Segunda Ley de la Termodinámica Termodinámica
Termodinámica Termodinámica
Leyes de la termodinámica
La termodinámica trata de la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro y no hace referencia a cuánto durará el proceso.
Principio de conservación de la energía
Se interesa en la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro, y no indica cuánto tiempo transcurrirá.
•
La energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante.
Ley cero de la termodinámica •
Si dos cuerpo se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.
Primera ley de la termodinámica •
Expresión de la conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica.
Segunda ley de la Termodinámica •
Afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía.
Termodinámica Termodinámica
Leyes de la termodinámica
La termodinámica trata de la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro y no hace referencia a cuánto durará el proceso.
Principio de conservación de la energía
Se interesa en la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro, y no indica cuánto tiempo transcurrirá.
•
La energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante.
Ley cero de la termodinámica •
Si dos cuerpo se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí.
Primera ley de la termodinámica •
Expresión de la conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica.
Segunda ley de la Termodinámica •
Afirma que la energía tiene calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía.
Sistema termodinámico Se compone de: •
Sistema: Cantidad de material o una región en el espacio elegida para el análisis.
•
Alrededores: masa o región fuera del sistema
•
Frontera: superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores. Puede ser fija o móvil.
Sistemas S. Cerrados
Sistemas abiertos
Propiedades de un sistema Son las características que definen el sistema, como son: Presión (P), Temperatura (T), Volumen (V), masa (m). Las propiedades pueden ser: •
P.Intensivas: que son independientes de la masa de un sistema, como son P, T y ρ
•
P.Extensivas: que son dependientes del tamaño o extensión del sistema (dependen de la masa del sistema), como son la masa y el volumen.
Procesos y Ciclos Proceso
Ciclo
Es el cambio de un estado de equilibrio del sistema a otro estado de equilibrio.
Ocurre cuando el sistema regresa a su estado inicial al final del proceso, es decir, para un ciclo los estados inicial y final son identicos
Para una correcta especificación del proceso se debe especificar sus estados inicial y final, la trayectoria y las interacciones con los alrededores. Proceso cuasiestático, o de cuasiequilibrio Se da cuando el proceso se desarrolla de tal manera que el sistema permanece cerca de un estado de equilibrio todo el tiempo.
Transferencia de energía La energía se puede transferir hacia o desde un sistema en tres formas: Calor
Trabajo Flujo másico
Segunda Ley de la Termodinámica Se usa para determinar los límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como máquinas térmicas y refrigeradores.
Segunda Ley de la Termodinámica Segunda Ley de la Termodinámica
Entropía
Segunda Ley de la Termodinámica Depósito de energía térmica 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.
Ejemplos: grandes cuerpos de agua, como océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico
Segunda Ley de la Termodinámica Conceptos Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente. Un depósito que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero .
Máquinas térmicas Son dispositivos que permiten convertir el calor en trabajo, los cuales pueden diferir bastante entre sí, pero que es posible caracterizarlos por: •
Reciben calor de una fuente a temperatura alta.
•
Convierten parte de este calor en trabajo.
•
Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura.
•
Operan en un ciclo.
Máquinas térmicas Estos dispositivos requieren de un fluido, conocido como fluido de trabajo, hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Algunas máquinas térmicas producen trabajo pero no operan en un ciclo termodinámico, es el caso de las máquinas relacionadas con la combustión interna.
Máquinas térmicas Central eléctrica de vapor Q entrada = cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta (horno). Q salida = cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etc). 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. Wneto,salida = Wsalida – Wentrada Wneto,salida = Q entrada – Q salida
Máquinas térmicas Eficiencia térmica Es una medida del desempeño de una máquina térmica, que corresponde a la fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto.
Para uniformar el tratamiento de máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, se define:
é
Q H = magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura tH.
, 1
Q L = magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura tL.
Máquinas térmicas Eficiencia térmica Para uniformar el tratamiento de máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, se define: Q H = magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura tH. Q L = magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura tL.
,= − , 1
La eficiencia térmica de una máquina térmica siempre es menor a la unidad porque Q L y Q H se definen como cantidades positivas.
Enunciado de Kelvin-Planck Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo, es decir, ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil.
Ejemplo 6-22 Una planta termoeléctrica con una generación de potencia de 150 MW consume carbón a razón de 60 toneladas/h. Si el poder calorífico del carbón es 30,000 kJ/kg, determine la eficiencia total de esta planta. Respuesta: 30,0 por ciento
Ejemplo 6-29 Una planta eléctrica de carbón produce una potencia neta de 300 MW con una eficiencia térmica total de 32 por ciento. La relación real gravimétrica aire-combustible en el horno se calcula que es 12 kg aire/kg de 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 y b) el flujo másico de aire que fluye a través del horno. Respuestas: a) 2,89 x 10 6 kg; b) 402 kg/s
Refrigeradores y Bombas de Calor Refrigeradores •
•
Dispositivos especiales que son empleados para la transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta. 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.
Bombas de Calor •
Dispositivo que transfiere calor desde un medio de baja temperatura a otro de alta .
•
El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. Esto se logra absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura bajo.
