Termodinámica
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5ta. Edición
ÍNDICE
ÍNDICE ............................................................................................................... 1 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA ........................................................................................................... 2 MÁQUINAS TÉRMICAS Y EFICIENCIA TÉRMICA ........................................... 3 REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR ........................... .............. ......................... ........................ ............ 5 MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO...................................................... 7 PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES ............................................ 7 CICLO Y PRINCIPIOS DE CARNOT ................................................................. 9 MÁQUINAS TÉRMICAS DE CARNOT.......................... ............ .......................... ......................... ....................... .......... 10 REFRIGERADORES DE CARNOT Y BOMBAS DE CALOR .......................... ............. ............... 10 TEMA ESPECIAL: REFRIGERADORES DOMÉSTICOS ........................... .............. .................. ..... 12
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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA 6-1C Un mecánico afirma haber desarrollado un motor de automóvil que funciona con agua en lugar de gasolina. ¿Cuál es su respuesta a esta afirmación? Esto sería algo falso, ya que el agua no es un combustible y un motor no funcionaria.
6-2C Describa un proceso imaginario que satisfaga la primera ley pero que viole la segunda ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica trata de la conservación de la energía, un ejemplo claro seria que 5 kWh se transfiriere a un cable de resistencia eléctrica y la producción es también de 5 kWh de electricidad.
6-3C Describa un proceso imaginario que satisface la segunda ley de la termodinámica pero viola la primera. Un calefactor que consume 6 kWh de electricidad y suministra 8 kWh de calor a un cuarto.
6-4C Describa un proceso imaginario que viola tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. Se Transfiere de 5 kWh por un alambre de resistencia eléctrica y la producción de electricidad es de 6 kWh.
6-5C Un experimentador afirma haber elevado a 150°C la temperatura de una pequeña cantidad de agua mediante la transferencia de calor de vapor de alta presión a 120°C. ¿Es razonable esta afirmación? ¿Por qué? Suponga que en este proceso no se emplea ningún refrigerador o bomba de calor. Esto no es posible porque el calor nunca puede fluir desde un medio de baja temperatura a una temperatura superior.
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6-6C ¿Qué es un depósito de energía térmica? Dé algunos ejemplos. Un depósito de energía térmica es un cuerpo que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor isotérmica. Algunos ejemplos son los océanos, los lagos y la atmósfera.
6-7C Considere el proceso de hornear papas en un horno común. ¿Se puede tratar el aire del horno como un depósito de energía térmica? Explique. Sí se puede considerar al aire como un depósito de energía térmica, ya que la temperatura del horno se mantiene constante sin importar la cantidad de calor que se transfiere a las papas.
6-8C Considere la energía que genera un aparato de televisión. ¿Cuál es una elección adecuada para un depósito de energía térmica? El aire que rodea la sala que alberga el televisor es el depósito de energía térmica para este ejemplo, ya que este absorbe el calor que produce el televisor.
MÁQUINAS TÉRMICAS Y EFICIENCIA TÉRMICA 6-9C ¿Es posible que una máquina térmica opere sin rechazar ningún calor de desecho hacia un depósito de baja temperatura? Explique. No, porque este tipo de motor viola el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica. Es imposible construir una maquina térmica que, operando en un ciclo tenga otro efecto que absorber la energía térmica de una fuente y realizar la misma cantidad de trabajo.
6-10C ¿Cuáles son las características de las máquinas térmicas? Las maquinas térmicas son dispositivos cíclicos que reciben calor de una fuente, convierten parte de ella en trabajo, y rechazan el resto a un sumidero.
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6-11C Considere un recipiente con agua que se calienta a) colocándolo sobre una estufa eléctrica y b) colocando un elemento de calentamiento dentro del agua. ¿Cuál método es una forma más eficaz para calentar agua? Explique. El método (b) es el más eficaz con la resistencia en el agua, ya que las pérdidas de calor hacia el aire circundante se reducen al mínimo, y por lo tanto el calor deseado se puede lograr con el aporte menos energía eléctrica.
