2 principio de la termodinamica , maquinas termicas 6 PDF

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Apuntes del profesor. No es la presentación, sino los apuntes explicados...

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SEGUNDO(PRINCIPIO(DE( LA(TERMODINÁMICA( ! 1"INTRODUCCION" La segunda ley de la termodinámica es aquella que afirma que los procesos ocurren en cierta dirección y la energía tiene calidad, así como cantidad. Un proceso termodinámico no puede darse a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica ya que la primera ley de la termodinámica no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que en realidad ocurra el proceso. Esta falta de adecuación de la primera ley para identificar si un proceso puede tener lugar se remedia introduciendo otro principio general, la segunda ley de la termodinámica que introducirá el concepto de Entropía. La primera ley se relaciona con la cantidad de energía y las transformaciones de energía de una forma a otra sin considerar su calidad. Conservar la calidad de la energía es una cuestión importante para los ingenieros, y la segunda ley provee los medios necesarios para determinarla, así como el grado de degradación que sufre la energía durante un proceso. 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 límites 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. Se puede usar para cuantificar el nivel de perfección de un proceso y señalar la dirección para eliminar eficazmente las imperfecciones o irreversibilidades..!

! ! 2.!ENUNCIADO!DE!KELVIN!–!PLANCK! !

Ninguna maquina térmica puede transformar todo el calor que recibe el trabajo útil. Esta limitación de la eficiencia térmica de las máquinas térmicas forma la base para el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, que se expresa como sigue: “Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo”. Dicho de otra manera: “Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento”.

3!PROCESOS!REVERSIBLES!E!IRREVERSIBLES! !

Cuando decimos que un proceso es reversible estamos diciendo que es proceso ideal con una eficiencia del 100 % y que vuelve a su estado inicial sin aporte de energía y de forma espontánea. Pero como hemos visto anteriormente en la realidad nunca el rendimiento de un proceso es del 100% y por ello los procesos una vez iniciados tendrán un final, estos ocurren en una sola dirección y será imposible volver a su estado inicial de forma espontánea y sin aporte de energía. •

Un proceso reversible se define como” un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores “. Es decir, tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles.

Un ejemplo: Una vez que se enfría una taza de café, no se calentará al recuperar de los alrededores el calor que perdió. Si eso fuera posible, tanto los alrededores como el sistema (café) volverían a su condición original, y esto sería un proceso reversible.

1! !

Los procesos reversibles no ocurren en la naturaleza, son una idealización de los procesos reales que son irreversibles.! Los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr.

Los ingenieros están interesados en procesos reversibles porque los dispositivos que producen trabajo, como motores de automóviles y turbinas de gas o vapor, entregan el máximo de trabajo, y los dispositivos que consumen trabajo, como compresores, ventiladores y bombas, consumen el mínimo de trabajo cuando se usan procesos reversibles en lugar de irreversibles. Los procesos reversibles pueden ser considerados como límites teóricos para los irreversibles correspondientes. Algunos procesos son más irreversibles que otros. Quizá nunca se tenga un proceso reversible, pero es posible aproximarse. A medida que se tiende hacia un proceso reversible, un dispositivo entrega más trabajo o requiere menos trabajo. Mientras mejor sea el diseño, menores son las irreversibilidades y mayor es la eficiencia según la segunda ley.

3.1!IRREVERSIBILIDADES! !

Los factos que causan que un proceso sea irreversible se llaman irreversibilidades, las cuales son : la fricción , la expansión libre , el mezclado de dos fluidos ,la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita ,la resistencia eléctrica ,la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos hace que un proceso sea irreversible. Un proceso reversible no incluye ninguno de ellos. Las 3 más importantes: 1. La fricción. 2. La expansión libre de un gas. 3. La transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperaturas

2! !

! ! 3.2!PROCESOS!INTERNA!Y!EXTERNAMENTE!REVERSIBLES!! Un proceso se denomina internamente reversible si no ocurren irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema durante el proceso. Durante un proceso internamente reversible, un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el sistema pasa por los mismos estados de equilibrio mientras vuelve a su estado inicial. Es decir, las trayectorias de los procesos inverso y directo coinciden para un proceso internamente reversible. El proceso de cuasiequilibrio es un ejemplo de un proceso internamente reversible.

Un proceso es denominado externamente reversible si no ocurren irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso. La transferencia de calor entre un depósito y un sistema es un proceso externamente reversible si la superficie exterior del sistema está a la temperatura del depósito. Se le denomina a un proceso totalmente reversible, o nada más reversible, si no tiene que ver con irreversibilidades dentro del sistema o sus alrededores (Figura 3.1). En un proceso de este tipo no hay transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura, ni cambios de no cuasiequilibrio y tampoco fricción u otros efectos disipadores.

Figura 3.1

3! !

! 4.!MAQUINAS!TÉRMICAS!! !

El trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, pero convertir éstas en trabajo no es fácil. El trabajo mecánico que realiza la flecha mostrada en la figura 1.1, por ejemplo, se convierte primero en la energía interna del agua, energía que puede entonces salir del agua como calor. Empíricamente se demuestra que cualquier intento por revertir este proceso fallará, es decir, transferir calor al agua no causa que la flecha gire. De ésta y otras observaciones se concluye que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.

Figura 2.1

Figura 2.2

Hay muchos tipos de máquinas térmicas, pero todas se puedes resumir en 4 pasos: 1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera). 2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria). 4! !

3. Ceden el calor que no se transforma en trabajo a un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera). 4. Todos operan en un ciclo. Las máquinas térmicas y otros dispositivos que operan en un ciclo por lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo. El concepto de máquina térmica también engloba a maquinas las cuales no operan en un ciclo termodinámico ya que no realizan el ciclo completo, las máquinas relacionadas con la combustión interna: las turbinas de gas y los motores de automóviles, entran en esta categoría. Estas máquinas realizan un ciclo mecánico pero no un ciclo termodinámico, ya que el fluido de trabajo (en este caso gases de combustión) no experimentan un ciclo completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los gases de escape se purgan y se reemplazan por una mezcla fresca de aire y combustible al final de ciclo. La máquina que produce trabajo que mejor se ajusta al nombre de maquina térmica es la central eléctrica de vapor. Este tipo de máquina es de combustión externa es decir la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina y la energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor. Esquema simplificado de central eléctrica de vapor: !

Figura 2.3

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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, etcétera)

5! !

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W salida: cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina. W entrada: cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la caldera.

El trabajo neto de una central eléctrica de vapor es siempre: 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 , 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎//////////(𝑘𝑗)

(2.1)

El trabajo neto también se puede determinar de los datos de transferencia de calor solamente. Los cuatro componentes de la central eléctrica de vapor tienen que ver con flujo másico que entra y sale, por lo tanto se deben considerar como sistemas abiertos. Sin embargo, estos componentes junto con las tuberías de conexión siempre contienen el mismo fluido (sin contar el vapor que pudiera escapar, por supuesto). No entra ni sale masa de este sistema de combinación, se puede analizar como un sistema cerrado. Recuerde que para que un sistema cerrado experimente un ciclo, el cambio de energía interna U es cero y, en consecuencia, la salida de trabajo neto del sistema también es igual a la transferencia neta de calor hacia el sistema. 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜, 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎//////////////(𝑘𝑗)

(2.2)

RENDIMIENTO!Y!EFICIENCIA!TERMICA!! !

Sólo parte del calor transferido a la máquina térmica se convierte en trabajo. La eficiencia térmica (ηter ) es el cociente del trabajo neto entre el calor entrante obtenido del foco caliente.

ηter = /

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