SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

INTRODUCCIÓN PRIMER PRINCIPIO: Conservación de la energía. La experiencia demuestra que no todas las transformaciones energéticas permitidas por el primer principio ocurren en la naturaleza. Es necesario formular un segundo principio de la Termodinámica que nos informe acerca de los procesos que son posibles en la naturaleza y los que no lo son. El segundo principio admite diversas formulaciones diferentes, todas ellas equivalentes. El estudio se aborda desde el punto de vista más afín a la ingeniería: las máquinas térmicas.

NECESIDAD DEL SEGUNDO PRINCIPIO SISTEMA: Un bloque de masa m sobre una superficie con fricción PROCESO PERMITIDO El bloque se mueve sobre la superficie deteniéndose después de cierto tiempo. El trabajo realizado se transforma en energía interna. Bloque y superficie se calientan. El sistema cede energía interna en forma de calor al medio ambiente hasta lograr el equilibrio. RESULTADO: el trabajo mecánico se ha transformado íntegramente en calor cedido al entorno. PROCESO NO PERMITIDO El bloque disminuye su energía interna, el bloque se enfría. La energía interna se transforma en energía cinética. El bloque se mueve. El sistema absorbe calor del medio ambiente hasta regresar al estado de equilibrio térmico. RESULTADO: El calor tomado del medio ambiente se ha transformado totalmente en trabajo. AMBOS PROCESOS SON COHERENTES CON EL PRIMER PRINCIPIO

NECESIDAD DEL SEGUNDO PRINCIPIO SISTEMA: Un cuerpo caliente en contacto con otro más frío PROCESO PERMITIDO El cuerpo caliente cede parte de su energía interna, en forma de calor, al cuerpo más frío. PROCESO NO PERMITIDO El cuerpo más frío cede parte de su energía interna, en forma de calor, al cuerpo caliente. NUEVAMENTE AMBOS PROCESOS SON COHERENTES CON EL PRIMER PRINCIPIO, PERO SOLAMENTE UNO DE ELLOS ES “ NATURAL”. LA FALTA DE SIMETRÍA EN LOS ROLES DEL CALOR Y TRABAJO COMO FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y LA EXISTENCIA DE UNA DIRECCIÓN “PRIVILEGIADA” PARA LOS PROCESOS NATURALES NO SE INFIEREN DEL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

MÁQUINAS TÉRMICAS La Termodinámica nace de las máquinas térmicas. Máquina térmica: dispositivo que transforma energía interna en otra forma de energía útil. En general se dice que transforma calor en trabajo

MÁQUINAS TÉRMICAS UNA MÁQUINA TÉRMICA CONDUCE UNA SUSTANCIA DE TRABAJO A TRAVÉS DE UN PROCESO CÍCLICO SE EXTRAE ENERGÍA DE UN FOCO A MAYOR TEMPERATURA QC SE OBTIENE TRABAJO W LA MÁQUINA CEDE ENERGÍA A UN FOCO TÉRMICO A MENOR TEMPERATURA Qf

Primer principio aplicado al proceso cíclico que realiza la máquina: U = Q – W donde Q = QC - lQf| Proceso cíclico U = 0 Por tanto: W = Qc - lQf| EL TRABAJO REALIZADO POR UNA MÁQUINA TÉRMICA ES IGUAL A LA ENERGÍA NETA ABSORBIDA POR LA MÁQUINA

MÁQUINAS TÉRMICAS. CARACTERÍSTICAS Y ESQUEMA DE PRESENTACIÓN ENUNCIADO DE KELVIN - PLANK ES IMPOSIBLE CONSTRUIR UNA MÁQUINA TÉRMICA QUE, OPERANDO EN UN CICLO, NO PRODUZCA OTRO EFECTO QUE TRANSFERIR ENERGÍA TÉRMICA CONTINUAMENTE DE UN FOCO CALIENTE A UN FOCO FRÍO Rendimiento.  = w/Qc

MOTOR DE CUATRO TIEMPOS

CICLO OTTO P c ADIABÁTICA d Qc b Qf a ADIABÁTICA vb va v La mezcla de aire-gasolina entre al cilindro en el punto a La compresión a b es adiabática, es decir, no hay transferencia de calor La combustión de los gases está representada por la entrada de calor Qh que eleva la temperatura a volumen constante El tiempo donde se realiza trabajo o fase de potencia , corresponde a la expansión adiabática c d. Durante el escape, corresponde al proceso d a, donde se elimina calor Qc al foco frío.

Rendimiento de Ciclo Otto Proceso a b: Compresión Adiabática TaVa-1 = TbVb-1 ; Q = 0 Proceso b c: Isocoro Entrada de calor QC al sistema QC = Cv(Tc – Tb) Proceso c d: Expansión Adiabática TcVc-1 = TdVd-1 ; Q = 0 Proceso d a: Isocoro Salida de calor QF del sistema QF = Cv(Ta – Td) Rendimiento = 1 - (Vb/Va)-1

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ENUNCIADO DE CLAUSIUS ES IMPOSIBLE CONSTRUIR UNA MÁQUINA TÉRMICA QUE, OPERANDO EN UN CICLO, NO PRODUZCA OTRO EFECTO QUE TRANSFERIR ENERGÍA TÉRMICA CONTINUAMENTE DE UN FOCO FRÍO A UN FOCO CALIENTE EFICACIA  = QC/W

EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOS DE KELVIN Y DE CLAUSIUS

EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOS DE KELVIN Y DE CLAUSIUS

REFRIGERADORES REFRIGERADOR: Máquina compuesta de un fluido refrigerante que es forzado a recorrer un circuito cerrado, un compresor, un condensador, un tubo capilar (válvula de expansión) y un evaporador. FLUIDO REFRIGERANTE: baja temperatura de vaporización y baja presión de condensación a temperatura ambiental. COMPRESOR: máquina de succión accionada por un motor eléctrico. Extrae fluido de una rama, bajando su presión y lo inyecta en otra rama aumentando su presión. Impulsa al fluido refrigerante a lo largo del circuito

CONDENSADOR: formado por un tubo largo en forma de serpentín CONDENSADOR: formado por un tubo largo en forma de serpentín. Localizado en la parte posterior del refrigerador. A la salida del compresor el fluido presenta estado gaseoso y debido a la presión y a la pérdida de energía con el medio ambiente pasa a estado líquido. TUBO CAPILAR: tubo de diámetro interno de medio milímetro. El fluido que entra al tubo capilar en forma líquida al salir se expande rápidamente pasando al estado gaseoso. Expansión que ocurre en el evaporador.

EVAPORADOR: Formado por un tubo en forma de serpentín acoplado al congelador. Para pasar al estado gaseoso el fluido refrigerante absorbe calor del congelador. Al salir del evaporador el fluido llega al compresor y el ciclo comienza de nuevo.

EJEMPLO.- Una máquina térmica trabaja sobre tres moles de un gas monoatómico, realizando el ciclo ABCD mostrado en la figura. El volumen en el estado C es el doble del volumen en el estado B y TA= 20 ºC. P atm V litros T ºK A 1.5 48.1 293 B 30 7.96 971 C 15.9 1942 D 9.95 p(atm) 30 B C isoterma D adiabática 1.5 A v 2v v(L) Gas ideal: cv= 3R/2

 = 46 % U atml W Q A B 250 -250 B C 358 239 597 C D 528 D A -608 B C 358 239 597 C D 528 D A -608 RENDIMIENTO DEL CICLO Qabs= 1125 atml Qced= 608 atml W= 516 atml  = 46 %

EJEMPLO.- Un refrigerador trabaja según el ciclo ABC mostrado en la figura. La sustancia de trabajo es un mol de gas ideal diatómico P atml V litros T ºK A 1.3 16 252 B 24 378 C 2.3 445 P(atm) p C adiabática 1.3 A B 16 24 v(l) gas diatómico cv = 5R/2

U atml Q W A B 25.8 36.2 10.4 B C 14 -14 C A -39.8 -39.6 COEFICIENTE DE EFICACIA DEL CICLO. W = 3.6 atml (trabajo sobre el sistema) Q = 36.2 atml ( absorbido por el sistema)  = 10

PROCESOS REVERSIBLES CONDICIONES DE REVERSIBILIDAD No debe realizarse trabajo por rozamiento, fuerzas viscosas u otras fuerzas disipativas que producen calor. No puede existir conducción de calor debido a una diferencia de temperatura finita. El proceso debe ser cuasiestático, de modo que el sistema se encuentre siempre en un estado de equilibrio. Todo proceso que viole alguna de las condiciones anteriores es irreversible.

Máquina de Carnot La máquina de Carnot es una máquina que trabaja cíclicamente entre dos focos térmicos. La sustancia de trabajo sufre un proceso cíclico reversible absorbiendo calor del foco caliente y cediéndolo al foco frío. La reversibilidad del proceso exige que la absorción y la cesión de calor de los focos se produzca con la sustancia de trabajo a la misma temperatura que los focos. Procesos isotermos reversibles. La forma más sencilla de conectar los procesos isotermos en ambos focos es mediante dos procesos adiabáticos reversibles.

Ciclo de Carnot PROCESO 1 2 Absorción isoterma de calor del foco caliente. PROCESO 2 3 Expansión adiabática hasta una temperatura menor. PROCESO 3 4 Cesión isoterma de calor al foco frío. PROCESO 4 1 Compresión adiabática hasta el estado original.

Representación esquemática del ciclo de Carnot

Teorema de Sadi Carnot Establecido por Sadi Carnot en 1824, antes de que se enunciaran el primer y segundo principios de la termodinámica. Constituye otra forma de enunciar el segundo principio de la termodinámica. Ninguna máquina térmica que funcione entre dos focos térmicos puede tener un rendimiento mayor que una máquina térmica reversible (máquina de Carnot) que opere entre esos mismos focos

Máquina de Carnot que opera entre dos focos Máquina de Carnot que opera entre dos focos. Por ser reversible puede invertirse y se invierten los flujos de energía

Supongamos una máquina real con mayor rendimiento que la de Carnot Supongamos una máquina real con mayor rendimiento que la de Carnot. Para un mismo QC absorbido proporciona mayor trabajo ( W` > W ) La combinación con una máquina de Carnot inversa proporciona una máquina que convierte íntegramente en trabajo el calor extraído del foco frío.

Rendimiento de un ciclo de Carnot

Conclusiones El rendimiento de cualquier máquina de Carnot que opere entre dos focos dados es el mismo. No depende de la sustancia de trabajo. Solamente depende de la temperatura de los focos. El segundo principio prohíbe un rendimiento igual a 1. Por lo tanto el máximo rendimiento de una máquina no es 1, sino que viene dado por el rendimiento de una máquina de Carnot que opere entre esos focos.

Ejemplo.- Una máquina térmica funciona entre un foco a 100 ºC y otro a 0 ºC. No es posible construir una máquina real con rendimiento por encima del 26.8 % para esos focos. En la práctica una máquina que funcione entre esos focos y que convierta en trabajo una cuarta parte de la energía absorbida del foco caliente es una buena máquina.

Ejemplo.- Una máquina frigorífica funciona entre un foco a 100º C y otro a 0º C. Determinar su máximo rendimiento teórico