SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
OBJETIVOS
Ø El objetivo de este capítulo es introducir los
conceptos básicos y definiciones requeridos por la segunda ley de la
Termodinámica. También se consideran un conjunto de deducciones que pueden
denominarse colorarios del mismo.
Ø Introducir el concepto de entropía.
Ø Presentar el
ciclo y la máquina de CARNOT.
INTRODUCCION
La Ingeniería Termodinámica desempeña un papel vital en el diseño de
múltiples procesos, dispositivos y sistemas en la industria.
El primer principio de la termodinámica, nos permite
afirmar que las diversas formas de energía son equivalentes, pero no nos dice
nada en cuanto a la posibilidad de la conversión de un cierto tipo de energía
en otro y a las limitaciones que pueden o no existir para dicha transformación.
Es el segundo principio el que nos indicará las
limitaciones que existen en las transformaciones energéticas.
APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA EN
EL CAMPO DE LA INGENIERÍA.
El trabajo realizado por el cuerpo que baja hace
aumentar la energía interna del aire contenido
en el volumen fijo, es imposible que el aire se use para hacer girar las paletas y suba el peso.
ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY DE
LA TERMODINÁMICA
a) Enunciado de Carnot:
Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832)
Para entender adecuadamente el enunciado de Carnot del
segundo principio debemos, en primer
lugar, definir lo que se entiende en él por máquinas térmicas.
Se entiende por máquina térmica todo equipo que
transforma calor en trabajo mecánico operando cíclicamente. Es decir, que
toda máquina térmica está constituida
por ciertos mecanismos y algún fluido que evoluciona en ellos, de manera que al
describir dicho fluido un ciclo termodinámico se produce la conversión de una
cierta cantidad de calor en trabajo mecánico.
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Con dicho concepto de máquina térmica el enunciado de
Carnot puede expresarse:
“Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento
al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará
tomando calor de la fuente de mayor temperatura, que denominaremos fuente
caliente, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura,
que llamaremos fuente fría”.
El esquema representativo de una máquina térmica que
funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot del segundo principio se indica
en la figura siguiente:
b) Según
Kelvin-Plank:
“Es imposible construir
una máquina con un solo depósito de calor que, mientras funcione siguiendo un
ciclo, produzca otros efectos que el de realizar trabajo a base de tomar calor
de dicho depósito enfriándolo”.
Este enunciado de
Kelvin- Planck exige que cualquier dispositivo cíclico que produzca un trabajo
neto intercambie calor por lo menos con dos fuentes térmicas a diferentes
temperaturas.
Postulado de Kelvin-Planck:
El postulado exige que
los motores térmicos funcionen entre dos
cuerpos a diferentes temperaturas. Sin embargo, el cuerpo a baja temperatura no
puede ser una fuente de energía como lo es de alta temperatura.
c) Según Clausius:
“Es imposible la existencia de un sistema que pueda
funcionar de modo que su único efecto sea una transferencia de energía mediante
calor de un cuerpo frío a otro más
caliente”.
Esta exigencia describe simplemente una máquina frigorífica, un dispositivo
que funciona cíclicamente, transfiere energía térmica desde una región de baja temperatura a otra
de alta temperatura.
d) Según Hatsopoulos – Keenan
Cualquier sistema con ciertas restricciones especificadas y que tenga un
límite superior en su volumen puede, desde cualquier estado inicial, alcanzar
un estado de equilibrio estable sin ningún efecto sobre el ambiente.
Un colorario importante del enunciado de H.K. es:
“Si un sistema está en equilibrio estable, no puede
cambiar a otro estado de equilibrio estable con un trabajo neto de salida como
el único efecto externo al sistema”.
PROCESOS IRREVERSIBLES
Se dice que un proceso es irreversible si, una
vez que el proceso ha tenido lugar, resulta imposible devolver al sistema y a
todas las partes del entorno a sus respectivos estados iniciales.
Por ejemplo utilizaremos el enunciado de Kelvin Planck
para demostrar la irreversibilidad de un proceso con rozamiento.
En resumen los procesos
irreversibles incluyen una o más de las siguientes irreversibilidades:
- Transferencia
de calor a través de una diferencia finita de temperaturas.
- Expansión
libre de un gas ó líquido hasta una presión más baja.
- Reacción
química espontánea.
- Mezcla
espontánea de sustancias con diferente composición o estado.
- Rozamiento-
tanto de deslizamiento como de viscosidad en el seno de un fluido.
- Flujo
de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica.
- Magnetización
o polarización con histéresis.
- Deformación
inelástica.
EFICIENCIA 0 RENDIMIENTO DE UNA MAQUINA TÉRMICA
En términos generales el rendimiento es igual al
servicio sobre el gasto, es decir la producción obtenida sobre el consumido.
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El rendimiento térmico de un ciclo será igual a la
producción de trabajo de dicho ciclo, es decir, el calor convertido en trabajo
sobre el calor consumido, se expresa por la siguiente ecuación:
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El ciclo de CARNOT
Se mencionó anteriormente que las máquinas son
dispositivos cíclicos y que el fluido de trabajo de una de estas máquinas vuelve a su estado inicial al final de cada
ciclo. Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y durante otra se
hace trabajo sobre el fluido. La diferencia entre estos dos momentos es el
trabajo neto que entrega la máquina
térmica.
El ciclo de CARNOT es un ciclo considerado como el de
mayor rendimiento térmico, porque el calor convertido en trabajo térmico es
mayor con respecto a otros ciclos.
Los ciclos ideales de las máquinas térmicas sirven
también como patrones de comparación con ciclos reales de estas máquinas.
El ciclo de CARNOT está compuesto
de cuatro procesos:
1-2 Proceso isotérmico de expansión; se expande por
que hay disminución de presión y aumento de volumen, en este proceso se
suministra calor al fluido operante.
2-3 Proceso isentrópico de expansión; donde el fluido
operante al expandirse produce trabajo.
3-4 Proceso isotérmico de compresión; internamente
reversible durante la cual se cede un calor al medio exterior.
4-1 Proceso isentrópico de compresión; el fluido de
trabajo alcanza la temperatura alta inicial.
Diagramas típicos
para un gas ideal que experimenta un ciclo de CARNOT. |
CICLO DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA
DE CALOR
El segundo principio
de la Termodinámica impone límites a las prestaciones de los ciclos de
refrigeración y bomba de calor del mismo modo que a las de los ciclos de
potencia.
CICLO INVERSO DE CARNOT
Para introducir algunos aspectos importantes de la
refrigeración empezaremos considerando un ciclo de Carnot de refrigeración de vapor.
Este ciclo se obtiene invirtiendo el ciclo de Carnot de potencia de vapor.
Todos los procesos son internamente reversibles. Además como la transferencia de calor entre el
refrigerante y cada foco ocurre sin diferencia de temperaturas, no hay
irreversibilidades externas.
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