TERMODINAMICA 1 2° Ley de la Termodinámica Prof. Carlos G. Villamar Linares Ingeniero Mecánico MSc. Matemáticas Aplicada a la Ingeniería SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica CONTENIDO SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA CICLOS Máquina térmica, rendimiento térmico, refrigerador y bomba de calor, coeficiente de operación. Enunciado de la segunda ley para ciclos, enunciados de Kelvin-Planck, Clauisius. Ciclo de Carnot, postulados de Carnot, desigualdad de Clausius. Máquina de movimiento perpetuo, procesos reversibles e irreversibles, causas de las irreversibilidades. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA. 1ra Ley Conservación de la energía 2da Ley: - Dirección de los procesos - Calidad de la energía - Límites teóricos de desempeño - Predecir el grado de terminación de las reacciones químicas FUENTE TERMICA Sistema en equilibrio estable que puede intercambiar cantidades finitas de calor sin que varié su temperatura. Por ejemplo la atmósfera, un río, el hogar de una caldera. Pueden ser: Fuente Térmica a Alta Temperatura, se denomina F.T.A.T o R.T.A.T (Fuente) Fuente Térmica a Baja Temperatura, se denomina F.T.B.T o R.T.B.T (Sumidero) Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica MAQUINA TERMICA. Sistema cerrado que trabaja en ciclos, toma calor de una F.T.A.T convierte parte de ese calor en trabajo y rechaza calor hacia una F.T.B.T F.T.A.T. TH QH Wn M.T. QL F.T.B.T. Un ejemplo de una máquina térmica es una planta de vapor. Donde QH es el calor que se intercambia con la F.T.A.T. QL es el calor que se intercambia con la F.T.B.T. Wn es el trabajo neto obtenido. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA TL SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica MAQUINA REFRIGERADORA O BOMBA DE CALOR. Sistema cerrado que opera en ciclos tomando calor de una F.T.B.T y rechazando calor a una F.T.A.T y consume cierta cantidad de trabajo para realizar el proceso. F.T.A.T. TH QH Wn Ref. QL F.T.B.T. TL Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor es un ejemplo de una máquina refrigeradora. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica RENDIMIENTO TERMICO Es la relación entre el beneficio obtenido de una máquina térmica y el costo en energía para lograrlo. Como el beneficio que se obtiene de una máquina térmica es el trabajo neto y el costo el calor que se debe suministrar, la ecuación se representa como Como la máquina térmica trabaja en un ciclo tiene que cumplir con la ecuación de la primera ley de la termodinámica para ciclos. Q η= H QL η = 1− QH QH Beneficio Costo Wn η= QH ∫ δQ = ∫ δW Sustituyendo en la ecuación de la eficiencia resulta QH − QL η= 0<η<1 Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA − Q L = Wn SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO. Expresa la relación entre el beneficio que se obtiene de Beneficio una máquina refrigeradora o una bomba de calor y la β = Costo energía que se le debe suministra para obtenerla. Para la máquina refrigeradora. El beneficio que se obtiene de la máquina refrigeradora es el calor absorbido y el costo el trabajo que se debe suministrar, la ecuación se representa como β= QL Wn Como la máquina refrigeradora opera en ciclos δQ = δW cumple con la ecuación de la primera ley de la Q H − Q L = Wn termodinámica para ciclos. ∫ Sustituyendo en la ecuación del coeficiente de utilización resulta QL β= QH − QL Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA ∫ β= 1 QH −1 QL SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Bomba de calor el beneficio es QH QH β = Wn ' Y de manera similar al caso anterior al manipular la ecuación β' = 1 QL 1− QH 0<β<∞ Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica POSTULADOS DE LA 2° LEY KELVIN – PLANCK: Basado en una Máquina Térmica. Establece que es imposible construir un aparato que operando en ciclos produzca trabajo neto intercambiando calor con una sola fuente; o lo que es lo mismo es imposible que una máquina térmica transforme todo el calor que se le suministra en trabajo neto. Es imposible que el trabajo neto obtenido de una máquina térmica sea igual al calor introducido, o sea, que no puede existir una máquina con η = 100% CLAUSIUS: Esta basado en las máquinas de refrigeración y plantea que es imposible que un aparato que opera en un ciclo no tenga otro efecto que transferir calor de una F.T.B.T y lo ceda a una F.T.A.T. o lo que es lo mismo es imposible construir un aparato refrigerador que opere sin consumir trabajo. Si no se consumiera trabajo QH = QL lo que implicaría un β →:. Ninguna máquina refrigeradora puede trabajar con un coeficiente de utilización infinito. Ambos postulados están basados en la experimentación y la violación a uno de ellos implica la violación del otro, es decir, son definiciones equivalentes. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica PROCESOS REVERSIBLES. Se producen por desviaciones infinitesimales del equilibrio. Ocurren en las dos direcciones, sin producir cambios en el sistema o los alrededores, se deben producir muy lentamente. PROCESOS IRREVERSIBLES. Son aquellos que ocurren a través de desviaciones finitas del equilibrio y en presencia de factores disipativos tales como: Presencia de Fricción. Mezcla de substancias. Transmisión de Calor a través de diferencia finita de temperatura. Expansión contra el Vacío. Transmisión de corriente a través de una resistencia eléctrica. Estrangulación de un fluido. Viscosidad. