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Segunda ley de la termodinámica Universidad de la Sabana Facultad de Ingeniería Ma. Camila Suárez ChE, MSc

Segunda ley de la termodinámica 

La energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía.

La primera ley de la termodinámica no restringe la dirección de un proceso.

Segunda ley de la termodinámica La energía tiene calidad así como cantidad.

Cantidad y transformaciones de energía. Los procesos se generan en un solo sentido

Un proceso ocurre siempre que se satisfagan tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica https://www.youtube.com/watch?v=VtEqn-5XHpU

Depósito de energía térmica Cuerpo hipotético grande que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura.

Ejemplos

Depósito de energía térmica Cuerpo hipotético grande que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. Fuente de calor Depósito suministra energía en forma de calor (disminución de energía interna del depósito)

Sumidero de calor Depósito absorbe energía en forma de calor (aumento de energía interna del depósito)

Máquinas térmicas

El trabajo se puede convertir en calor de manera directa, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales.

MÁQUINAS TÉRMICAS

Características de las máquinas térmicas 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 la forma de una flecha rotatoria).

3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etc). 4. Operan en un ciclo.

Central eléctrica de vapor (ejemplo simplificado) Wneto  Wsale  Wentra

Wneto  Qneto  U ciclo: U0  Wneto  Qneto  Qentra  Qsale

Qentrada

cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta (horno)

Qsalida

cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etcétera)

Wsalida

cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina

Wentrada

cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la caldera

Eficiencia térmica

Eficiencia 

La eficiencia térmica ηter es una medida de qué tan eficientemente una máquina térmica convierte el calor que recibe en trabajo.

ter

Wneto,sale  Q entra

Salida deseada Entrada requerida

ηter

QH

QL

Wneto,sale  QH

Magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a TH

Magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a TL

ηter

QL  1 QH

El interés de los ingenieros radica en mejorar las eficiencias de las máquinas térmicas, puesto que mayor eficiencia significa menos consumo de combustible y por lo tanto menores costos y menor contaminación.

Las máquinas térmicas suelen rechazar casi la mitad de la energía que reciben como calor de desecho.

Qué hacer con el calor de salida Qsale?

Energía de desecho (No se puede reciclar)

Un ciclo de máquina térmica no se puede completar sin rechazar cierta cantidad de calor a un sumidero de baja temperatura.

Enunciado de Kevin-Planck Ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil. Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo.

Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia del 100%.

Para que una central eléctrica opere, el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente, así como con el horno.

Una máquina térmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura así como con una fuente de temperatura alta para seguir funcionando.

Ejercicio 1 Una máquina térmica tiene una entrada de calor de 3×104 Btu/h y una eficiencia térmica de 40%. Calcule la potencia que producirá en hp.

R: 4.72hp

Ejercicio 2 Una planta eléctrica de carbón produce una potencia neta de 300 MW con una eficiencia térmica total de 32 %. La relación real gravimétrica aire-combustible en el horno se calcula que es 12 kg aire/kg combustible. El poder calorífico del carbón es 28,000 kJ/kg. Determine: a) la cantidad de carbón que se consume durante un periodo de 24 horas. b) la tasa de aire que fluye a través del horno. R: a) 2.89x106 kg; b) 402 kg/s

Refrigeradores y bombas de calor

Refrigeradores

El propósito de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja eliminando calor de éste (QL).

La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.

El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se denomina refrigerante.

Coeficiente de desempeño (COP) coefficient of performance El objetivo de un refrigerador es remover calor (QL) del espacio refrigerado, mediante una entrada de trabajo Wneto,entrada COPR 

QL Wneto ,entra

Es la forma de expresar la eficiencia térmica de un refrigerador y su magnitud puede ser mayor a 1.

Wneto ,entra  QH  QL COPR 

QL 1  QH  QL QH QL  1

La cantidad de calor eliminada del espacio refrigerado puede ser mayor que la cantidad de entrada de trabajo.

Bombas de calor

El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a una temperatura alta.

Dispositivo que transfiere calor desde un medio de baja temperatura a otro de alta temperatura. COPHP 

COPHP 

QH Wneto ,entra QH 1  QH  QL 1  QL QH

COPHP  COPR  1

Desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor Índice estacional de eficiencia energética SEER

Índice de eficiencia de energía EER

Relación de la cantidad total del calor disipado por un acondicionador de aire o por una bomba térmica durante una estación normal de enfriamiento (en Btu) con respecto a la cantidad total de electricidad consumida (en watts-hora, Wh),

Relación de la tasa de remoción de calor del espacio enfriado por el equipo de enfriamiento con respecto a la tasa de consumo de electricidad en operación uniforme

Medida del desempeño estacional del equipo de enfriamiento.

Medida de la eficiencia energética instantánea.

EER  3.1412 * COPR

La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.

Un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea propulsado mediante una fuente de energía externa, como un motor eléctrico.