Ciclo de refrigeración por compresión de vapor El ciclo que se utiliza con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
Refrigeradores Coeficiente de Desempeño Expresa la eficiencia de un refrigerador, el cual se denota mediante COPR. El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (Q L) del espacio refrigerado, para lo cual se requiere una entrada de trabajo (Wneto,entrada).
,
Como:
,= −
1 1
Ejemplo 6-40 Un refrigerador doméstico con un COP de 1.2 quita calor del espacio refrigerado a una tasa de 60 kJ/min. Determine a) la potencia eléctrica que consume el refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor al aire de la cocina. Respuestas: a) 0,83 kW; b) 110 kJ/min
Bombas de Calor Expresa la eficiencia de un refrigerador, el cual se denota mediante COP R. El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (Q L) del espacio refrigerado, para lo cual se requiere una entrada de trabajo (Wneto,entrada ).
,
,= − 1 1
Como:
Ejemplo 6-54 Se usa una bomba de calor para mantener una casa a una temperatura constante de 23°C. La casa pierde calor hacia el aire exterior a través de las paredes y las ventanas a razón de 60,000 kJ/h, mientras que la energía generada dentro de la casa por las personas, las luces y los aparatos domésticos es de 4,000 kJ/h. Para un COP de 2.5, determine la potencia necesaria para la operación de bomba de calor. Respuesta: 6,22 kW
Enunciado de Clausius Es imposible construir un dispositivo que opere sin que produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura, lo cual establece que un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea propulsado mediante una fuente de energía externa, como un motor eléctrico.
Procesos reversible e irreversibles Proceso reversible
Irreversibilidades
Es un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores.
Se en los siguientes casos:
No ocurren en la naturaleza, solo son idealizaciones de procesos reales. Son importantes porque permiten determinar el máximo de trabajo que entregan los dispositivos que producen trabajo, como motores de automóviles y turbinas a gas o vapor; así como el mínimo de trabajo suministrado a los dispositivos que consumen trabajo, como compresores, ventiladores y bombas.
La fricción que se presenta en cuerpos en movimiento. La expansión libre de un gas. La transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura. El mezclado de dos fluidos. La resistencia eléctrica.
El ciclo de Carnot Ciclo que se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y que es posible llevar a cabo en un sistema cerrado o de flujo estacionario. Expansión isotérmica reversible Adicion de energía a TH constante Expansión adiabática reversible Disminución de la temperatura de T H a TL Compresión isotérmica reversible Retiro de energía a T L constante Compresión adiabática reversible Aumento de la temperatura de T L a TH.
El ciclo de Carnot Eficiencia de Carnot
, 1 , 1
Es la eficiencia máxima que puede tener una máquina térmica que opera entre los dos depósitos de energía térmica a temperatura TL y TH. La eficiencia de una máquina térmica de Carnot se incrementa cuando T H aumenta o cuando TL disminuye
Eficiencia máquina térmica Todas las máquinas térmicas reversible que operan entre estos límites de temperatura, T L y TH , tienen eficiencias menores.
< á é , > ,, ááé é La eficiencia térmica de las máquinas térmicas reales se puede maximizar al suministrar calor hacia la máquina a la temperatura máxima posible (limitada por la resistencia del material) y al rechazar calor de la máquina a la menor temperatura posible (limitada por la temperatura del medio de enfriamiento).
El Ciclo inverso de Carnot El refrigerador de Carnot
, 1 1
1 , 1
< , , >,
La Bomba de Carnot
, − 1 , 1
Coeficiente de desempeño más alto que puede tener un refrigerador y una bomba de calor que opera entre los límites de temperatura T L y TH. Los refrigeradores y las bombas de calor reales que operan entre estos límites de temperatura, TL y TH, tienen menores coeficientes de desempeño.
Ejemplo 6-113 Se usa un acondicionador de aire con refrigerante 134a como fluido de trabajo para mantener un cuarto a 26°C rechazando el calor de desecho al aire exterior a 34°C. El cuarto gana calor a través de las paredes y las ventanas a razón de 250 kJ/min, mientras que el calor generado por la computadora, la TV y las luces es de 900 W. El refrigerante entra al compresor a 500 kPa como vapor saturado a razón de 100 L/min y sale a 1.200 kPa y 50°C. Determine a) el COP real, b) el COP máximo y ) el flujo volumétrico mínimo del refrigerante en la entrada del compresor para las mismas condiciones de entrada y salida del compresor. Respuestas: a) 6.59, b) 37.4, c) 17.6 L/min
Ejemplo 6-130 Una bomba de calor con refrigerante 134a como fluido de trabajo se usa para mantener un espacio a 25°C absorbiendo calor de agua geotérmica que entra al evaporador a 50°C a razón de 0.065 kg/s y sale a 40°C. El refrigerante entra al evaporador a 20°C con una calidad de 15 por ciento y sale a la misma presión como vapor saturado. Si el compresor consume 1.2 kW de potencia, determine a) el flujo másico del refrigerante, b) la tasa de suministro de calor, c) el COP y d) el consumo mínimo de potencia por el compresor para la misma tasa de suministro de calor. Respuestas: a) 0.0175 kg/s, b) 3.92 kW, c) 3.27, d ) 0.303 kW
