RUBRICA
MECANICA DE FLUIDOS Y
–
TERMODINAMICA
Ari Flores Joel Jorge Jorge Valdivia Revuelta Andree Benjamin Taipe Supho Miguel Angel Alumnos :
Quiroz Rivera Felipe Eduardo Sanca Sanchez Luis Fernando Villasante Roque Jhonatan Junior
Grupo
:
A-B
Profesor: Carlos Chama
Nota:
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LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
OBJETIVO GENERAL:
Aplicar conocimientos de matemática, ciencia y tecnología para identificar y resolver problemas en sistemas mecánicos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Introducir la segunda ley de la termodinámica. Identificar procesos válidos como aquellos que satisfacen tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. Analizar los depósitos de energía térmica, procesos reversibles e irreversibles, máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor. Describir los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius de la segunda ley de la termodinámica. Aplicar la segunda ley de la termodinámica a ciclos y dispositivos cíclicos. Aplicar la segunda ley para desarrollar la escala de temperatura termodinámica absoluta. Describir el ciclo de Carnot. Examinar los principios de Carnot, las máquinas térmicas idealizadas de Carnot, refrigeradores y bombas de calor. Determinar las expresiones para las eficiencias térmicas y los coeficientes de desempeño para máquinas térmicas reversibles, bombas de calor y refrigeradores.
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Introducción La energía es una propiedad conservada y no se sabe de ningún proceso que violela primera ley de la termodinámica. Por lo tanto es razonable concluir que para queocurra, un proceso debe satisfacer la primera ley. Sin embargo, satisfacerla noasegura que en realidad el proceso tenga lugar. Una experiencia común es que una taza de café caliente dejada en una habitación que está más fría termine por enfriarse. Este proceso satisface la primera ley de la termodinámica porque la cantidad de energía que pierde el café es igual a la cantidad que gana el aire circundante. Considere ahora el proceso inverso: café caliente que se vuelve incluso más caliente en una habitación más fría como resultado de la transferencia de calor desde el aire. Se sabe que este proceso nunca se lleva a cabo.
Otro ejemplo común es el calentamiento de una habitación mediante el paso de corriente eléctrica por un resistor
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A partir de estos argumentos resulta claro que los procesos van en cierta dirección y no en la dirección contraria. La primera ley de la termodinámica no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que en realidad ocurra el proceso.
Esta violación se detecta fácilmente con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no puede ocurrir a menos que satisfaga tanto la primera ley de la termodinámica como la segunda. Según una explicación posterior de este capítulo, mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en trabajo, por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor. La segunda ley de la termodinámica se usa también para determinar los lí- mites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como máquinas térmicas y refrigeradores, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas.
DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente tener un hipotético cuerpo que posea una capacidad de energía térmica relativamente grande (masa x calor específico) que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica, o sólo depósito.
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Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero. Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor.
Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Al f luido se le conoce como fluido de trabajo.
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La salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total
Wneto,salida = Wsalida - Wentrada
(kJ)
Eficiencia térmica La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica n ter
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La segunda ley de la termodinámica: enunciado de KelvinPlanck Kelvin Planck dice: “Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo” Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo. El enunciado de Kelvin-Planck se puede expresar también como: ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento o bien: para que una central eléctrica opere, el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente, así como con el horno.
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REFRIGERADORES
El refrigerante entra al compresor como vapor y se comprime hasta la presión del condensador, posteriormente sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa a medida que fluye por los serpentines del condensador rechazando calor al medio circundante. Después entra al tubo capilar donde su presión y temperatura caen de forma drástica debido al efecto de estrangulamiento. Luego, el refrigerante a temperatura baja entra al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor.
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Coeficiente de desempeño La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP, siglas de coefficient of performance), el cual se denota mediante COPR. El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (QL) del espacio refrigerado.
BOMBAS DE CALOR El propósito de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja eliminando calor de éste. Descargar este calor hacia un medio que está a temperatura mayor es solamente una parte necesaria de la operación, no el propósito. El objetivo de una bomba de calor, sin embargo, es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. Esto se logra absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura baja, por ejemplo, agua de pozo o aire frío exterior en invierno, y suministrando este calor a un medio de temperatura alta como una casa La medida de desempeño de una bomba de calor también se expresa en términos del coeficiente de desempeño COP hp
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LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT La hipotética máquina térmica que opera en el ciclo reversible de Carnot se llama máquina térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier má- quina térmica, reversible o irreversible, se determina mediante la ecuación
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6-18. Una central eléctrica de vapor recibe calor de un horno a una tasa de 280 GJ/h. Cuando el vapor pasa por tubos y otros componentes las pérdidas de calor hacia el aire circundante desde el vapor se estiman en alrededor de 8 GJ/h. Si el calor de desecho se transfiere al agua de enfriamiento a una tasa de 145 GJ/h, determine a) la salida de potencia neta y b) la eficiencia térmica de esta planta de potencia. Datos:
6-21 Un motor de automóvil consume combustible a razón de 28 L/h y entrega a las ruedas 60 kW de potencia. Si el combustible tiene un poder calórico de 44 000 kJ/kg y una densidad de 0.8 g/cm3, determine la eficiencia de este motor.
