Explicación sobre el Segundo Principio de la Termodinámica y el Ciclo de Carnot, Apuntes de Termodinámica

¡Descarga Explicación sobre el Segundo Principio de la Termodinámica y el Ciclo de Carnot y más Apuntes en PDF de Termodinámica solo en Docsity! ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. Docente: Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani Apuntes de clase UNIDAD 7 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y ENTROPIA COMPETENCIA A FORMAR  Capacidad de describir la segunda ley de la Termodinámica.  Capacidad de explicar los enunciados de Carnot, Kelvin- Plank y Clausius, respecto a la segunda ley.  Capacidad de describir el concepto de entropía.  Presentar el ciclo y la máquina de CARNOT. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 1. Introducción - 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. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 1. Introducción ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. Energía del café que transfiere al medio ambiente. El proceso inverso nunca se lleva a cabo. Circula calor de un cuerpo caliente a uno frio. Agua que desciende por una ladera, pero no en sentido contario. Tiene una dirección definida. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 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. 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”. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 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: ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. c) Según Clausius: IMPOSIBLE ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. FUENTE CALIENTE Temperatura T1 FUENTE FRIA Temperatura T2 “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”. c) Según Clausius: MÁQUINA FRIGORIFICA ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. FUENTE CALIENTE Temperatura T1 FUENTE FRIA Temperatura T2 MÁQUINA CÍCLICA - 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. Según Clausius: ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. FUENTE CALIENTE Temperatura T1 FUENTE FRIA Temperatura T2 En resumen los procesos irreversibles incluyen una o mas de las siguientes irreversibilidades: 1. Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas. 2. Expansión libre de un gas ó líquido hasta una presión más baja. 3. Reacción química espontánea. 4. Mezcla de fluidos diferentes. 5. Fricción sólido-solido. 6. Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica. 7. Magnetización o polarización con histéresis. 8. Deformación inelástica. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 4. Desigualdad de Clausius La desigualdad de Clausius es un colorario del segundo principio, se enuncia de la siguiente manera: “Cuando un sistema recorre un ciclo 𝛿𝑄/𝑇 es cero si el ciclo es reversible, y negativo si es irreversible”, es decir matemáticamente se expresa por: ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.   0 T Qs Concluimos que: El signo = corresponderá donde todos los proceso son internamente reversibles. El signo < si existen irreversibilidades internas. El signo > es un ciclo imposible.   0 T Qs ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. Para un camino finito e internamente reversible; - Así las leyes primera y segunda son semejantes en cuanto a que ambas conducen a la definición del cambio de una propiedad en función de las interacciones de la frontera de un sistema cerrado. - El segundo término de las ecuaciones anteriores se interpreta como una medida de transferencia de entropía asociada a la transferencia de calor. - El cambio de entropía real es: - Siendo ∆Sp la variante producción de entropía revT dQ SSS int 2 1 12         ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. pS T dQ S         2 1 ´ TERMODINÁMICA TÉCNICA | 2da. ¡ARTE Profesor: ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. RESUMEN TEMA: La segunda ley de la Termodinámica. La Primer ley de la termodinámica sirve para analizar las transformaciones energéticas cualitativa y cuantitativamente, es decir la equivalencia de todas las transformaciones energéticas. La segunda ley de la termodinámica sirve para analizar el rendimiento de los motores térmicos, es decir no existe ninguna máquina térmica que transforme íntegramente el calor en energía mecánica. 6. Variación de entropía de un gas ideal Si se conoce dos estados en un gas ideal es posible calcular la variación de entropía que experimenta el gas en este proceso, mediante la siguiente expresión. 𝑑𝑠 = 𝑐𝑣 𝑑𝑇 𝑇 + 𝑅 𝑑𝑣 𝑣 …………………….(a) 𝑑𝑠 = 𝑐𝑝 𝑑𝑇 𝑇 − 𝑅 𝑑𝑝 𝑝 ……………………...(b) ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 7. Balance de entropía en volúmenes de control  El principio de incremento de entropía para cualquier sistema se expresa como.  𝑆 𝑒 − 𝑆𝑠 + 𝑆𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = Δ𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎  En esta ecuación los subíndices e y s representan los estados de entrada y la salida. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 8. EFICIENCIA o 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. 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: gasto servicio  A neto A i T Q W Q Q    ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. El ciclo de CARNOT está compuesto de cuatro procesos: 1-2 Proceso expansión isotérmica; se expande por que hay disminución de presión y aumento de volumen, en este proceso se suministra calor al fluido operante. 2-3 Proceso expansión isentrópica; donde el fluido operante al expandirse produce trabajo. 3-4 Proceso compresión isotérmica; internamente reversible durante la cual se cede un calor al medio exterior. 4-1 Proceso compresión isentrópica; el fluido de trabajo alcanza la temperatura alta inicial. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. Diagramas típicos para un gas ideal que experimenta un ciclo de CARNOT. Proceso1-2; Expansión Isotérmica (Q1˃0) Proceso 2-3; Expansión isentrópica (Q23=0) Proceso 3-4; Compresión Isotérmica (Q2˂0 ) Proceso 4-1; Compresión isentrópica (Q41=0 ) La segunda ley de la termodinámica establece que un proceso ocurre en cierta dirección, no en cualquiera. Un proceso no ocurre a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda leyes de la termodinámica. Los cuerpos que pueden absorber o rechazar cantidades finitas de calor en forma isotérmica se llaman depósitos de energía térmica o depósitos de calor. El trabajo se puede convertir directamente en calor, pero éste no se puede convertir en trabajo sino únicamente por medio de ciertos dispositivos llamados máquinas térmicas. La eficiencia térmica de una máquina térmica se define como Waeto.salida 1 O, A 07 Oy Una máquina térmica que opera en un ciclo reversible de Carnot se llama máquina térmica de Carnot. La eficiencia tér- mica de una máquina térmica de Carnot, así como de las otras máquinas térmicas reversibles está expresada por 11. 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. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. 11. CICLO INVERSO DE CARNOT ING. CARLOS FIDEL CRUZ M. Para que se utiliza la segunda ley de la Termodinámica 1. Predecir la dirección de los procesos. 2. Establecer las condiciones de equilibrio 3. Determinar las mejores prestaciones teóricas de ciclos y motores térmicos. 4. Cuantificar el rendimiento optimo de las máquinas térmicas. 5. Permite el cálculo de entropía. ING. CARLOS FIDEL CRUZ M.