La Segunda Ley de la
Termodinámica
Procesos espontáneos
Segunda ley de la termodinámica
►La predicción de la dirección de los procesos.
►El establecimiento de condiciones de equilibrio.
►La determinación del mejor desempeño teórico
de ciclos, máquinas, etc.
►La evaluación cuantitativa de los factores que
impiden alcanzar el grado máximo de rendimiento teórico.
►La definción de una escala de temperatura absoluta.
►El desarrollo de medios para evaluar propiedades
La segunda ley de la termodinámica se refiere a múltiples aspectos, entre ellos podemos destacar:
El enunciado de Clausius
Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.
Depósito (reservorio ) de energía
térmica
►
Un
foco térmico
es un sistema que
permanece siempre a
una temperatura
constante
a pesar de que
se añada o
elimine energía por transferencia de calor
.
►La atmósfera de la Tierra, los lagos y los
océanos
, y un
gran bloque de un sólido
como el cobre, son aproximaciones a este
sistema.
El enunciado Kelvin-Planck
Para cualquier sistema que opera a través de un ciclo termodinámico, es imposible entregar una cantidad neta de energía por trabajo, si recibe energía por transferencia de calor de un solo baño térmico.
Irreversibilidades
►Uno de los usos importantes de la segunda ley de la termodinámica en la ingeniería, es determinar
el mejor rendimiento teórico de los sistemas.
►Al comparar el desempeño en los hechos con el mejor rendimiento teórico, muchas veces se puede tener idea sobre el potencial para mejorar el rendimiento.
►El mejor rendimiento teórico se evalúa en términos de procesos idealizados.
►Los procesos reales se distinguen de los idealizados por la presencia de condiciones no ideales llamadas irreversibilidades.
Irreversibilidades encontradas
comunmente en la ingeniaría
►Transferencia de calor
a través
de una
diferencia de temperatura finita.
►Expansión sin restricciones
de un gas o
líquido a una presión más baja.
►Reacción química espontánea.
►Mezcla espontánea de materia
de la materia
en diferentes composiciones o estados.
►Fricción
– fricción por deslizamiento, así
como la fricción en el flujo de los fluidos.
Irreversibilidades encontradas
comunmente en la ingeniaría
►Flujo de corriente eléctrica
con
resistencia
►Deformación inelástica
Todos los procesos reales implican efectos
tales como los enumerados
, incluyendo los
procesos naturales y los que implican los
dispositivos que establecimos - desde los
más simples mecanismos hasta las mayores
plantas industriales.
Procesos Irreversibles y Reversibles
►dentro del sistema
, o
►en su entorno
(por lo general el
entorno inmediato)o,
►tanto en el sistema y como en sus
alrededores
.
Durante
un
proceso
de
un
sistema,
las irreversibilidades
pueden estar presentes:
Procesos Irreversibles y Reversibles
►
Un proceso es
irreversible
cuando las
irreversibilidades están presentes en el
sistema y sus alrededores
Todos los procesos reales son irreversibles
.
►
Un proceso es
reversible
cuando no hay
irreversibilidades presentes en el sistema y
sus alrededores.
Este tipo de proceso está totalmente
idealizado
.
Procesos Irreversibles y Reversibles
• Un proceso es
internamente reversible
cuando no hay irreversibilidades presentes
en el sistema. Sin embargo, puede haber
irreversibilidades en el entorno.
Ejemplo: Proceso Internamente
Reversible
En un piston-cilíndro hay agua que se evapora de
líquido saturado a vapor saturado a 100oC. Al
evaporarse, el agua pasa a tarvés de una sequencia
de estados de equilibrio mientras se transfiere calor al
agua de gases calientes a 500oC.
►La transferencia espontánea de calor es una irreversibilidad en sus alrededores: una
irreversibilidad externa
►Para un sistema que comprende al agua no hay
Aplicaciones a ciclos de potencia
Para un sistema que experimenta un
ciclo de
potencia
entre
dos focos térmicos
,
H C H cycle
1
Q
Q
Q
W
la eficiencia térmica de cualquier ciclo de
este tipo es
Aplicaciones a ciclos de potencia
Al aplicar el enunciado de Kelvin-Planck tres
conclusiones se pueden extraer:
1. El valor de la la eficiencia térmica debe ser inferior a 100%. Solo una parte del calor transferido
QH puede transformarse en trabajo; el restante QC es descargado por transferencia de calor al foco frío.
Dos conclusiones más, llamadas corolarios de Carnot
Corolarios de Carnot
1. El rendimiento térmico de un ciclo de potencia irreversible es siempre menor que el rendimiento térmico de un ciclo de potencia reversible cuando cada uno opera entre los mismos focos térmicos. .2. Todos los ciclos de potencia reversibles que
operan entre los mismos focos térmicos tienen la misma eficiencia térmica.
Aplicaciones a ciclos de refrigeración y de bombas de calor
Para un sistema que experimenta un cíclo de refrigeración o uno de bomba de calor
C H C cy cle C Q Q Q W Q El parámetro de desempeño
para el ciclo de refrigeración es
C H H cy cle H Q Q Q W Q
Aplicaciones a ciclos de refrigeración y de bombas de calor
Al aplicar el enunciado de Kelvin-Planck tres
conclusiones se pueden extraer:
1. Para que ocurra un efecto de refrigeración un trabajo neto debe ser suministrado Wciclo. Consecuentemente, el parámetro de desempeño debe tener un valor finito.