6-12C Los calentadores de tablero son básicamente de resistencia eléctrica y se usan con frecuencia en la calefacción de espacios. El dueño de una casa afirma que los calentadores de tablero de 5 años de antigüedad tienen una eficiencia de conversión de 100 por ciento. ¿Esta afirmación viola alguna de las leyes de la termodinámica? Explique. No, porque el 100% del trabajo puede ser convertida en calor.
6-13C ¿Cuál es la expresión de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica? Es imposible construir una maquina térmica que, operando en un ciclo tenga otro efecto que absorber la energía térmica de una fuente y realizar la misma cantidad de trabajo.
6-14C ¿Una máquina térmica que tiene una eficiencia de 100 por ciento viola necesariamente a) la primera ley y b) la segunda ley de la termodinámica? Explique. El ejemplo no viola la primera ley de la termodinámica, ya que esta trata de la conservación de la energía, pero si viola la segunda ley de la termodinámica, ya que ningún motor de calor puede tener la eficiencia del 100%.
6-15C En ausencia de fricción y otras irreversibilidades, ¿una máquina térmica puede tener una eficiencia de 100 por ciento? Explique. No puede tener una maquina térmica una eficiencia de 100%, este tipo de motor viola el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica.
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6-16C ¿Las eficiencias de los dispositivos que producen trabajo, incluidas las centrales hidroeléctricas, están limitadas por el enunciado de KelvinPlanck de la segunda ley? Explique. No, la limitación de Kelvin-Plank se aplica sólo a los motores de calor, motores que reciben calor y convierten parte de ello en trabajo.
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR 6-29C ¿Cuál es la diferencia entre un refrigerador y una bomba de calor? El propósito de un refrigerador es para eliminar el calor de un medio frío, mientras que los efectos de una bomba de calor para suministrar calor a un medio caliente.
6-30C ¿Cuál es la diferencia entre un refrigerador y un acondicionador de aire? La diferencia entre los dos dispositivos es que el propósito de un refrigerador es para eliminar el calor de un espacio refrigerado, mientras que el propósito de un acondicionador de aire es eliminar el calor de un espacio de vida.
6-31C En un refrigerador el calor se transfiere de un medio de menor temperatura (el espacio refrigerado) hacia otro de mayor temperatura (el aire de la cocina). ¿Ésta es una violación de la segunda ley de la termodinámica? Explique. No viola la segunda ley de la termodinámica, debido a que el refrigerador consume trabajo para llevar a cabo esta tarea.
6-32C Una bomba de calor es un dispositivo que absorbe energía desde el aire exterior frió y lo transfiere hacia el calentador ubicado en los interiores. ¿Viola esto la segunda ley de la termodinámica? Explique. Esto no viola la segunda ley de la termodinámica porque la bomba de calor consume el trabajo para llevar a cabo esta tarea.
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6-33C Defina con palabras el coeficiente de desempeño de un refrigerador. ¿Puede ser mayor que la unidad? El coeficiente de rendimiento de un refrigerador representa la cantidad de calor extraído del espacio refrigerado para cada unidad de trabajo suministrado. Puede ser mayor que la unidad.
6-34C Defina con palabras el coeficiente de desempeño de una bomba' de calor. ¿Puede ser mayor que la unidad? El coeficiente de rendimiento de una bomba de calor representa la cantidad de calor suministrado al espacio con calefacción para cada unidad de trabajo suministrado. Puede ser mayor que la unidad.
6-35C Una bomba de calor que se utiliza para calentar una casa tiene un COP de 2.5, es decir, la bomba de calor entrega 2.5 kWh de energía a la casa por cada kWh de electricidad que consume. ¿Viola esto la primera ley de la termodinámica? Explique. No. La bomba de calor capta la energía de un medio frío y lo lleva a un medio caliente. No lo crea.
6-36C Un refrigerador tiene un COP de -1.5, es decir, elimina 1.5 kWh de energía del espacio refrigerado por cada kWh de electricidad que consume. ¿Viola esto la primera ley de la termodinámica? Explique. No. El refrigerador capta la energía de un medio frío y lo lleva a un medio caliente. No lo crea.
6-37C ¿Cuál es la expresión de Clausius para la segunda ley de la termodinámica? Es imposible construir una maquina térmica cíclica, que no tenga otro efecto que transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a una temperatura más elevada.
