tema 6 2 ley termo 1

Prof. Carlos G. Villamar Linares

Ingeniero Mecnico

MSc. Matemticas Aplicada a la Ingeniera

TERMODINAMICA 1

2 Ley de la Termodinmica

CONTENIDO

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA2Ley de la Termodinmica

Prof. Carlos G. Villamar L. TERMODINAMICA 1. ING MECANICA. ULA

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA CICLOS

Mquina trmica, rendimiento trmico, refrigerador y bomba de calor, coeficiente de

operacin. Enunciado de la segunda ley para ciclos, enunciados de Kelvin-Planck,

Clauisius. Ciclo de Carnot, postulados de Carnot, desigualdad de Clausius.

Mquina de movimiento perpetuo, procesos reversibles e irreversibles, causas de las

irreversibilidades.



SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.1ra Ley Conservacin de la energa2da Ley: - Direccin de los procesos- Calidad de la energa- Lmites tericos de desempeo- Predecir el grado de terminacin de las reacciones qumicas

FUENTE TERMICASistema en equilibrio estable que puede intercambiar cantidades finitas de calor sin que vari su temperatura. Por ejemplo la atmsfera, un ro, el hogar de una caldera. Pueden ser:

Fuente Trmica a Alta Temperatura, se denomina F.T.A.T o R.T.A.T (Fuente)

Fuente Trmica a Baja Temperatura, se denomina F.T.B.T o R.T.B.T (Sumidero)



MAQUINA TERMICA.

Sistema cerrado que trabaja en ciclos, toma calor de una F.T.A.T convierte parte de ese calor en trabajo y rechaza calor hacia una F.T.B.T

Un ejemplo de una mquina trmica es una planta de vapor.Donde QH es el calor que se intercambia con la F.T.A.T.QL es el calor que se intercambia con la F.T.B.T.Wn es el trabajo neto obtenido.

F.T.A.T. TH

F.T.B.T. TL

M.T.Wn

QH

QL



MAQUINA REFRIGERADORA O BOMBA DE CALOR.

Sistema cerrado que opera en ciclos tomando calor de una F.T.B.T y rechazando calor a una F.T.A.T y consume cierta cantidad de trabajo para realizar el proceso.

Un ciclo de refrigeracin por compresin de vapor es un ejemplo de una mquina refrigeradora.

F.T.A.T. TH

F.T.B.T. TL

Ref.Wn

QL

QH



RENDIMIENTO TERMICOEs la relacin entre el beneficio obtenido de una mquina trmica y el costo en energa para lograrlo.

Como el beneficio que se obtiene de una mquina trmica es el trabajo neto y el costo el calor que se debe suministrar, la ecuacin se representa como

Como la mquina trmica trabaja en un ciclo tiene que cumplir con la ecuacin de la primera ley de la termodinmica para ciclos.

Sustituyendo en la ecuacin de la eficiencia resulta

0



COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO. Expresa la relacin entre el beneficio que se obtiene de una mquina refrigeradora o una bomba de calor y la energa que se le debe suministra para obtenerla.

Para la mquina refrigeradora.El beneficio que se obtiene de la mquina refrigeradora es el calor absorbido y el costo el trabajo que se debe suministrar, la ecuacin se representa como

Como la mquina refrigeradora opera en ciclos cumple con la ecuacin de la primera ley de la termodinmica para ciclos.

Sustituyendo en la ecuacin del coeficiente de utilizacin resulta

BeneficioCosto

=

L

n

QW

=

Q W = H L nQ Q W =

L

H L

QQ Q = H

L

1Q

1Q

=



Bomba de calor el beneficio es QH

Y de manera similar al caso anterior al manipular la ecuacin

0



POSTULADOS DE LA 2 LEYKELVIN PLANCK:Basado en una Mquina Trmica. Establece que es imposible construir un aparato que operando en ciclos produzca trabajo neto intercambiando calor con una sola fuente; o lo que es lo mismo es imposible que una mquina trmica transforme todo el calor que se le suministra en trabajo neto.Es imposible que el trabajo neto obtenido de una mquina trmica sea igual al calor introducido, o sea, que no puede existir una mquina con = 100%

CLAUSIUS:Esta basado en las mquinas de refrigeracin y plantea que es imposible que un aparato que opera en un ciclo no tenga otro efecto que transferir calor de una F.T.B.T y lo ceda a una F.T.A.T. o lo que es lo mismo es imposible construir un aparato refrigerador que opere sin consumir trabajo. Si no se consumiera trabajo QH= QL lo que implicara un :. Ninguna mquina refrigeradora puede trabajar con un coeficiente de utilizacin infinito.

Ambos postulados estn basados en la experimentacin y la violacin a uno de ellos implica la violacin del otro, es decir, son definiciones equivalentes.



PROCESOS REVERSIBLES.

Se producen por desviaciones infinitesimales del equilibrio. Ocurren en las dos direcciones, sin producir cambios en el sistema o los alrededores, se deben producir muy lentamente.

