PRINCIPIOS DE TERMODINAMICAContenido 1 Introducci on 2 M aquinas T ermicas 3 M aquina de Carnot 4...
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“PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA”4. La segunda ley de la termodinamica
Presenta:
Eduardo Hernandez Huerta
Universidad del Valle de Mexico (UVM).
Campus Coyoacan
29 de noviembre de 2017
Contenido
1 Introduccion2 Maquinas Termicas3 Maquina de Carnot4 Entropıa5 Segunda ley de la termodinamica
Enunciados de Clausius y Kelvin-Planck6 Cambios de entropıa7 Ciclo de refrigeracion
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Introduccion
La primera ley de la termodinamica revela que la energıa se conserva, pero esta
imposicion no restringe la direccion en la que sucede el proceso.
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Introduccion
¿Podrıa un proceso quımico ocurrir espontaneamente?
Un proceso que ocurre en un sistema es espontaneo si el entorno no se requiere
para realizar un trabajo sobre el sistema.
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Introduccion
Para una manzana que cae: ¿Es posible observar el proceso inverso?
El proceso inverso es no espontaneo y se requiere un trabajo en el sistema.
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Introduccion
La 1er Ley de la termodinamica trata con los cambios en energıa, pero eso es
insuficiente para determinar si el cambio o no en un sistema es espontaneo.
Se requiere de una propiedad del sistema que permita compensar
las carencias de la 1era ley.
La segunda ley se fundamenta clasicamente en un punto de vista macroscopico,
con el estudio de las propiedades de las maquinas termicas.
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Maquinas Termicas
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Maquinas Termicas
Las maquinas termicas son dispositivos o maquinas que producen trabajo
(W ) a partir del calor (Q) en un proceso cıclico.
Planta termoelectrica
produce trabajo de
flecha Wout
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Maquinas Termicas
Caracterısticas:
Absorcion de calor (QH) a altas temperaturas (TH)
Disipacion de calor (QC) hacia los alrededores a menor temperatura (TC)
Los dos niveles de temperatura que caracterizan su funcionamiento se mantienen
por depositos termicos (reservorios termicos), que son cuerpos capaces de
absorber o disipar una cantidad inmensa de calor sin cambiar su temperatura.
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Maquinas Termicas
Durante el funcionamiento, el fluido de trabajo de una maquina termica
absorbe calor |QH| desde un deposito caliente, produce una cantidad neta de
trabajo (trabajo de flecha) |W |, se desprende calor |QC| hacia un deposito
frıo, y regresa a su estado inicial.
1era ley de la termodinamica
|W | = |QH|− |QC|
Eficiencia termica (η)
η ≡ |W |
|QH|
η ≡ |QH|− |QC|
|QH|= 1−
|QC|
|QH|
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Maquinas Termicas
La eficiencia termica de una maquina depende del grado de reversibilidad de
su funcionamiento, por lo que una eficiencia del 100 % no es posible.
η ≡ 1−|QC|
|QH|
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Maquina de Carnot
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Maquina de Carnot
Es una maquina termica que funciona de una manera que es por completo
reversible. El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas reversibles.
Etapa 1expansion reversible isotermica
Etapa 2expansion reversible adiabatica
Etapa 3compresion reversible isotermica
Etapa 4compresion reversible adiabatica
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Teorema de Carnot
1 Para dos depositos de calor determinados ninguna maquina tiene la eficiencia
termica mas alta que la maquina de Carnot.
2 La eficiencia termica de una maquina de Carnot depende unicamente de los
niveles de temperatura y no de la sustancia de trabajo de la maquina.
Ecuaciones de Carnot
|QH|
|QC|=TH
TC
η ≡ |W |
|QH|= 1−
TC
TH
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Problema 1
Una planta termoelectrica, de 800 000 kW nominales, genera vapor a 585 K y
disipa calor a un rıo a 295 K. Si la eficiencia termica de la planta es 70 % del
maximo valor posible, ¿Cuanto calor disipa al rıo segun la potencia nominal?
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Entropıa (S)
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Entropıa
ecuacion de Carnot
|QH|
TH=
|QC|
TC
QH
TH=
−QC
TC∴
QH
TH+QC
TC= 0
Para un ciclo completo de una MC, las dos
cantidades Q/T (absorcion y disipacion de calor)
para el fluido de trabajo, deben sumar cero.
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Entropıa
Para un ciclo de Carnot la ecuacion de Carnot sugiere la existencia de una
propiedad cuyos cambios se conocen por las cantidades Q/T
Para cambios infinitesimales en las etapas isotermicas,
las cantidades de calor seran �dQH y �dQC
�dQH
TH+
�dQC
TC= 0 −→ ∮
�dQrev
T= 0
La cantidad �dQrev/T muestra las caracterısticas de una propiedad de estado
ENTROPIA dS t =�dQrev
T
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Segunda ley de la termodinamica
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Segunda ley de la termodinamica
La segunda ley afirma que cualquier proceso sigue su curso en una direccion
tal, que el cambio en la entropıa total asociada con el es positivo; el valor
lımite de cero se alcanza unicamente para un proceso reversible. No es posible
un proceso para el que la entropıa total disminuya.
∆S t ≡∮�dQrev
T≥ 0
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Desigualdad de Clausius
Las maquinas termicas irreversibles siempre son menos eficientes que las
maquinas termicas totalmente reversible.
La segunda ley da origen a varias expresiones en las que intervienen desigualdades.
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Desigualdades
Desigualdad de Clausius
La integral cıclica de la cantidad δQ/T para cualquier sistema cerrado
es siempre igual o menor que cero.∮δQ
T≤ 0
Desigualdad de Kelvin-Planck
Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor de un
unico deposito y producir una cantidad neta de trabajo.
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Cambios de entropıa de las sustancias puras
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Cambios de entropıa
La entropıa es una propiedad, y su valor en un sistema se fija cuando se define
el estado del sistema termodinamico.
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Cambios de entropıa
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Cambios de entropıa
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Cambios de entropıa
La entropıa para una masa fija puede cambiar si:
existe transferencia de calor
el proceso es irreversible
por lo tanto la entropıa es constante en procesos reversibles y adiabaticos
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Problema 2
Vapor ingresa a una turbina adiabatica a 5 MPa y 450°C y sale a una presion
de 1.4 MPa. Determine la salida de trabajo de la turbina por unidad
de masa de vapor si el proceso es reversible.
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Maquina Termica
Eficiencia Termica
η ≡ |W |
|QH|η ≡ |QH|− |QC|
|QH|= 1−
|QC|
|QH|
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Ciclo de refrigeracion por compresion de vapor
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Ciclo de refrigeracion
Refrigeracion implica el mantener una temperatura mas baja que la de los
alrededores, lo cual requiere la absorcion continua de calor a un nivel de
temperatura baja a traves de la evaporacion de un lıquido.
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Ciclo de refrigeracion
Coeficiente de operacion (COP)
ω ≡ |QC|
|W |ω ≡ |QC|
|QH|− |QC|=
TC
TH −TC
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Problema 3
El compartimiento de alimentos de un refrigerador, que se
muestra en la figura, se mantiene a 4 °C mediante la eli-
minacion de calor a una velocidad de 360 kJ/min. Si la
potencia requerida para el refrigerador es de 2 kW, deter-
mine (a) el coeficiente de operacion del refrigerador y (b)
la tasa de rechazo de calor a la habitacion que alberga el
refrigerador.
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