maq_termicas

Tema 2
SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINÁMICA
ING. JOHANNA KRIJNEN
CONTENIDO
1.
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10.
Introducción a la segunda ley de la termodinámica.
Máquinas térmicas (MT)
Concepto
Descripción del ciclo termodinámico.
Eficiencia o rendimiento térmico.
Enunciado de Kelvin Planck
Máquinas de refrigeración (MR)/ Bomba de calor (BC)
Concepto
Descripción del ciclo termodinámico.
Coeficiente de operación o realización de cada máquina.
Enunciado de Clausius.
Procesos reversibles e irreversibles.
Postulados de Carnot.
Escalas absolutas de temperatura
Eficiencia de Carnot
Eficiencia y coeficiente de operación de Carnot
Ejercicios de máquinas térmicas y de refrigeración.
¿Por qué unos procesos ocurren en un sentido
y no en el contrario?
LA SEGUNDA LEY
1) Proporciona los medios para medir calidad (utilidad) de la energía.
2) Establece el criterio de la actuación ideal de los dispositivos en la
ingeniería.
3) Determina la dirección de la evaluación de los procesos
espontáneos.
4) Establece el estado final de equilibrio en los procesos espontáneos.
5) Establece los parámetros para medir las perdidas en los procesos
energéticos.
6) Conduce a la escala termodinámica de temperatura la cual es
independiente de la sustancia utilizada en la medida.
Una tasa de café caliente no se
pondrá mas caliente en una
habitación fría.
SEGUNDO PRINCIPIO
Todo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio
?
25ºC
20ºC
El tiempo va en una dirección
.
?
?
ESPONTANEIDAD.
NECESIDAD DE UNA SEGUNDA LEY.
Cambio espontáneo: Aquél que tiende a ocurrir sin
necesidad de ser impulsado por una influencia
externa.
¿Se puede explicar la direccionalidad del
tiempo,
con el primer principio de la
Termodinámica?
No
?
T=50ºC
T=75ºC
25ºC
DEPOSITO DE ENERGÍA TÉRMICA
Cuerpos de masa moderadamente
grandes pueden modelarse como
depósitos de energía térmica.
Un deposito que suministra energía en forma de calor
recibe el nombre de fuente, y uno que absorbe energía
en forma de calor se denomina sumidero.
MÁQUINAS TÉRMICAS
Es un dispositivo que permite trasformar la energía en forma de calor en trabajo.
Destacando que existen diferencias considerables entre ellas, pero con
características comunes como:
1) Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos
de petróleo, reactores nucleares, etc).
2) Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de
un eje en rotación).
3) Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja
temperatura (la atmósfera, ríos, etc).
4) Funciona en un ciclo.
Wnet , sal = Qsum − Qced
W& net , sal = Q& sum − Q& ced
Qsum f Qced
Qsum
Wnet , sal
Qced
EFICIENCIA TÉRMICA
Solo una parte del calor transferido a la maquina es convertida en trabajo. Esta fracción
de energía transformada es una medida del rendimiento de una maquina, conocida como
eficiencia térmica y se denota ηt .
Wneto , sale
Salida deseada
Re n dim iento =
⇒ ηt =
Entrada requerida
Qentra
Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así:
ηt =
Wneto , sale
Qentra
=
Qentra − Qsale
Q
= 1 − sale
Qentra
Qentra
La notación para el calor de entrada y salida se estable como:
QL
ηt = 1 −
QH
Donde;
QH : Magnitud del calor entre el dispositivo cíclico y
el medio de alta temperatura a temperatura TH
QL : Magnitud del calor entre el dispositivo cíclico y
el medio de baja temperatura a temperatura TL
MÁQUINA FRIGORIFICA
La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura
requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. Estos dispositivos están provisto
de cuatros elementos básicos que conforman el ciclo termodinámico por lo cuales circula
el fluido de trabajo (refrigerante).
1) Compresor:
El refrigerante entra como vapor saturado y se comprime a la presión
del condensador.
2) Condensador: El refrigerante sale del compresor a una temperatura relativa alta y se
enfrían y condensa conforme fluye por el serpentín liberando calor
hacia el medio exterior.
3) Válvula:
El refrigerante sale del condensador y entra en la válvula
donde su presión y su temperatura desciende drásticamente,
debido a la estrangulación.
4) Evaporador: El refrigerante entra al evaporador donde absorbe calor del espacio
refrigerado evaporándose y luego repetir el proceso.
MÁQUINA FRIGORIFICA COMPONENTES
Ing. Caracciolo Gómez
MÁQUINA FRIGORIFICA
Coeficiente de operación:
La eficiencia de un refrigerador se expresa en termino de coeficiente de actuación y se
denota con COPR. Debido al principio de funcionamiento de los refrigeradores la
definición plantea:
Salida deseada
QL
=
COPR =
Entrada requerida Wneto , entra
Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así:
COPBC =
QL
QL
1
=
=
Wneto QH − QL QH QL − 1
El COPR puede ser mayor que la
unidad debido a que la cantidad de
calor absorbido puede ser mayor que
el trabajo de entrada.
