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Resumen sexto capítulo del libro Termodinámica de Cengel, 7°edición. “La segunda ley de la termodinámica”.
Tipo: Apuntes
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“La segunda ley de la termodinámica”.
Autor: Juan Carlos Coral Sepulveda e-mail: jcorals@unal.edu.co Universidad de Nacional. Sede Manizales, Colombia. RESUMEN La segunda ley de la termodinámica trata de la dirección en que ocurren los procesos en sistemas reales, por lo que un proceso no puede ser viable si no cumple la primera y la segunda ley termodinámica. Los depósitos de energía térmica son cuerpos de no sufren cambios considerables al someterse a cambios de energía térmica, por ejemplo, un río que no cambia su temperatura así haya una persona nadando en él. Las máquinas térmicas son dispositivos capaces de convertir la energía térmica en trabajo, pero están sujetas a limitaciones que reduce la eficiencia. Los refrigeradores y bombas de calor son dispositivos que toman el calor de un medio con baja energía térmica y lo transfieren a otro medio con más calor, y también están sujetos a variables que afectan su eficiencia. Las máquinas de movimiento perpetuo son dispositivos hipotéticos que funcionan sin cumplir la primera o segunda ley de la termodinámica. Los procesos irreversibles son aquellos en los que un sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial, esto debido a ciertas particularidades conocidas como irreversibilidades, dado el caso en que si se pueda volver a las condiciones iniciales se dice que el proceso es reversible. El ciclo Carnot es un ciclo reversible que se compone de cuatro procesos reversibles. Los principios de Carnot hablan de la eficiencia térmica de las máquinas reversibles e irreversibles. La escala termodinámica de temperatura es independiente de las propiedades fisicoquímicas de las sustancias empleadas parta medir la temperatura. La máquina térmica de Carnot es una máquina hipotética que opera en el ciclo reversible de Carnot, mientras que la que opera en el ciclo inverso de Carnot se conoce como refrigerador de Carnot o bomba de calor de Carnot. Palabras Clave: Segunda ley, termodinámica, depósito de energía, máquinas, Carnot, principios, bombas, refrigerador, calor, eficiencia.
“La segunda ley de la termodinámica”.
1. INTRODUCCIÓN Para conocer la segunda ley de la termodinámica se deben tener claros algunos conceptos básicos como los depósitos de energía térmica, máquinas de calor y eficiencia térmica, pues de estos se derivan conceptos más elaborados que permiten comprender que los procesos no ocurren en direcciones aleatorias, sino que tienen una dirección predeterminada que no puede ser cambiada. En este capítulo del libro se afirma que la energía tiene calidad y cantidad. Conservar la calidad de la energía es muy importante en ingeniería y la segunda ley permite medirla y analizarla durante los procesos además permite conocer los límites teóricos de desempeño y la perfección de los procesos, permitiendo aumentar la eficacia. 2. Temas: 2.1. DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA: Los depósitos de energía térmica son cuerpos con una gran capacidad de energía térmica que les permite absorber o suministrar cantidades finitas de energía sin presentar cambios en su temperatura. Los depósitos de calor no necesariamente tienen que ser grandes, pues la capacidad de energía térmica es relativa a la situación, por ejemplo, un valde con 6 galones de agua aclimatada puede mantener su temperatura si se adiciona una gota de agua caliente. Los depósitos de energía térmica también se conocen como depósitos de calor y pueden suministrar o absorber energía en forma de calor y se les conoce como fuente o sumidero respectivamente 2.2. MÁQUINAS TÉRMICAS: Las máquinas térmicas son dispositivos especiales capaces de convertir el calor en trabajo y sus principales características son: a. Reciben calor de una fuente a temperatura alta. b. Convierten parte de el calor recibido en trabajo. c. El exceso de calor lo disipan en un sumidero. d. Operan en ciclo. Estos dispositivos requieren un fluido de trabajo que se encarga de transferir el calor mientras experimenta un ciclo. Un ejemplo de este dispositivo son las centrales eléctricas de vapor y su salida de trabajo neto se puede expresar como la transferencia neta de calor hacia el sistema ( W neto,salida = Q entrada - Q salida). 2.2.1. Eficiencia térmica: La eficiencia térmica es la medida del desempeño de una máquina térmica, pues solo una parte del calor que ingresa se logra convertir en salida de trabajo neto y se puede expresar como:
Como las máquinas térmicas pueden ser fuentes o depósitos se definen las cantidades positivas QH= magnitud de la