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6-38C Demuestre que son equivalentes los enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius de la segunda ley. Aparentemente los enunciados de la segunda ley no están relacionados, pero son equivalentes en todos sus aspectos, ya que si un enunciado es falso, el otro también lo es.
MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO 6-56C Un inventor afirma haber desarrollado un calentador de resistencia que suministra 1.2 kWh de energía a una habitación por cada kWh de electricidad que consume. ¿Es ésta una afirmación razonable o el inventor ha desarrollado una máquina de movimiento perpetuo? Explique. Este dispositivo genera energía, y por lo tanto se trata de una maquina de movimiento perpetuo.
6-57C Se sabe bien que la temperatura del aire aumenta cuando se comprime. Un inventor consideró usar este aire de alta temperatura para calentar edificios y utilizó un compresor propulsado por un motor eléctrico. El inventor afirma que el sistema de aire caliente comprimido es 25 por ciento más eficiente que un sistema de calefacción por resistencias
el
cual
proporciona
una
cantidad
equivalente
de
calentamiento. ¿Es válida esta afirmación o sólo se trata de otra máquina de movimiento perpetuo? Explique. Este dispositivo genera energía, y por lo tanto se trata de una maquina de movimiento perpetuo.
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES 6-58C Una bebida enlatada fría se deja en una habitación más caliente donde su temperatura sube como resultado de transferencia de calor. ¿Se trata de un proceso reversible? Explique. No. Porque se trata de transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita.
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6-59C ¿Por qué los ingenieros se interesan en procesos reversibles aunque nunca es posible lograrlos? Debido a los procesos reversibles pueden ser abordados en la r ealidad, y forman los casos límite. Trabajo de producción de dispositivos que operan en los procesos reversibles proporcionar la mayor cantidad de trabajo, y trabajar los aparatos de consumo que operan en los procesos reversibles consumen menos trabajo.
6-60C ¿Por qué un proceso de compresión sin cuasiequilibrio entrega menos trabajo que el proceso de cuasiequilibrio correspondiente? Cuando el proceso de compresión no es cuasiestático, las moléculas antes de que la cara del pistón no se puede escapar lo suficientemente rápido, formando una región de alta presión en la parte delantera del pistón. Se necesita más trabajo para mover el pistón en contra de esta región de alta presión.
6-61C ¿Por qué un proceso de expansión sin cuasiequilibrio entrega menos trabajo que el proceso de cuasiequilibrio correspondiente? Detrás del pistón. La menor presión que empuja el pistón produce menos trabajo. Cuando un proceso de expansión no es cuasiestático, las moléculas antes de que la cara del pistón no se puede seguir el pistón lo suficientemente rápido, formando una región de baja presión.
6-62C ¿Cómo se distingue entre irreversibilidades internas y externas? Las irreversibilidades que ocurren dentro de los límites del sistema son irreversibilidades internas, las que ocurren fuera de los límites del sistema son irreversibilidades externas.
6-63C ¿Un proceso reversible de expansión o compresión es necesariamente de cuasiequilibrio? ¿Un proceso de expansión o compresión en cuasiequilibrio es necesariamente reversible? Explique. Una expansión reversible o proceso de compresión no puede implicar la expansión sin límites o compresión súbita, por lo que es cuasi-equilibrio. Expansión de un cuasi-equilibrio o de compresión, por otro lado, puede implicar irreversibilidades externas (como la transferencia de calor a través de una Luis Cocha
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diferencia de temperatura finita), y por lo tanto no es necesariamente irreversible.
CICLO Y PRINCIPIOS DE CARNOT 6-64C ¿Cuáles son los cuatro procesos que constituyen el ciclo de Carnot? Los cuatro procesos que conforman el ciclo de Carnot son la expansión isotérmica, la expansión adiabática reversible, compresión isotérmica y una compresión adiabática reversible.
6-65C ¿Cuáles son los dos enunciados conocidos como principios de Carnot? Son (1) el rendimiento térmico de un motor térmico irreversible es menor que la eficiencia de un motor térmico de operación reversible entre los dos mismos focos, y (2) la eficiencia térmica de todos los motores de calor reversibles que operan
entre
los
mismos
dos
depósitos
son
iguales.