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() ( ) 6-39 Un refrigerador doméstico con un COP de 1.2 remueve calor del espacio refrigerado a una tasa de 60 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume cl refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor hacia cl aire de la cocina.
Entonces:
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6-40 Un acondicionador de aire remueve calor en régimen permanente desde un hogar a una tasa de 750 kJ/min mientras consume potencia eléctrica a una tasa de 6 kW. Determine a) el COP de este acondicionador de aire y b) la tasa de transferencia de calor hacia el aire exterior.
Entonces:
6 – 47 Determine el COP de una bomba de calor que suministra energía a una casa a una tasa de 8 00 kJ/h por cada Kw de potencia eléctrica que consume, así como la tasa de absorción de energía desde el aire exterior.
Espacio calentado (Tibio) TH > TL
Datos: Q H = 8000 kJ/H Wneto, entrada = 1 KW
Nos pide:
Salida Deseada
COPHP = ? Q L = ?
Wneto, entrada = 1 KW Entrada requerida
Ambiente frio a TL
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Solución a)
⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄
b)
⁄
6 – 54 Al condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a 800 kPa y 35°C a una tasa de 0.018 kg/s, y sale a 800 kPa como liquido saturado. Si el comprensor consume 1.2 Kw de potencia, determine a) el COP de la comba de calor y b) la tasa de absorción de calor desde el aire exterior.
Datos: Refrigerante 134a P1 = 800 kPa T1 = 35° C P2 = 800 kPa T2 = x ( T2 - T1 ) Wneto, entrada = 1.2 KW
Nos pide: COPHP = ? Q L = ?
a)
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6.78.- Un inventor afirma haber desarrollado una maquina térmica que recibe 700kj de calor de una fuente a 500°k y que produce 300kj de trabajo neto mientras libera el calor de desecho a un sumidero a 290°K. ¿es razonable esta afirmación? ¿por qué? -
Eficiencia máxima
-
Eficiencia actual de la maquina
%
la maquina diseñada es mucho mejor que la maquina térmica idea. Es falsa la afirmación.
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6.80.- Una central eléctrica geotérmica utiliza como fuente de calor agua geotérmica a 160°C a una tasa de 440kg/s, y produce 22MW de potencia neta. Si la temperatura ambiente es de 25°C, determinar. a) La eficiencia térmica real. b) La eficiencia térmica máxima posible. c) La tasa real a la que la central rechaza calor. Estado 1 T1=160 °C => hf =675.47 kj/kg Estado 2 T2=25 °C => hf =104.83 kj/kg
a) Eficiencia térmica real. Q entrada= mgeo(h1-h2) Q= 440 kg/s(675.47 -104.83)kj/kg Q= 251.083 MW
b) Eficiencia máxima:
c)
La tasa real a la que la central rechaza calor
Q salida = Q entrada – Wneto de salida
251.08-22 = 229.08MW
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6.87. Un refrigerador eliminará calor del espacio frío a una tasa de 300 kJ/min para mantener su temperatura a 8ºC. Si el aire que rodea al refrigerador está a 25ºC, determine la entrada de potencia mínima requerida para este refrigerador.
SOLUCION El refrigerador funciona de manera constante.
La potencia de entrada a un refrigerador será mínima cuando el refrigerador funcione de forma reversible manera. El coeficiente de rendimiento de un refrigerador reversible depende de los límites de temperatura en el ciclo solo, y se determina a partir de
La potencia de entrada a este refrigerador se determina a partir de la definición de coeficiente de rendimiento de un refrigerador,
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̇ ̇
6.92. Durante un experimento realizado en una habitación a 25ºC, un ayudante de laboratorio mide que un refrigerador, el cual extrae 2 kW de potencia, ha eliminado 30 000 kJ de calor del espacio refrigerado que se mantiene a 30ºC. El tiempo de operación del refrigerador durante el experimento fue de 20 minutos. Determine si estas mediciones son razonables.
Un experimentalista dice haber desarrollado un refrigerador. El experimentalista informa temperatura, mediciones de transferencia de calor y entrada de trabajo. El reclamo debe ser evaluado
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Análisis El mayor coeficiente de rendimiento que un refrigerador puede tener al eliminar el calor de un refrigerador medio a -30 ° C a un medio más cálido a 25 ° C es
El trabajo consumido por el refrigerador real durante este experimento es
̇ Entonces el coeficiente de rendimiento de este refrigerador se convierte
Está por encima del valor máximo. Por lo tanto, estas medidas no son razonables.
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