Aplicaciones a ciclos de refrigeración y de bombas de calor
1. El parámetro de desempeño de un ciclo de refrigeración irreversible es siempre menor que el
parámetro de desempeño de un ciclo de refrigeración reversible cuando cada uno opera entre los mismos focos térmicos.
Las tres conclusiones se aplican a un sistema que experimeta un ciclo de bomba de calor entre un foco frío y caliente.
2. Todos los ciclos de potencia reversibles que operan entre los mismos focos térmicos tienen el mismo coeficiente de desempeño.
Escala de temperatura Kelvin
Sean sistemas que experimentan un ciclo de potencia y uno de refrigeración o de bomba de calor,
mientras cada uno intercambia energía por
transferencia de calor entre un foco frío y uno calient:
H C cy cle rev H C T T Q Q
Medidas de máximo desempeño de ciclos H C m ax 1 T T
Cíclo de potencia: C H C max T T T
Cíclo de refrigeración: C H H max T T T Cíclo de bomba calor:
Ejemplo: Análisis de un ciclo de
potencia
Un cíclo de potencia experimenta al recibir 1000 kJ por transferencia de calor de un
baño térmico a una temperatura de 500 K y descarga 600 kJ por transferencia de calor a un baño a (a) 200 K, (b) 300 K, (c) 400 K. En cada caso, determina si el cíclo opera
irreversiblemente, opera reversiblemente, o es imposible.
Solución: Para determinar la naturaleza del cíclo , hay que
comparar el desempeño del cíclo () con el máximo
desempeño teórico del cíclo (max).
Power Cycle Wcycle Hot Reservoir TH = 500 K Cold Reservoir TC = (a) 200 K, (b) 300 K, (c) 400 K QC = 600 kJ QH = 1000 kJ Power Cycle Wcycle Hot Reservoir TH = 500 K Cold Reservoir TC = (a) 200 K, (b) 300 K, (c) 400 K QC = 600 kJ QH = 1000 kJ
Ejemplo: Análisis de un ciclo de
potencia
4 . 0 kJ 1000 kJ 600 1 1 H C Q Q Desempeño: Calculo
a partir de los calores:Máximo desempeño teórico: Calcular
max ycomparar con
: (a) 0.6 K 500 K 200 1 1 H C max T T (b) 0.4 K 500 K 300 1 1 H C max T T (c) 0.2 K 500 K 400 1 1 H C max T T Reversible 0.4 = 0.4 Imposible 0.4 > 0.2 Irreversible 0.4 < 0.6 maxCiclo de Carnot
►
El
ciclo de Carnot
es un ejemplo de un
ciclo reversible.
►
En un
ciclo de Carnot
, el sistema que
experimenta el ciclo realiza una serie de
cuatro procesos internamente reversibles
:
dos procesos adiabáticos
alternados con
Cíclo de potencia de Carnot
El diagrama p-v y el esquema de un gas en un ensamble de pistón-cilíndro que realiza un ciclo de Carnot son:
Cíclo de potencia de Carnot
El diagrama p-v y el esquema de agua que realiza un ciclo de Carnot mediante cuatro componentes interconectadas son:
En cada uno de estos casos, la eficiencia térmica está dada por H C max 1 T T
Cíclos de refrigeración y de bombas de
calor de Carnot
►Si un ciclo de potencia de Carnot funciona en la dirección opuesta, las magnitudes de toda la
transferencia de energía es la misma pero las transferencias de energía son en dirección
opuesta.
►Este ciclo puede considerarse un ciclo de Carnot refrigeración o de bomba de calor para los que
C H C max T T T
Ciclo de refrigeración de Carnot:
C H H max T T T
El enunciado de entropía
►La masa y la energía son ejemplos familiares de
propiedades extensivas en termodinámica.
►La entropía es otra propiedad extensiva
importante.
►A diferencia de masa y energía, que se
conservan, la entropía se produce dentro de los sistemas cuando están presentes condiciones no ideales como la fricción.
►El enunciado de entropía:
Es imposible que un sistema funcione de tal manera que la entropía se destruya.
Desigualdad de Clausius
►
La
desigualdad de Clausius
es
la base
para la definición de entropía
.
►
La
desigualdad de Clausius
es
aplicable a
cualquier ciclo
sin importar si el objeto o los
objetos sometidos al cíclo
reciben o ceden
energía por transferencia de calor.
Los
objetos
no
necesariamente
son
focos
térmicos.
Desigualdad de Clausius
►
La
desigualdad de Clausius
proviene del
enunciado de Kelvin-Planck:
cy cle b T Q dondeindica que la integral se va a realizar en todas las partes de la frontera y durante todo el ciclo.
El subíndice indica que el integrando se evalua en la frontera del sistema que realiza el cíclo.
Desigualdad de Clausius
cy cle b T QLa naturaleza del ciclo ejecutado está dada por el valor de
cycle:
cycle = 0 no hay irreversibilidades presentes en el sistema
cycle > 0 hay irreversibilidades presentes en el sistemaEjemplo: Uso de la desigualdad de
Clausius
Un sistema experimenta un ciclo mientras recibe 1000 kJ por transferencia de calor a una
temperatura de 500 K y descarga 600 kJ por
transferencia de calor a (a) 200 K, (b) 300 K, (c) 400 K. ¿Cuál es la naturaleza del ciclo en cada caso?
Hay que establecer la naturaleza del ciclo, mediante la integral y aplicar el criterio descrito.