6-66C Una persona afirma haber desarrollado un nuevo ciclo de máquina térmica reversible que tiene la misma eficiencia teórica que el ciclo de Carnot, y que opera entre los mismos límites de temperatura. ¿Cómo evalúa esta afirmación? Falso. El segundo afirma Carnot principio de que ningún motor de ciclo de calor puede tener una eficiencia térmica más alta que el ciclo de Carnot que operan entre los límites de la misma temperatura.
6-67C Una persona afirma haber elaborado un nuevo ciclo de máquina térmica reversible que tiene la misma eficiencia teórica que el ciclo de Carnot y que opera entre los mismos límites de temperatura. ¿Es razonable esta afirmación? Sí. El segundo principio de Carnot establece que todos los ciclos de calor reversible de funcionamiento del motor entre los límites de la misma temperatura tienen la misma eficiencia térmica.
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6-68C ¿Es posible desarrollar a) un ciclo de máquina térmica reversible real y b) uno que sea más eficiente que un ciclo de Carnot que opera entre los mismos límites de temperatura? Explique. No es posible desarrollar ninguno de los literales, ya que ninguna maquina térmica real que opera entre dos fuentes de calor, puede ser más eficiente que una maquina ideal llamada Carnot, operando entre las dos mismas fuentes.
MÁQUINAS TÉRMICAS DE CARNOT 6-69C ¿Hay alguna forma de incrementar la eficiencia de una máquina térmica de Carnot, que sea distinta a incrementar TH o disminuir TL? No existe ninguna forma de incrementar la eficiencia de una maquina térmica de Carnot, ya que esta es una maquina ideal y no existe en la vida real y mucho menos mejorar la eficiencia de algo que no existe.
6-70C Considere dos centrales eléctricas reales que operan con energía solar. La energía se suministra a una de éstas desde un estanque solar a 80°C y a la otra desde colectores solares que elevan la temperatura del agua a 600°C. ¿Cuál de estas dos centrales tendrá una mayor eficiencia? Explique. El que tiene una temperatura de la fuente de 600 ° C tendrá una mayor eficiencia, porque cuanto mayor es la temperatura a la que se suministra calor al fluido de trabajo de una máquina de calor, mayor es la eficiencia térmica.
REFRIGERADORES DE CARNOT Y BOMBAS DE CALOR 6-81C ¿Cómo se puede incrementar el COP de un refrigerador de Carnot? Al aumentar la TL o por la disminución de TH se puede incrementar el COP de un refrigerador de Carnot.
6-82C ¿Cuál es el COP máximo que puede tener un refrigerador que opera entre los niveles de temperatura TL y TH? Es la Conferencia de las partes que un refrigerador de Carnot tendría, 1/1COPR- = LHTT. Luis Cocha
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En un esfuerzo por conservar energía en un ciclo de máquina
térmica, alguien sugiere incorporar un refrigerador que absorberá parte de la energía de desecho QL y la transferirá a la fuente de energía de la máquina térmica. ¿Es ésta una buena idea? Explique. No, el aumento en el trabajo realizado será igual al trabajo que consume el refrigerador. En realidad, el trabajo consume la nevera siempre será mayor que el trabajo adicional que produce, lo que resulta en una disminución de la eficiencia térmica de la planta de energía.
6-84C Está bien establecido que la eficiencia térmica de una máquina térmica se incrementa cuando disminuye la temperatura T L a la cual se rechaza calor desde la máquina térmica. En un intento por incrementar la eficiencia de una planta de energía, alguien sugiere refrigerar el agua de enfriamiento antes de que entre al condensador, donde se lleva a cabo el re-chazo de calor. ¿Estaría a favor de esta idea? ¿Por qué? No, el aumento en el trabajo realizado será igual al trabajo que consume el refrigerador. En realidad, el trabajo consume la nevera siempre será mayor que el trabajo adicional que produce, lo que resulta en una disminución de la eficiencia térmica de la planta de energía.