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Procesos Internamente Reversibles. No existen irreversibilidades dentro del sistema durante el proceso, el sistema sufre una serie de estados de equilibrio. Proceso Externamente Reversible. Cuando no existen irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso. La transferencia de calor entre un sistema y sus alrededores es externamente reversible si la temperatura de la superficie de contacto del sistema es igual a la de los alrededores. Proceso Totalmente Reversible. También llamados solo reversibles, no incluyen irreversibilidades ni dentro, ni fuera del sistema. Un proceso totalmente reversible no implica transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura, ni fuerzas disipativas. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica CICLO DE CARNOT. Es una máquina térmica que opera con procesos reversibles, por lo tanto, es un ciclo reversible; si el ciclo se invierte se convierte en una máquina refrigeradora. Los procesos a través de los cuales se desarrolla el ciclo son: 1 – 2 Compresión Adiabática Reversible. 2 – 3 Absorción reversible de Calor. 3 – 4 Expansión Adiabática Reversible. 4 – 1 Rechazo Reversible de Calor Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica 1 – 2 Compresión Adiabática Reversible. 2 – 3 Absorción reversible de Calor. 3 – 4 Expansión Adiabática Reversible. 4 – 1 Rechazo Reversible de Calor F.T A.T (TH+0.00001) QH 2 WC I.C (TH) M.C 1 WE 3 M.E 4 I.C (TL) QL F.T B.T (TL- 0.00001) P Refrigerador, por ser reversible, se tiene: 2 P QH 3 2 QH 3 TH TH 1 QL 1 4 TL v Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA QL 4 TL v SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Para cualquier máquina de Carnot se cumple que: QL QH = TL TH Donde TH y TL son las temperaturas absolutas. Por lo tanto, como la eficiencia de una máquina térmica es función de |QL|/ QH, para una máquina térmica de Carnot el rendimiento térmico se expresa como ηC = 1 − TL TH Para la máquina refrigeradora que opera según el ciclo de Carnot, el coeficiente de utilización se convierte en βC = 1 TH −1 TL Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Como ambas máquinas operan con procesos sin irreversibilidades el coeficiente de utilización y la eficiencia térmica obtenidos con la máquina de Carnot son las máximas posibles, se puede concluir: Es imposible construir una máquina que opere entre los depósitos dados y tenga mayor rendimiento que uno de Carnot que opere entre los mismos niveles de Temperatura. Como ηc y βc sólo son función de TH y TL, todas las máquinas de Carnot que trabajan entre las mismas temperaturas tienen igual eficiencia. Para conocer el máximo rendimiento que se puede obtener de una máquina térmica o refrigeradora, se calcula el de una máquina de Carnot que trabaje entre los mismos niveles de temperaturas que la máquina real. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica TEOREMA DE CLAUSIUS Sea un sistema cerrado que experimenta un ciclo reversible desde el estado A hasta el estado B. El mismo cambio de estado puede lograrse si el proceso original se sustituye por una serie de procesos reversibles tales como un proceso adiabático hasta el estado C seguido de un proceso isotérmico hasta el punto D y finalmente un proceso adiabático hasta el punto B. Para que los balances de energía entre el proceso original y la serie de procesos que lo sustituyen sean equivalentes las áreas ACOA y ODBO deben ser iguales. Isotérmica reversible P C Adiabáticas reversibles B O D A v Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA De esta manera se demuestra que cualquier proceso reversible puede ser sustituido por una serie de procesos reversibles formado por una adiabática, una isoterma y una adiabática, tales que el balance de energía sea igual al proceso original SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica DESIGUALDAD DE CLAUSIUS. Cuando el ciclo reversible que se muestra en la figura se divide en varios ciclos de Carnot la suma algebraica de los δQ / T se anula; como dicha suma representa una integral cíclica, δQ ∫T =0 P Isoterma a T1 Líneas adiabáticas reversibles Isoterma a T2 Trayectoria reversible R Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA v SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Si el ciclo es irreversible se obtiene un valor menor que cero, entonces δQ ∫T <0 I Para cualquier ciclo la ecuación se representa como δQ ∫T ≤0 Lo que se conoce como la desigualdad de Clausius. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica MAQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO Son llamadas así cualquier dispositivo que viole cualquier ley de la Termodinámica. MMP1 (Maquina de movimiento perpetuo de 1er orden, viola la primera ley de la Termodinámica, genera energía) Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica MMP2 (Viola la 2° ley, no cumple el postulado de Kelvin Planck) MMP3 No poseen fricción y son capaces de moverse indefinidamente sin consumir ni producir trabajo. MMP4 Máquina que alcance los 0 K y un termómetro capaz de medirlo. Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 2°Ley de la Termodinámica Preguntas ???? Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA
