluido enfriado,

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pasa por una válvula de expansión, donde su temperatura cae por debajo de la del foco frío. Puesto en contacto con este foco (la cámara frigorífica o la habitación) mediante otra rejilla conocida como evaporador, absorbe calor de éste, Qin. De ahí vuelve al compresor, recomenzando el ciclo.

Para los refrigeradores se define el coeficiente de desempeño (COPR) según el mismo principio que para las máquinas térmicas siendo “lo que se saca” el calor Qin que se extrae del foco frío y “lo que cuesta” el trabajo Win necesario para ello

A diferencia del rendimiento de una máquina térmica, el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la unidad (normalmente lo es, de hecho).

Una bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador, salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. Para esto el, circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del refrigerador. El compresor envía el fluido a alta presión al un condensador en el interior de la habitación, donde libera calor por estar a más temperatura que el ambiente. Pasa entonces por la válvula hacia el exterior, donde se evapora y cae por debajo de la temperatura exterior, absorbiendo calor en el evaporador. Vuelve entonces al compresor, reiniciando el ciclo.

En el uso habitual, lo que hace una bomba de calor es principalmente mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, reintroduciendo de forma continua el calor que va escapando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto frío en una habitación, la bomba de calor se encarga de elevar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional).

En el caso límite de una estufa (de resistencia eléctrica, por ejemplo), lo que ocurre es que no se extrae calor del exterior y todo el calor que entra en la habitación procede del trabajo consumido.

Para que un mismo aparato pueda funcionar como aire acondicionado en verano y bomba de calor en invierno, es necesario un sistema de válvulas que permita que el vapor fluya en direcciones opuestas según el uso que se le dé.

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En el caso de una bomba de calor “lo que se saca” es el calor Qout, por lo que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor se define como

De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor y del refrigerador correspondiente se diferencia en 1.

y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como mínimo 1. Un valor de 1 quiere decir que no se extrae ningún calor del foco frío, sino que simplemente se transforma trabajo en calor. Esto es lo que hace, por ejemplo, una estufa de resistencia.

Para una bomba de calor real el COP puede ser de 4. Esto quiere decir que para aportar 4 J de calor a una habitación solo consume 1 J de energía eléctrica (mientras que una estufa consumiría los 4 J). Las bombas de calor son por tanto más eficientes como sistema de calefacción, pero requieren instalaciones más grandes y poseen problemas de funcionamiento si la temperatura exterior es demasiado baja.

4.6 La escala termodinámica de temperatura

La escala termodinámica de temperaturas es una escala libre de las propiedades de la materia:

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Se puede demostrar9 que el cociente   es función de la temperatura de los focos, y más aún:

Podemos suponer que   , es decir, una constante por la temperatura termodinámica del foco que, por convenio, se considera positiva. Por tanto

tenemos que   . Además se observa que la temperatura del foco caliente es mayor que la temperatura del foco frío.

Para que coincidan numéricamente las temperaturas termodinámica y del gas ideal en el punto triple se le asigna a la temperatura en ese punto el

valor   , aunque el concepto es diferente.

Definiendo la temperatura en el punto triple, se puede comprobar fácilmente que la temperatura termodinámica y la del gas ideal coinciden en todo el rango de valores.

4.7 Maquina térmica de CarnotEl ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el físico francés Sadi Carnot, que vivió a principios del siglo XIX. Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica

posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a

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menor temperatura.

El Ciclo llamado de Carnot es un ciclo reversible que consta de cuatro tramos: dos a temperatura constante (dos procesos isotérmicos), y otros dos sin absorción ni cesión de calor (dos procesos adiabáticos). Es decir, se trata de una transformación bitérmica (entre dos temperaturas).

El rendimiento de queda establecido con la siguiente relación. Re = 1 - Tc/Th.

4.8 La desigualdad de ClausiusFue establecida por primera vez por el físico alemán R.J.E. Clausius (1822-1888) y se expresa como

                                     Es decir, la integral cíclica de d Q/T siempre es menor o igual a cero.La integración se efectúa sobre un ciclo completo y puede ser reversible o irreversible.

Si el ciclo es reversible

                                                                        

Si el ciclo es irreversible

                                                                        

CONCEPTO DE ENTROPÍA

          La desigualdad de Clausius es la base para la definición de una nueva propiedad llamada entropía.

          Se considera un ciclo reversible formado por dos procesos internamente reversibles A y B como se muestra en la Figura 2.25.

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Aplicando la desigualdad de Clausius, se tiene lo siguiente

    

      

Estados 1 y 2, el valor de esta integral depende sólo de los estados extremos y no de la trayectoria seguida. En consecuencia debe representar el cambio de una propiedad ya que es independiente de la trayectoria. A esta propiedad se denomina entropía y se designa por S.

                                                                                               La entropía por unidad de masa, denominada s, es una propiedad intensiva y se mide con la unidad kJ/(kg.K).         El cambio de entropía de un sistema durante un proceso se determina al integrar la ecuación 2.83 entre los estados inicial y final:

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         Para efectuar la integración en la ecuación 2.85, es necesario conocer la relación entre Q y T durante un proceso.