6-85C Se sabe bien que la eficiencia térmica de las máquinas térmicas se incrementa cuando crece la temperatura de la fuente de energía. En un intento por mejorar la eficiencia de una central eléctrica, alguien sugiere transferir calor de una fuente de energía disponible a un medio de mayor temperatura mediante una bomba de calor antes que la energía sea suministrada a la central. ¿Qué piensa de esta recomendación? Explique. No es una buena recomendación. El aumento en el trabajo realizado será igual al trabajo consumido por la bomba de calor. En realidad, el trabajo consumido por la bomba de calor siempre será mayor que el trabajo adicional que produce, lo que resulta en una disminución de la eficiencia térmica de la planta de energía.
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TEMA ESPECIAL: REFRIGERADORES DOMÉSTICOS 6-104C Alguien propone que el sistema de refrigeración de un supermercado esté sobrediseñado de modo que las necesidades de acondicionamiento de aire de la tienda se puedan satisfacer mediante aire refrigerado sin instalar ningún sistema de aire acondicionado. ¿Qué piensa de esta propuesta? Es una mala idea sobredimensionado el sistema de refrigeración de un supermercado, con lo que todo el aire acondicionado de las necesidades de la tienda pueden ser satisfechas por el aire refrigerado, sin necesidad de instalar ningún sistema de aire acondicionado. Esto se debe a los refrigeradores enfrían el aire a una temperatura mucho más baja que la necesaria para el aire acondicionado, y por lo tanto su eficiencia es mucho menor, y su costo de operación es mucho mayor.
6-105C Una persona propone que todos los requerimientos del refrigerador y el congelador de una tienda se satisfagan por medio de un congelador que suministre suficiente aire frío a -20°C, en lugar de instalar refrigeradores y congeladores separados. ¿Qué piensa de esta propuesta? Es una mala idea para cumplir con toda la nevera / congelador requisitos de una tienda mediante el uso de un congelador grande que suministra suficiente aire frío a -20 ° C en lugar de la instalación de refrigeradores y congeladores separados. Esto se debe a los congeladores enfriar el aire a una temperatura mucho más baja que la necesaria para la refrigeración, y por lo tanto su eficiencia es mucho menor, y su costo de operación es mucho mayor.
6-106C Explique cómo se puede reducir el consumo de energía del refrigerador de su casa. El consumo de energía de un refrigerador en el hogar se puede reducir mediante la práctica de buenas medidas de conservación, tales como
La apertura de la puerta del refrigerador sea de menor veces posible.
Enfriar la comida caliente a la temperatura ambiente antes de ponerlos en el refrigerador.
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Limpiando de las bobinas del condensador detrás del refrigerador.
El control de la junta de la puerta de escape de aire este en buenas condiciones.
Evitando los ajustes de temperatura innecesariamente bajos.
Evitando la acumulación excesiva de hielo en las superficies interiores del evaporador.
Con el interruptor de ahorro de energía que controla los serpentines de calefacción que evitar la condensación en las superficies exteriores en ambientes húmedos.
No bloqueando el paso del flujo de aire hacia y desde los serpentines del condensador del refrigerador.
6-107C ¿Por qué es importante limpiar los serpentines del condensador de un refrigerador doméstico unas cuantas veces al año? También, ¿por qué es importante no bloquear el flujo de aire por los serpentines del condensador? Es importante limpiar los serpentines del condensador de un refrigerador en el hogar un par de veces al año ya que el polvo que se acumula en ellos sirve como aislante y reduce la velocidad de transferencia de calor. Además, es importante no bloquear el flujo de aire a través de los serpentines del condensador ya que el calor es rechazado por ellos por convección natural, y bloqueando el flujo de aire va a interferir con este proceso de disipación de calor. Un frigorífico no puede funcionar a menos que se puede rechazar el calor residual.
6-108C ¿Por qué los refrigeradores actuales son mucho más eficientes que los construidos en el pasado? Los refrigeradores de hoy son mucho más eficientes que los construidos en el pasado como resultado del uso de pequeños y de mayor eficiencia de los motores y compresores, mejores materiales de aislamiento, las superficies más grandes de los serpentines, y un mejor sellado de la puerta.
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