El efecto neto sobre los alrededores tiene que ver con el consumo de cierta energía en forma de trabajo y con la transferencia de calor de un cuerpo más frío a otro más caliente;

Ejercicio 3 Cuando un hombre regresa a su casa bien sellada en un día de verano, encuentra que su casa está a 35 °C. Enciende el acondicionador de aire, que enfría toda la casa a 20°C en 30 minutos. Si el COP del sistema de acondicionamiento de aire es 2.8, determine la potencia que toma el acondicionador de aire. Suponga que toda la masa dentro de la casa equivale a 800 kg de aire para el cual cv = 0.72 kJ/kg °C y cp =1.0 kJ/kg · °C.

R: 1.71kW

Ejercicio 4 En el condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a 800 kPa y 35 °C, a razón de 0.018 kg/s, y sale como líquido saturado a 800 kPa. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el COP de la bomba de calor y b) la tasa de absorción de calor del aire exterior.

R: 2.64, 1.96W

Máquinas de movimiento perpetuo

Cualquier dispositivo que viola alguna de las dos leyes se llama máquina de movimiento perpetuo

Dispositivo que viola la 1era ley de la termodinámica (al crear energía) se llama máquina de movimiento perpetuo de primera clase (MMP1)

Dispositivo que viola la 2da ley de la termodinámica se llama máquina de movimiento perpetuo de segunda clase (MMP2).

Procesos reversibles e irreversibles

Un proceso reversible es aquel en el que tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso.

• IDEAL

Los procesos irreversibles no se pueden revertir por sí mismos de forma espontánea.

• REAL

Qneto y Wneto = 0 proceso combinado Los procesos reversibles entregan el mayor trabajo posible y consumen el menor.

Irreversibilidades • • • •

• • •

Factores que causan que un proceso sea irreversible.

fricción, expansión libre, mezclado de dos fluidos, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, resistencia eléctrica, deformación inelástica de sólidos y reacciones químicas.

Mientras mejor sea el diseño, menores son las irreversibilidades y mayor es la eficiencia según la segunda ley.

Ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot Expansión isotérmica reversible

Expansión adiabática reversible

El ciclo reversible más conocido es el ciclo de Carnot (1824) propuesto por el ingeniero francés Sadi Carnot.

Compresión adiabática reversible

Compresión isotérmica reversible

Ciclo de Carnot Por ser un ciclo reversible, el de Carnot es el más eficiente que opera entre dos límites de temperatura especificados. Aún cuando el ciclo de Carnot no se puede lograr en la realidad, la eficiencia de los ciclos reales se mejora al intentar aproximarse lo más posible al ciclo de Carnot.

El área que encierra la trayectoria del ciclo (área 1-23-4-1) es la diferencia entre la compresión y la expansión y representa el trabajo neto realizado durante el ciclo.

Principios de Carnot 1.La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos. 2.Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos son las mismas.

Escala termodinámica de temperatura

Escala termodinámica de temperatura Una escala de temperatura que es independiente de las propiedades de las sustancias utilizadas se denomina escala termodinámica de temperatura. La eficiencia de las máquinas térmicas reversibles está ter ,rev  g (TH , TL )

en función únicamente de las temperaturas del depósito

QH  f (TH , TL ) QL

Q H  (TH )  Q L  (TL ) La eficiencia de una máquina reversible es independiente del fluido de trabajo utilizado y las propiedades de éste, así como del modo de ejecutar el ciclo o el tipo de máquina reversible usada.

Escala termodinámica de temperatura

Escala Kelvin  QH   QL

 (TH )    rev (TL )

temperaturas absolutas. Las relaciones de temperatura dependen de las relaciones de transferencia de calor entre una máquina térmica reversible y los depósitos, y son independientes de las propiedades físicas de cualquier sustancia

Máquina térmica, refrigerador y bomba de calor de Carnot

Máquina térmica de Carnot Máquina térmica (hipotética) que opera en el ciclo reversible de Carnot, es la más eficiente de todas las máquinas térmicas que operan entre los mismos depósitos a temperaturas alta y baja.

ter ,rev  1 

TL TH

*temperaturas absolutas.

La eficiencia de una máquina térmica de Carnot se incrementa cuando TH aumenta o cuando TL disminuye.

Refrigerador de Carnot y bomba de calor Un refrigerador o una bomba de calor, que opera en el ciclo inverso de Carnot, se llama refrigerador de Carnot o bomba de calor de Carnot.

Los COP de refrigeradores y bombas de calor disminuyen cuando TL decrece, es decir, requiere más trabajo absorber calor de medios de temperatura menor.

Cuando se evalúa el desempeño de las máquinas térmicas reales, las eficiencias no deben compararse con el 100%, sino con la eficiencia de una máquina térmica reversible que opera entre los mismos límites de temperatura, porque éste es el límite superior teórico para la eficiencia, no el 100%.

Calidad de la energía

La energía tiene calidad así como cantidad. Por lo tanto, mientras más alta sea la temperatura, mayor es la calidad de la energía.

Segunda ley de la termodinámica Universidad de la Sabana Facultad de Ingeniería Ma. Camila Suárez ChE, MSc