PROCESOS IRREVERSIBLES.

Son aquellos que ocurren a travs de desviaciones finitas del equilibrio y en presencia de factores disipativostales como:

Presencia de Friccin.Mezcla de substancias.Transmisin de Calor a travs de diferencia finita de temperatura.Expansin contra el Vaco.Transmisin de corriente a travs de una resistencia elctrica.Estrangulacin de un fluido.Viscosidad.



Procesos Internamente Reversibles.No existen irreversibilidades dentro del sistema durante el proceso, el sistema sufre una serie de estados de equilibrio.

Proceso Externamente Reversible.Cuando no existen irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso.La transferencia de calor entre un sistema y sus alrededores es externamente reversible si la temperatura de la superficie de contacto del sistema es igual a la de los alrededores.

Proceso Totalmente Reversible.Tambin llamados solo reversibles, no incluyen irreversibilidades ni dentro, ni fuera del sistema.Un proceso totalmente reversible no implica transferencia de calor a travs de una diferencia finita de temperatura, ni fuerzas disipativas.



CICLO DE CARNOT.

Es una mquina trmica que opera con procesos reversibles, por lo tanto, es un ciclo reversible; si el ciclo se invierte se convierte en una mquina refrigeradora. Los procesos a travs de los cuales se desarrolla el ciclo son:

1 2 Compresin Adiabtica Reversible.2 3 Absorcin reversible de Calor.3 4 Expansin Adiabtica Reversible.4 1 Rechazo Reversible de Calor



1 2 Compresin Adiabtica Reversible.2 3 Absorcin reversible de Calor.3 4 Expansin Adiabtica Reversible.4 1 Rechazo Reversible de Calor

Refrigerador, por ser reversible, se tiene:P

v

1

2

3

4

TH

TL

QH

QL

P

v

1

2

3

4

TH

TL

QH

QL

QH

F.T B.T (TL- 0.00001)

I.C (TL)

M.C M.E

I.C (TH)

QL

WC WE

1

2 3

4

F.T A.T (TH+0.00001)



Para cualquier mquina de Carnot se cumple que:

Donde TH y TL son las temperaturas absolutas.Por lo tanto, como la eficiencia de una mquina trmica es funcin de |QL|/ QH, para una mquina trmica de Carnot el rendimiento trmico se expresa como

Para la mquina refrigeradora que opera segn el ciclo de Carnot, el coeficiente de utilizacin se convierte en

H

L

H

L

TT

QQ

=

LC

H

T1T

=

CH

L

1T 1T

=



Como ambas mquinas operan con procesos sin irreversibilidades el coeficiente de utilizacin y la eficiencia trmica obtenidos con la mquina de Carnot son las mximas posibles, se puede concluir:

Es imposible construir una mquina que opere entre los depsitos dados y tenga mayor rendimiento que uno de Carnot que opere entre los mismos niveles de Temperatura.Como c y c slo son funcin de TH y TL, todas las mquinas de Carnot que trabajan entre las mismas temperaturas tienen igual eficiencia.

Para conocer el mximo rendimiento que se puede obtener de una mquina trmica o refrigeradora, se calcula el de una mquina de Carnot que trabaje entre los mismos niveles de temperaturas que la mquina real.



TEOREMA DE CLAUSIUSSea un sistema cerrado que experimenta un ciclo reversible desde el estado A hasta el estado B.El mismo cambio de estado puede lograrse si el proceso original se sustituye por una serie de procesos reversibles tales como un proceso adiabtico hasta el estado C seguido de un proceso isotrmico hasta el punto D y finalmente un proceso adiabtico hasta el punto B.Para que los balances de energa entre el proceso original y la serie de procesos que lo sustituyen sean equivalentes las reas ACOA y ODBO deben ser iguales.

De esta manera se demuestra que cualquier proceso reversible puede ser sustituido por una serie de procesos reversibles formado por una adiabtica, una isoterma y una adiabtica, tales que el balance de energa sea igual al proceso original

Adiabticas

reversibles

A

C

O

B

D

Isotrmica reversible

v

P



DESIGUALDAD DE CLAUSIUS.

P

v

Trayectoria reversible

Isoterma a T2

Lneas adiabticas

reversiblesIsoterma a T1

Cuando el ciclo reversible que se muestra en la figura se divide en varios ciclos de Carnot la suma algebraica de los Q / T se anula; como dicha suma representa una integral cclica,

0=R T

Q



Si el ciclo es irreversible se obtiene un valor menor que cero, entonces

0



MAQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUOSon llamadas as cualquier dispositivo que viole cualquier ley de la Termodinmica.

MMP1 (Maquina de movimiento perpetuo de 1er orden, viola la primera ley de la Termodinmica, genera energa)



MMP2 (Viola la 2 ley, no cumple el postulado de Kelvin Planck)

MMP3 No poseen friccin y son capaces de moverse indefinidamente sin consumir ni producir trabajo.MMP4Mquina que alcance los 0 K y un termmetro capaz de medirlo.



Preguntas ????

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