Apuntes sobre Máquinas Térmicas y Refrigeradores, Guías, Proyectos, Investigaciones de Mecánica de Materiales

¡Descarga Apuntes sobre Máquinas Térmicas y Refrigeradores y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Mecánica de Materiales solo en Docsity! SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Fís. Carlos Adrián Jiménez Carballo Escuela de Física Instituto Tecnológico de Costa Rica 1 / 31 Objetivos El estudiante debe ser capaz de: • Interpretar los conceptos de máquinas térmicas y refrigeradores. • Diferenciar entre un proceso reversible y uno irreversible. • Calcular la eficiencia de una máquina térmica. • Calcular el rendimiento de un refrigerador. • Identificar el ciclo de Carnot, el ciclo de Otto y el ciclo de Diesel. • Interpretar la segunda ley de la termodinámica. • Interpretar el concepto de entropía. • Calcular la entropía de procesos reversibles y procesos irreversibles. 2 / 31 Contenido Maquinas térmicas Motores de combustión interna Refrigeradores Segunda Ley de la Termodinámica Máquina y refrigerador de Carnot Entropía y la segunda ley de la termodinámica 5 / 31 H C Máquinas térmicas Una máquina térmica es cualquier dispositivo que convierte energía calorífica en trabajo mecánico. Las máquinas térmicas utilizan una sustancia de trabajo, por ejemplo, para el caso de los motores de combustión interna Deposito de calor de alta temperatura TH Qentra = QH (como un automóvil) la sustancia de trabajo es una mezcla de aire y combustible, en una máquina de vapor es el agua. Dentro de l máquina la sustancia de Máquina térmica Qsale = QC W = |Q | − |Q | trabajo experimenta entrada y salida de calor, expansión y compresión, y algunas veces puede cambiar de fase. Deposito de calor de baja temperatura TC 6 / 31 H C Calor y trabajo en una máquina térmica Todas las máquinas térmicas absorben calor QH (> 0) de un deposito de calor de alta temperatura TH , realizan un trabajo mecánico W (> 0) y desechan algo de calor Deposito de calor de alta temperatura TH Qentra = QH QC (< 0) en un deposito de calor a temperatura baja TC . En lo que a la máquina concierne, el calor desechado se desperdicia. En los motores de combustión interna, éste es el calor que se elimina en Máquina térmica Qsale = QC W = |Q | − |Q | los gases de escape y en el sistema de enfriamiento. Deposito de calor de baja temperatura TC 7 / 31 Motores de gasolina: Ciclo de Otto El ciclo de Otto es un modelo p idealizado de los procesos termodinámicos en un motor de c Adiabático gasolina. Dicho ciclo consta de Proceso de compresión adiabática a → b Calentamiento a volumen QH constante, proceso b → c Proceso de expansión b W d QC adiabática c → d a Enfriamiento a volumen constante, proceso d → a Adiabático V rV V 10 / 31 r Eficiencia ciclo de Otto Se puede mostrar usando la primera ley de la termodinámica QH = nCv (Tc − Tb ) Qc = nCv (Ta − Td ) Usando la definición de eficiencia de una máquina térmica se tiene para el ciclode Otto e = Tc − Tb Tc + Ta − Tb − Td = 1 − 1 γ − 1 donde r se conoce como razón de compresión; el cual para motores de automóviles modernos suele estar entre 8 y 10. 11 / 31 Motores de Diesel: Ciclo de Diesel El ciclo de Diesel es un modelo idealizado de los procesos termodinámicos en un motor de diesel. Dicho ciclo consta de Proceso de compresión adiabática a → b Calentamiento a presión constante, proceso b → c Proceso de expansión adiabática c → d Enfriamiento a volumen constante, proceso d → a p b QH c Adiabático W Adiabático d a QC V rV V 12 / 31 H C Coeficiente de rendimiento de un refrigerador El coeficiente de rendimiento de un refrigerador es la razón entre el calor QC extraído del interior del refrigerador y eltrab jo aportado W K = |QC| / |W | Aire exterior a temperatura TH cuanto mayor sea K, mejor será el desempeño. Durante el funcionamiento normal de un refrigerador, el aporte de trabajo W es menor que el calor extraído Qsale = QH Refrigerador W = |Q | − |Q | QC , así que K es mayor a 1.Con ayuda de la primera ley de la termodinámica se tiene W = QH − QC lo Qentra = QC que lleva a Interior del refrigerador a |QC | K = . |QH | − |QC | temperatura TC 15 / 31 Contenido Maquinas térmicas Motores de combustión interna Refrigeradores Segunda Ley de la Termodinámica Máquina y refrigerador de Carnot Entropía y la segunda ley de la termodinámica 16 / 31 Segunda Ley de La Termodinámica La segunda ley de la termodinámica indica ciertos procesos no suceden, o que nunca se ha observado que sucedan, aunque sean congruentes