BOMBA DE CALOR
El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a alta temperatura,
lo cual se consigue al absorber el calor de una fuente de baja temperatura, como el agua
o aire frió. Utilizando como fluido de trabajo refrigerante y un mismo ciclo con
propósito distintito.
Coeficiente de actuación:
La medida del funcionamiento de una bomba de calor se expresa también en términos
del coeficiente de actuación, y se denota por COPBC . Su definición plantea que:
COPBC =
Salida deseada
QH
=
Entrada requerida Wneto , entra
Para un sistema cíclico la ecuación se simplifica así:
COPBC =
QH
QH
1
=
=
Wneto QH − QL 1 − QL QH
COPBC f 1
PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
Proceso reversible:
Es el que puede invertirse sin dejar ninguna huella en los alrededores; tanto el sistema y
los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto es
posible sólo si el intercambio de calor neto y de trabajo neto entre el sistema y los
alrededores es cero para el proceso combinado.
Péndulo sin
fricción.
Compresión y expansión
en cuasiequilibrio de un
gas.
Proceso irreversible:
Los procesos que no son reversibles se conocen como irreversibles y los factores que
los causan son: La fricción, la expansión libre, la mezcla de dos fluidos, la transferencia
de calor a través de un diferencia finita de temperatura, la resistencia eléctrica, la
deformación inelástica de los sólidos y las reacciones químicas.
Expansión libre
del gas.
Transferencia
de calor.
CICLO DE CARNOT
El ciclo reversible mas conocido es el ciclo Carnot, propuesto por primera vez en 1824
por el ingeniero francés Sadi Carnot. Este ciclo esta compuesto por cuatro procesos
reversibles, dos isotérmico y dos adiabático, los cuales pueden ejecutarse en un sistema
cerrado o en uno de flujo estable.
Expansión isotérmica reversible:
Proceso 1-2, TH = constante.
Compresión isotérmica reversible:
Proceso 3-4, TL = constante.
Expansión adiabática reversible:
Proceso 2-3, disminuye de TH a TL
Compresión adiabática reversible:
Proceso 4-1, aumenta de TL a TH
CICLO DE CARNOT INVERSO
Esta vez, el ciclo permanece exactamente igual, excepto en que la dirección de cualquier
interacción de calor y trabajo están invertidas: se absorbe calor en una cantidad de QL del
deposito de baja temperatura, y se desecha calor en la cantidad de Q H en un deposito de
alta temperatura. Para lograr todo esto se requiere una entrada de trabajo Wneto ,entra
Las descripción del comportamiento termodinámico de estos ciclos se presenta mediante
diagramas P-V.
Diagrama P-V del ciclo de Carnot
Diagrama P-V del ciclo de Carnot inverso
ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURA
Según Carnot la eficiencia se puede plantear como η t = f (T A , TB ) y también puede
expresarse como:
ηt =
Wnet , sale
Qentra
=
QA,entra − QB , sale
QA,entra
= 1−
QB ,entra
QA,entra
Por lo que se establece:
QB , sale
QA,entra
= 1 − f (TA , TB ) ≡ ψ (TA , TB )
Donde f (T ) y ψ (T ) son funciona arbitrarias. La única forma de la función ψ (T )
matemáticamente aceptable es:
g (TA )
ψ (TA , TB ) =
⇒
g (TB )
QB , sale
QA,entra
=
g (TA )
g (TB )
Donde g (T ) es un función arbitraria, simplificando se tiene:
QB , sale
QA,entra
=
(TA )
(TB )
Escala de Kevin de temperaturas absolutas
MAQUINA TÉRMICA CARNOT
La maquina térmica hipotética que funciona con el ciclo reversible de Carnot se llama
maquina térmica de Carnot. La eficiencia térmica de cualquier máquina térmica,
reversible o irreversible, esta dada por:
ηt = 1 −
QL
T
⇒ ηt = 1 − L
QH
TH
Las eficiencias térmicas de maquinas térmicas reales y reversible que operan entre los
mismos límites de temperatura se comparan de la manera siguiente:
⎧p ηt ,rev.
⎪
ηt = ⎨= ηt ,rev
⎪f η
⎩ t ,rev
Máquina térmica irreversible.
Máquina térmica reversible.
Máquina térmica imposible.
REFRIGERADOR Y BOMBA DE CALOR DE CARNOT
Un refrigerador o una bomba de calor que operen en un ciclo de Carnot invertido se
llama un refrigerador de Carnot, o Bomba de calor de Carnot. El coeficiente de
funcionamiento de cualquier refrigerador o bomba de calor, reversible o irreversible esta
dado por:
COPR =
COPBC =
QH
1
1
⇒ COPR =
QL − 1
TH TL − 1
1
1
⇒ COPBC =
1 − QL QH
1 − T L TH
Los coeficientes de funcionamiento de refrigeradores reales y reversibles que funcionen
entre los mismos limites de temperaturas pueden compararse con los siguientes:
⎧p ηt ,rev.
⎪
ηt = ⎨= ηt ,rev
⎪f η
⎩ t ,rev
Refrigerador irreversible.
Refrigerador reversible.
Refrigerador imposible.