“La segunda ley de la termodinámica”. enfriamiento (en Btu) con respecto a la cantidad total de electricidad consumida (en watt-horas, Wh). 2.3.4. La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius. El enunciado dice: “Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.” El enunciado no niega la posibilidad de crear una máquina térmica que cumpla la finalidad de transferir calor de un medio frio a uno caliente, solo recalca que un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea propulsado mediante una fuente de energía externa, como un motor eléctrico. 2.3.5. Equivalencia de los dos enunciados Ambos enunciados tienen consecuencias equivalentes, por lo que cualquiera de los dos sirve para definir la segunda ley de la termodinámica, pues un dispositivo que viole uno de los enunciados, está a su vez violando al otro. 2.4. MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO: Las máquinas de movimiento perpetuo son dispositivos que violan alguna de las dos primeras leyes de la termodinámica, y se conocen como “máquina de movimiento perpetuo de primera clase (MMP1)” cuando violan la primera ley y como “máquina de movimiento perpetuo de segunda clase (MMP2)” cuando violan la segunda ley. Hasta el momento no se ha podido construir una máquina que realmente funciones, por lo que siguen siendo una utopía. 2.5. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES: Los procesos reversibles son procesos idealizados que pueden volver a su estado inicial después de haber terminado el proceso inverso, sin dejar rastro en el sistema o sus alrededores, de lo contrario se trata de un proceso irreversible. Los procesos reversibles se consideran límites teóricos para los procesos irreversibles, por lo que para optimizar un proceso irreversible se trata de acercarlo a un proceso reversible minimizando las irreversibilidades. 2.5.1. Irreversibilidades Son factores que evitan que un proceso sea reversible, las principales irreversibilidades son: Fricción: es la resistencia que se opone al movimiento de un cuerpo, esta resistencia se conoce como fuerza de fricción y se produce cuando un cuerpo en movimiento roza con otro o con un fluido. Expansión libre de un gas: es claro que, para comprimir un gas, se debe ejercer una presión de forma que la fricción genera calor que debe ser disipado, lo que produce que al regresar a su estado inicial se vea afectado el sistema o el entorno. Transferencia de calor: el calor se transfiere en una sola dirección, para invertir este proceso es necesario aplicar algún tipo de
“La segunda ley de la termodinámica”. trabajo que termina afectando al ambiente. 2.5.2. Procesos interna y externamente reversibles. Se dice que un proceso es internamente reversible si no ocurren irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema durante el proceso y externamente reversible si no ocurren irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso. 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. 2.6. EL CICLO DE CARNOT: Se trata de un ciclo reversible propuesto por el ingeniero Sadi Carnot, la máquina térmica teórica que opera en el ciclo de Carnot se llama máquina térmica de Carnot, cuyo ciclo 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. Estos procesos se grafican a continuación en un diagrama P-V.
- Expansión isotérmica reversible: Proceso 1- - Expansión adiabática reversible: Proceso 2- - Compresión isotérmica reversible: Proceso 3- - Compresión adiabática reversible: Proceso 4- 2.6.1. Ciclo de Carnot inverso. Como la máquina de Carnot es totalmente reversible, por lo que al revertir sus procesos se obtiene el ciclo de refrigeración de Carnot. Estos procesos se grafican a continuación en un diagrama P-V. 2.7. PRINCIPIOS DE CARNOT: Son dos enunciados sobre la eficiencia térmica de máquinas reversibles e irreversibles. 1- La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos. 2- Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos son las mismas. Violar alguno de estos principios implica violar la segunda ley de la termodinámica.
“La segunda ley de la termodinámica”.
y
Éstos son los coeficientes de desempeño más altos que puede tener un refrigerador o una bomba de calor que opera entre los límites de temperatura TL y TH. Estos coeficientes se pueden comparar con los reales de la siguiente manera De forma análoga se hace para COPHP. “Como nota final, los COP de refrigeradores y bombas de calor disminuyen cuando TL decrece, es decir, requiere más trabajo absorber calor de medios de temperatura menor. Cuando la temperatura del espacio refrigerado se aproxima a cero, la cantidad de trabajo requerida para producir una cantidad finita de refrigeración se aproxima a infinito y COPR tiende a cero.”
3. CONCLUSIONES: La segunda ley de la termodinámica es inviolable, por lo que todos los procesos deben cumplirla. El calor solo se puede transferir del cuerpo con mayor calor al de más baja temperatura. En la vida real los procesos son irreversibles. Los procesos se pueden optimizar si se reducen al máximo las irreversibilidades. La calidad de la energía esta asociada la segunda ley de la termodinámica, mientras que la cantidad se asocia a la primera ley. Es de más utilidad y eficiencia la energía con mayor calidad que la energía con mayor cantidad. Los procesos cíclicos necesitan al menos dos depósitos de energía para completar el ciclo. 4. BIBLIOGRAFÍA. - Çengel, Y. A.; Boles, M.A. (2013). Termodinámica. Séptima edición, Capítulo 6.