con la primera ley. Existen muchos planteamientos equivalentes de la segunda ley, redactados según su aplicación. Entre ellos se encuentran los siguientes El calor fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a uno más frío. En un ciclo térmico, la energía calorífica absorbida no puede transformarse totalmente en trabajo mecánico. Las pruebas experimentales sugieren que es imposible construir una máquina térmica que convierta calor totalmente en trabajo, es decir, una máquina con una eficiencia térmica del 100 %. Es imposible construir una máquina funcional de movimiento perpetuo. Se ha intentado sin éxito construir máquinas así. En general, la segunda ley de la termodinámica es válida para todas las formas de energía. Se le considera cierta porque nadie ha encontrado jamás una excepción a ella. 17 / 31 Máquina térmica y refrigerador de Carnot Una máquina de Carnot es una máquina idealizada que cumple con el ciclo de Carnot y es la máquina térmica con la eficiencia máxima posible de acuerdo con la segunda Ley de la Termodinámica. La eficiencia de una máquina de Carnot se determina e = 1 − TC TH . La ecuación anterior expresa la eficiencia de una máquina de Carnot y establece un límite superior para la eficiencia de una máquina real, como una turbina de vapor. Dado que cada paso del ciclo de Carnot es reversible, todo el ciclo podría revertirse, convirtiendo la máquina en refrigerador. El coeficiente de rendimiento del refrigerador de Carnot se obtiene combinando la definición general de K : K = TC TH − TC 20 / 31 Principios de Carnot La eficiencia de cualquier maquina térmica que opere entre dos temperaturas específicas nunca podrá superar la eficiencia de una maquina de Carnot Todas las máquinas de Carnot que operan entre las mismas dos temperaturas tienen la misma eficiencia, sea cual fuere la naturaleza de la sustancia de trabajo Ningún refrigerador puede tener un coeficiente de rendimiento mayor que el de un refrigerador de Carnot que opera entre las mismas dos temperaturas. 21 / 31 Contenido Maquinas térmicas Motores de combustión interna Refrigeradores Segunda Ley de la Termodinámica Máquina y refrigerador de Carnot Entropía y la segunda ley de la termodinámica 22 / 31 ◦ ◦ ◦ ◦ Ejemplos de procesos irreversibles Algunos ejemplos de procesos irreversibles Recipiente a 40 C son: el flujo de calor de un cuerpo caliente a uno más frío es irreversible, la expansión libre de un gas y la conversión de trabajo en calor por fricción son procesos irreversibles, un movimiento con fricción, la transferencia de energía como calor debido a diferencia de temperatura, mezcla de materia de diversa composición o estado. Hielo a 0 C Recipiente a 35 C agua a 35 C Figura: Proceso irreversible 25 / 31 Proceso reversible Un proceso reversible es un proceso idealizado en el que se puede cambiar la dirección de un proceso. Dichos procesos siempre están muy cerca del equilibrio termodinámico dentro de sí y con su entorno. Por lo general los procesos reversibles cumplen las siguientes condiciones: son procesos cuasiestáticos (el sistema siempre se encuentre en un estado de equilibrio termodinámico, no presentan transformaciones de energía mecánica en térmica por debido a fuerzas disipativas, La transferencia de energía como el calor sólo puede suceder cuando las diferencias de temperatura entre los objetos son infinitesimales. 26 / 31 ◦ ◦ ◦ ◦ Ejemplos de procesos reversibles Recipiente a 0 C Algunos ejemplos de procesos reversibles son: transferencia de energía como calor por diferencias infinitesimales de la temperatura, reacción química restringida el movimiento sin fricción, la expansión o compresión restringida. Hielo a 0 C Recipiente a 0 C agua a 0 C Figura: Proceso reversible 27 / 31 Bibliografía • Sears, F.W., Zemansky, M.W., Young, H.D., Freedman, R.A. (2013). Física Universitaria. Volumen I. Décimo tercera edición. México: Pearson Education. • Resnick, R., Halliday, D., Krane, K. (2013). Física. Volumen I. 5ta. Edición. México: Grupo Editorial Patria. • Wilson, J.D., Bu a,ff A.J. y Lou, B. (2007). Física. 6ta Edición. México: Pearson educación. • Schroeder D. V. (1999). An Introduction to Thermal Physics . 1era Edición. San Francisco: Addison Wesley Longman. 30 / 31 Créditos Vicerrectoría de Docencia CEDA - TEC Digital Proyecto de Virtualización 2016-2017 Física General III Fís. Carlos Adrián Jiménez Carballo (profesor) Ing. Paula Morales Rodríguez (coordinadora de diseño) Andrés Salazar Trejos (Asistente) 31 / 31