SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. Termodinámica II

Dirección de los Procesos Termodinámicos Estado Inicial Estado Final 20oC 25oC 30oC 25oC 20oC 15oC 35oC

Dirección de los Procesos Termodinámicos La primera ley de la termodinámica no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que en realidad ocurra el proceso.

Dirección de los Procesos Termodinámicos Dos tipos de procesos - Reversibles (idealizados) - Irreversibles (reales)

Dirección de los Procesos Termodinámicos Todos los procesos termodinámicos que se dan en la naturaleza son procesos irreversibles

Dirección de los Procesos Termodinámicos Todos los procesos termodinámicos que se dan en la naturaleza son procesos irreversibles

Dirección de los Procesos Termodinámicos Un proceso reversible idealizado siempre está muy cerca del equilibrio termodinámico dentro de sí y con su entorno. A este tipo de proceso también se lo denomina proceso en cuasiequilibrio.

Dirección de los Procesos Termodinámicos Segunda Ley de la Termodinámica Identifica la dirección en la que pueden y no pueden realizarse los procesos. Afirma que la energía tiene calidad así como cantidad. (la primera ley se relaciona únicamente con la cantidad y sus transformaciones sin considerar su calidad) Identifica los limites teóricos del desempeño o eficiencia de determinado proceso.

Depósitos de Energía Térmica

Depósitos de Energía Térmica Depósito de Energía Eléctrica

Depósitos Se define como un cuerpo de masa tal que es capaz de absorber o liberar calor en cantidad ilimitada sin sufrir apreciable cambio de su estado, temperatura u otra variable termodinámica. Horno Industrial

Depósitos de calor. Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero. Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor.

La experiencia nos dice que a pesar de que es muy fácil convertir energía mecánica completamente en energía térmica hay muchas restricciones para efectuar La transformación inversa. La única forma en que somos capaces de efectuar la transformación continua de energía térmica en energía mecánica es teniendo “depósitos de calor” a dos temperaturas diferentes, e interactuando entre ellas una máquina que transforme una parte del calor que fluye del reservorio caliente al frío en trabajo (máquina térmica) . Energía Mecánica transformada en energía térmica

Máquinas térmicas Máquina térmica es un sistema cerrado, que operando en un ciclo termodinámico, y permite el intercambio de calor y trabajo con los alrededores.

Máquinas térmicas

Máquinas térmicas Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos 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. Maquina de vapor

Máquinas térmicas Un motor de combustión interna podrá ser una maquina térmica?? Cuál seria su fluido de trabajo??

Máquinas térmicas Ejemplo máquina Térmica

Máquinas térmicas Ejemplo máquina Térmica Sistema Cerrado ΔE = 0 ΔE = W – Q W = Q Sistema Cerrado

Máquinas térmicas “Es imposible construir una máquina de funcionamiento continuo que produzca trabajo mecánico derivado de la extracción de calor de un reservorio simple, sin dar calor, a un reservorio a temperatura más baja”

Eficiencia Las máquinas térmicas se pueden caracterizar por presentar una cierta eficiencia. Como en una máquina térmica se desea producir trabajo a partir de calor, se puede definir una eficiencia térmica (h) como:

Eficiencia

Se puede tener Calor de salida Eficiencia Se puede tener Calor de salida (QL) = 0

Eficiencia Un ciclo de máquina térmica no se puede completar sin rechazar cierta cantidad de calor a un sumidero de baja temperatura.

Eficiencia Ejercicio cuaderno

Eficiencia QL=0 Ƞter= 100% Enunciado Kelvin-Planck Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea el de producir trabajo e intercambiar calor con una sola fuente. QL=0 Ƞter= 100%

Enunciado Clausius Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea el de transferir calor de una fuente fría a una más caliente.

Cual de las siguientes graficas viola la segunda ley de la termodinámica?

REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR Son dispositivos cíclicos, el fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se denomina refrigerante. El ciclo de refrigeración que se utiliza con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión por vapor, en el que intervienen cuatro componentes principales: - Compresor - Condensador - Válvula de expansión - Evaporador

REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR

REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP, siglas de coefficient of performance), el cual se denota mediante COPR. El COPR puede ser mayor a la unidad

REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR El objetivo de una bomba de calor es suministrar calor QH hacia el espacio más caliente

REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR El objetivo de una bomba de calor es suministrar calor QH hacia el espacio más caliente

Desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor Índice de Eficiencia de la Energía (EER) COPR/(consumo eléctrico) índice estacional de eficiencia energética (SEER) COPHP/(consumo eléctrico) COP = 1 EER = 3.1412 (COP) Estándar internacional para artefactos EER;SEER = 13 a 21

CICLOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Leer de la Pag. 296 a 299 PDF Supongamos que ocurre un proceso en que el sistema va de un estado inicial a otro final en el que se realiza un trabajo W y se produce una transferencia de calor Q a una serie de reservorios de calor. Si al final de este proceso, el sistema puede ser restaurado a su estado inicial se dice que es REVERSIBLE (idealizado). Un proceso que no llena este requisito se dice que es IRREVERSIBLE.

CICLOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. ΔE = 0 Q Q W W

Las condiciones para un proceso reversible son: 1) No debe existir trabajo realizado por fricción, fuerzas debidas a la viscosidad u otros efectos disipativos. 2) El proceso debe ser tal que el sistema se encuentre siempre en estado de equilibrio o infinitamente próximo a él. Cualquier proceso que viole una de estas condiciones es irreversible. La mayoría de los procesos en la naturaleza son irreversibles. Si queremos conseguir un proceso reversible se necesita de fuerzas disipativas y un proceso que sea cuasiestático, en la práctica esto es imposible.

Si no existiera fricción entre el pistón y el cilindro, no se aplicaría la fuerza para comprimir el gas y se mantuviera la misma temperatura sin transferencia de calor durante la compresión, estaríamos hablando de un proceso reversible, por todo aquello podemos afirmar que eso es imposible y lo que tendremos es un ciclo irreversible.

Sadi Carnot Es imposible construir una máquina térmica que opere entre dos reservorios dados y que sea más eficiente que una máquina cuyos procesos sean reversibles.

Ciclo Carnot Expansión Isotérmica Expansión Adiabática

Ciclo Carnot Compresión Isotérmica Compresión Adiabática

CICLO CARNOT - Expansión isotérmica a alta temperatura (hay una entrada de calor, QH) - Expansión adiabática - Compresión isotérmica a baja temperatura (hay una salida de calor, QL) - Compresión adiabática Si operamos el ciclo utilizando un gas ideal como sustancia de trabajo veríamos en un diagrama P-v :

CICLO CARNOT

QL/QH=TL/TH ΔU=0 en un ciclo la eficiencia de una máquina térmica reversible es solamente función de la diferencia de temperatura entre los reservorios, siempre y cuando estas tempera se encuentren en escala de temperatura absoluta (K)

Maquina Térmica de CARNOT Cuando se evalúa el desempeño de las máquinas térmicas reales, las eficiencias no deben compararse con el 100 por ciento, sino con la eficiencia de una máquina térmica reversible que opera entre los mismos límites de temperatura, porque éste es el límite superior teórico para la eficiencia, no el 100 por ciento.

Calidad de la Energía la energía tiene calidad así como cantidad. A partir de los valores de eficiencia térmica de la figura 6-49 resulta claro que más de la energía térmica de alta temperatura se puede convertir en trabajo. Por lo tanto, mientras más alta sea la temperatura, mayor es la calidad de la energía

Que energía tiene mayor calidad? Calor o Trabajo Calidad de la Energía Que energía tiene mayor calidad? Calor o Trabajo El trabajo es una forma de energía más valiosa que el calor, ya que 100% del trabajo se puede convertir en calor, pero sólo una fracción del calor se convierte en trabajo.

Calidad de la Energía Si 100 kJ de calor se transfieren desde un cuerpo a 1 000 K hacia un cuerpo a 300 K, al final se tendrán 100 kJ de energía térmica almacenados a 300 K, lo cual no tiene valor práctico. Pero si esta conversión se hace por medio de una máquina térmica, hasta 1-(300/1 000)=70% se podría convertir en trabajo, que es una forma de energía más valiosa. Así, 70 kJ de potencial de trabajo se desperdician como resultado de esta transferencia de calor, por lo cual se degrada la energía.

R Y HP de CARNOT

R Y HP de CARNOT

Nociones de la Transferencia de Energía Primera ley Termodinámica. 𝐸 𝑖 − 𝐸 𝑠 =∆𝐸 Primera ley Termodinámica con Flujo de Energía ( 𝐸 𝑖 − 𝐸 𝑠 )= ∆𝐸 ∆𝑡 ∆𝐸=𝑚 𝑢 𝑓 − 𝑢 𝑖 =𝑚𝑐( 𝑇 𝑓 − 𝑇 𝑖 ) m = masa c = calor especifico u = energía interna T= temperatura

Nociones de la Transferencia de Energía Entalpia de Vaporización: cantidad de energía requerida por unidad de masa para que se realice el cambio de fase. ℎ 𝑓𝑔 = 𝑄 𝑚 Energía en función de las entalpias iniciales y finales del estado. 𝐸=𝑚( ℎ 𝑓 − ℎ 𝑖 )