4.9 El refrigerador y la bomba de calor de CarnotAl ser un ciclo reversible, podemos invertir cada uno de los procesos y convertir la máquina de Carnot en un refrigerador. Este refrigerador extrae una cierta cantidad de calor | Qf | del foco frío, requiriendo para ello una cierta cantidad de trabajo | W | , arrojando una cantidad de calor | Qc | en el foco caliente.

El coeficiente de desempeño de un refrigerador reversible como el de Carnot es

ya que, como en la máquina de Carnot, la cantidad de calor intercambiada con cada foco es proporcional a la temperatura de dicho foco.

Para un refrigerador que trabaje entre una temperatura de 5°C y 22°C, este coeficiente de desempeño vale

Este valor es el máximo que puede alcanzar un refrigerador real, aunque los valores prácticos del COP están muy por debajo de esta cantidad.

Si el refrigerador de Carnot se considera como una bomba de calor, su coeficiente de desempeño es

que para los mismos valores de las temperaturas de los focos nos da

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también muy por encima de los valores reales de las bombas de calor.

4.10 Procesos reversibles e irreversiblesUn proceso reversible es aquel que puede invertirse sin modificar el entorno, es decir, tanto el sistema como los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto sólo es posible si el intercambio de calor y trabajo neto entre el sistema y el entorno es cero para el proceso combinado (original e invertido). Los procesos que no son reversibles son conocidos como irreversibles.En realidad, los procesos reversibles no suceden en la naturaleza. Son meras idealizaciones cuyo interés se debe a: (1) son fáciles de analizar gracias a que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio y (2) sirven como modelos ideales con los cuales pueden compararse los procesos reales. Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades. Entre ellos están la fricción, la expansión libre de un gas, la mezcla de dos gases, la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperaturas, la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos produce un proceso irreversible.

4.11 El ciclo de Carnot y principios de CarnotEl ciclo de Carnot (Sadi Carnot, francés, 1796 – 1832), es de gran importancia desde el punto de vista práctico como teórico. Carnot demostró que una máquina térmica que operara en un ciclo ideal reversible entre dos fuentes de calor, sería la máquina más eficiente posible. Una máquina ideal de este tipo, llamada máquina de Carnot, establece un límite superior en la eficiencia de todas las máquinas.

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Esto significa que el trabajo neto realizado por una sustancia de trabajo llevada a través de un ciclo de Carnot, es el máximo posible para una cantidad dada de calor suministrado a la sustancia de trabajo. El teorema de Carnot se enuncia de la siguiente forma:

“ninguna máquina térmica real que opera entre dos fuentes de calor, puede ser más eficiente que una máquina de Carnot, operando entre las dos

mismas fuentes”.

Para describir el ciclo de Carnot, se debe suponer que la sustancia que trabaja entre las temperaturas TC y TF es un gas ideal contenido en un cilindro con un émbolo móvil en un extremo. Las paredes del cilindro y del émbolo no son conductores térmicos, por lo que no hay pérdida de calor al ambiente. El ciclo de Carnot es un proceso cíclico reversible que utiliza un gas ideal, que consta de dos procesos isotérmicos y de dos procesos adiabáticos, como se muestra en la figura 15.4, donde se indican los cuatro pasos del ciclo.

La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama PV se muestra en la figura 15.5, donde:

1. El proceso A-B es una expansión isotérmica a la temperatura TC, donde el gas se pone en contacto térmico con una fuente de calor a esa TC. Durante el proceso, el gas absorbe calor QC de la fuente desde la base del cilindro y realiza trabajo WAB al subir el émbolo.2. En el proceso B-C, la base del cilindro se reemplaza por una pared térmicamente no conductora y el gas se expande adiabáticamente. Durante el proceso la temperatura baja de TC a TF y el gas realiza trabajo WBC al elevar el émbolo.

3. En el proceso C-D el gas se coloca en contacto térmico con una fuente de calor a temperatura TF y se comprime isotérmicamente a una temperatura TF. Durante el proceso, el gas libera calor QF a la fuente y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es WCD.4. En el proceso final D-A, la base del cilindro se reemplaza por una pared térmicamente no conductora y el gas se comprime adiabáticamente. La temperatura del gas aumenta de TF a TC y el trabajo realizado sobre el gas por un agente externo es WDA.

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Primer principio de Carnot: el rendimiento de una máquina térmica irreversible es siempre menor que el rendimiento de una reversible que opera entre los mismos dos focos térmicos.

Segundo principio de Carnot: todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos focos tienen el mismo rendimiento.

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FUENTES DE CONSULTA

http: //datateca.unad.edu.co/contenidos/358081/ContenidoLinea/ leccin_32_balances_de_energa_para_sistemas_cerrados.html

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358081/ContenidoLinea/leccin_33_balances_de_energa_para_sistemas_abiertos.html

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Refrigeradores_y_bombas_de_calor_(GIE)

http://quimicacsj.blogspot.mx/2010/11/maquina-termica-de-carnot.html

http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_de_Carnot

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