SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Los esfuerzos para

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
Los esfuerzos para diseñar un proceso de conversión continua y completa del calor en trabajo, o energía
mecánica o eléctrica, han fallado. Pese a las mejoras hechas a los aparatos utilizados, la eficiencia en la
conversión no excede del 40 por ciento. Estos valores tan bajos llevan a la conclusión de que el calor es una
forma de energía intrínsecamente menos útil y, por tanto, menos valiosa que una cantidad igual de trabajo o de
energía mecánica o eléctrica.
ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY
Es posible formular muchos enunciados que describan esta restricción y que, por tanto, sirvan como enunciados
de la segunda ley. Dos de los más comunes son los siguientes:
1. Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus alrededores) sea
convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema.
2. No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura
a otro mayor.
La segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a partir del calor, pero coloca un límite sobre la fracción de
calor que en cualquier proceso cíclico puede convertirse en trabajo. La conversión parcial de calor en trabajo es
la base de casi toda la producción comercial de energía. El desarrollo de una expresión cuantitativa para la
eficiencia de esta conversión es el siguiente paso en el estudio de la segunda ley
MAQUINA TÉRMICAS
El enfoque clásico para la segunda ley se basa en un punto de vista macroscópico de las propiedades,
independiente de cualquier tipo de conocimiento de la estructura de la materia o comportamiento de las
moléculas. Este enfoque surgió del estudio de la máquina térmica, que es un dispositivo o máquina que produce
trabajo a partir de calor en un proceso cíclico.
Un ejemplo de máquina térmica es la planta
termoeléctrica, donde el fluido de trabajo
(vapor) regresa periódicamente a su estado
original. En esta planta, el ciclo (en su forma
más sencilla) tiene las siguientes etapas:
1. Agua líquida a temperatura cercana a la del
medio ambiente se bombea hacia una caldera a
alta presión.
2. La transferencia del calor de un combustible
(calor de combustión de un combustible fósil o
calor de una reacción nuclear) de la caldera al
agua, convirtiéndola en vapor a alta
temperatura a la presión de la caldera.
3. Transferencia de energía, como trabajo de eje, del vapor a los
alrededores, mediante un dispositivo tal como una turbina, en la cual
el vapor se expande hasta la presión y temperatura reducidas.
4. El vapor que queda en la turbina se condensa a temperatura y
presión bajas mediante la transferencia de calor al agua de
enfriamiento, completando de esta, manera el ciclo.
Las características fundamentales de los ciclos de todas las máquinas
térmicas son la absorción de calor a altas temperaturas, el rechazo de
éste a una temperatura baja y la producción de trabajo. En el estudio
teórico de las máquinas térmicas los dos niveles de temperatura que
caracterizan su funcionamiento se mantienen mediante reservas
térmicas, las cuales pueden imaginarse como cuerpos capaces de
absorber o arrojar una cantidad infinita de calor sin cambio alguno en
la temperatura (sumideros). Durante la operación, el fluido de trabajo
de una máquina térmica absorbe calor (QH) de la reserva caliente,
produce una cantidad neta de trabajo (WNETO), descarta calor (QL)
hacia un depósito de baja temperatura y regresa a su estado inicial. Por
tanto, la primera ley se reduce a:
Eficiencia: en una máquina térmica, la eficiencia se define como:
REFRIGERADORES : Como la transferencia de calor en la naturaleza ocurre en sentido de mayor a menor
temperatura, la transferencia en sentido inverso requiere de un dispositivo denominado refrigerador. Los
refrigeradores como las bombas de calor, sin dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo en el ciclo se denomina
refrigerante. El ciclo de refrigeración más empleado es el “ciclo de refrigeración por compresión por vapor”,
en el que intervienen cuatro componentes: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un
evaporador.
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 se
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.
El objetivo de un refrigerador es eliminar QL de un espacio refrigerado.
Coeficiente de desempeño (CDF, COPR)
La eficiencia se mide en términos de la relación entre lo que se quiere
obtener con respecto a lo que entra, en un refrigerador se requiere
remover QL y requiere entrada de potencia, por lo tanto:
⁄
EL CICLO DE CARNOT: Si no es posible que las máquinas térmicas
tengan una eficiencia térmica de 100 por ciento, entonces qué es lo que
determina el límite superior? Ciertamente es de esperarse que la
eficiencia térmica de una máquina térmica dependa del grado de
reversibilidad de la operación. Por otra parte, una máquina térmica que
funcione de una manera completamente reversible es muy especial, y se
conoce como máquina de Carnot. Las características de esta máquina
ideal fueron descritas por primera vez por Sadí Carnot en 1824. Las
cuatro etapas de las que consta un ciclo de Carnot se llevan a cabo en el orden siguiente:
1. Expansión isotérmica reversible: el sistema mantiene contacto con la
reserva caliente a TH, y experimenta un proceso isotérmico reversible
durante el cual el calor QH se absorbe de la reserva caliente y aumenta su
volumen.
2. Expansión adiabática reversible: el sistema ahora es adiabático con un
aislamiento adecuado, el gas se expande lentamente y realiza trabajo sobre
el entorno hasta que la temperatura disminuye de TH a TL.
3. Compresión adiabática reversible: al sistema se le retira el aislamiento y
está en contacto con el sumidero a TL y una fuerza externa realiza trabajo
sobre el sistema pero manteniendo su temperatura constante por medio de la
eliminación de calor (QL)
4. Compresión adiabática reversible: colocando nuevamente un
aislamiento y se comprime el sistema de manera reversible, entonces el gas
vuelve a su estado original. La temperatura sube de TL a TH durante este
proceso adiabático que completa el ciclo.
En el diagrama P-v se muestra el
proceso, el área bajo la curva 1-2-3
es el trabajo que se realiza durante la
expansión del ciclo y el área bajo la
curva 3-4-1 es el trabajo realizado
sobre el sistema durante la
compresión del ciclo. El área que
encierra la trayectoria del ciclo es la
diferencia entre estas dos y
representa el trabajo neto hecho
durante el ciclo.
Por ser un ciclo reversible, el de Carnot es el más eficiente que opera entre dos límites de temperatura, TH y TL.
Ciclo de Carnot Inverso
Si se considera el proceso inverso al ciclo de Carnot, se tiene un ciclo
de refrigeración de Carnot. El ciclo es exactamente el mismo sólo
que las direcciones de las interacciones son las opuestas: el calor QL se
absorbe de un depósito de temperatura a TL, el calor QH se rechaza
hacia un depósito a TH y se requiere una cantidad de trabajo WNETO
para completar el ciclo.
MAQUINA TERMICA DE CARNOT
Una máquina que opera en el ciclo reversible de Carnot se denomina
máquina térmica de Carnot. Las relaciones son similares a las
usadas en las máquinas térmicas generales y la eficiencia se puede
estimar con la temperatura absoluta:
REFRIGERADORES DE CARNOT
Un refrigerador que opera en el ciclo inverso de Carnot, se llama
refrigerador de Carnot. La eficiencia se mide igualmente en términos
de la temperatura absoluta.
Para los refrigeradores:
⁄
Estos son los coeficientes de desempeño más
altos que puede tener un refrigerador que opera
entre dos límites de temperatura TL y TH. Los
refrigeradores reales que operan entre los
límites de temperatura tienen menores
coeficientes de desempeño.
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