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“UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE“UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE
CHOTA”CHOTA”
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIASFACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIALESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL
“SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÀMICA”“SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÀMICA”
CURSOCURSO
FÌSICA APLICADAFÌSICA APLICADA
DOCENTEDOCENTE
ING. PERCY DAVILA GONZALESING. PERCY DAVILA GONZALES
ESTUDIANTESESTUDIANTES
DELGADO COTRINA NEIVERDELGADO COTRINA NEIVER
DELGADO VASQUEZ JAZNNY LORENADELGADO VASQUEZ JAZNNY LORENA
GUEVARA BENAVIDES NILSON EDGARGUEVARA BENAVIDES NILSON EDGAR
REGALADO COLUNCHE ELVERREGALADO COLUNCHE ELVER
COLPAMATARA- 2018COLPAMATARA- 2018
I.I. INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
Se ha observado que la energía fluye de un sistema en forma de calor o trabajo. LaSe ha observado que la energía fluye de un sistema en forma de calor o trabajo. La primera ley deprimera ley de la terla termodinámimodinámica noca no imponimpone une un límite alímite a la cantidad de ela cantidad de energía totalnergía total de un sistema que se puede hacer que fluya como trabajo. Sin embargo, se imponede un sistema que se puede hacer que fluya como trabajo. Sin embargo, se impone un límite como resultado del principio enunciado en LA SEGUNDA LEY DE LAun límite como resultado del principio enunciado en LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA, que estable que el calor fluirá de manera natural de unTERMODINAMICA, que estable que el calor fluirá de manera natural de un reservorio de energía a otroreservorio de energía a otro a una temperatura menor, pero no en la dirección opuestaa una temperatura menor, pero no en la dirección opuesta sin algún tipo de ayuda. Esto es muy importante dado que una maquina térmicasin algún tipo de ayuda. Esto es muy importante dado que una maquina térmica funciona entre dos reservorios de energía a temperaturas diferentes.funciona entre dos reservorios de energía a temperaturas diferentes. Además, la primera ley de la termodinámica establece una equivalencia entre laAdemás, la primera ley de la termodinámica establece una equivalencia entre la cantidad de calor utilizado y el trabajo mecánico, pero no especifica las condicionescantidad de calor utilizado y el trabajo mecánico, pero no especifica las condiciones ante las cuales es posible la conversión de calor en trabajo, o la dirección en la queante las cuales es posible la conversión de calor en trabajo, o la dirección en la que puede tenepuede tener lugar la transfer lugar la transferencia de calrencia de calor.or.
III.III. MARCO TEORICOMARCO TEORICO
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICASEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediadoLa incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley noal introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirárestringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de unarealmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedadpropiedad llamadallamada entropía.entropía. UnUn procesoproceso no sno sucedeucede a mena menos queos que satisfagasatisfaga lala primera yprimera y la sla segundaegunda ley de la Termodinámica.ley de la Termodinámica. El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección deEl empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. Lalos procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver conprimera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otla cantidad y la transformación de la energía de una forma a otrara sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de lossin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así comoingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total deel nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamenteenergía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puedeen trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.convertirse en trabajo.
ENUNCIADO DE KELVIN – PLANCK
Cuando se estudian las máquinas térmicas se obtiene que el rendimiento de estas máquinas viene dado por Siendo | W | el trabajo neto realizado por la máquina, | Qc | el calor que absorbe del foco caliente para realizar dicho trabajo y | Qf | el calor de desecho que es entregado al foco frío (normalmente el ambiente). A la hora de aumentar la eficiencia de una máquina, el primer objetivo sería reducir, o eliminar si es posible, ese calor de desecho. Se plantean dos alternativas ¿Es posible una máquina térmica que no genere calor de desecho, sino que todo el calor absorbido se transforme en trabajo neto? ¿Es posible una reutilización del calor de desecho, de forma que se haga recircular y se “Es imposible construir una máquina que mientras funcione en un ciclo, produzca ningún otro efecto excepto la extracción de calor de un solo reservorio y realizar la cantidad equivalente de trabajo”
En la mayoría de las situaciones prácticas, este valor máximo está muy por debajo de la unidad, por lo que el segundo principio de la termodinámica establece unos límites estrictos al posible aprovechamiento del calor. RELACIÓN CON EL AUMENTO DE ENTROPÍA Una máquina que violara el enunciado de Kelvin-Planck claramente produciría una disminución de entropía del universo: La entropía del sistema (la máquina) no cambia en un ciclo, por ser la entropía una función de estado. La entropía del ambiente disminuye, ya que cede calor Qc a una temperatura Tc. La variación total de entropía sería Lo que define a este proceso como imposible. Podemos dar una relación más precisa entre trabajo, calor absorbido y aumento de entropía. En una máquina que trabaja entre dos focos se verifica Lo que nos dice que el trabajo que puede obtenerse de una máquina es como máximo Que es de nuevo el enunciado de Kelvin-Planck.
Donde de nuevo, la igualdad corresponde a ciclos reversibles y la desigualdad a irreversibles. Podemos generalizar aún más este resultado: supongamos que la temperatura del ambiente no cambia a saltos, sino que va variando gradualmente de forma continua. Podemos modelar esto como un conjunto infinito de baños térmicos, situados a temperaturas que varían en una cantidad diferencial (por ejemplo, que en un momento está en contacto con un baño a 25.00°C y posteriormente con uno a temperatura 24.99°C). La cantidad de calor que entrará en el sistema desde cada uno de estos baños será una cantidad diferencial dQ. La razón es que si el punto por el que entra el calor ha alcanzado el equilibrio con un baño a 25.00°C y posteriormente se pone en contacto con uno a temperatura 24.99°C, la cantidad de calor que fluirá como consecuencia de la diferencia de temperaturas será minúscula. La suma de una cantidad infinita de pasos diferenciales no es más que una integral, por lo que la desigualdad de Clausius se escribe para un proceso continuo como Donde la igualdad corresponde a ciclos reversibles y la desigualdad a irreversibles. Análisis de la desigualdad Para fijar el significado de cada símbolo de la expresión, Precisemos cada uno por separado.
dicho ciclo en el sistema entrará una cierta cantidad de calor d Q y sobre él se realizará un trabajo dW, de forma que, de acuerdo con el Primer Principio de la termodinámica Hay que señalar que esto no presupone que a lo largo de todo el ciclo d Q vaya a tener siempre el mismo signo. De hecho, en un ciclo real habrá pasos en que entrará calor (del o de los focos calientes), dQ > 0 y habrá pasos en que saldrá (hacia el o los focos fríos), dQ < 0, por lo que el signo irá cambiando. Lo mismo ocurrirá con dW: en un motor real habrá partes del ciclo (el compresor, en una máquina de vapor) en que se realiza trabajo sobre el sistema, dW^ > 0, y partes (la turbina) en que es el sistema el que realiza el trabajo, dW < 0. El calor que entra en el sistema lo hace desde el ambiente a una temperatura T. Esta temperatura no es la temperatura del sistema sino la del foco que cede el calor en ese momento, según se ha indicado anteriormente. Para evitar tratar con una infinitud de baños térmicos (uno por cada temperatura por la que pasa el ciclo) podemos sustituir dichos baños por una sola máquina térmica reversible que trabaja entre una temperatura de referencia TR y la temperatura T con que llega el calor al sistema. Es decir, nos imaginamos que el calor en lugar de entrar desde el ambiente a una temperatura variable, lo hace desde la máquina reversible, que va variando su temperatura de salida. Esta máquina reversible que opera a temperatura variable es por supuesto un ente ideal, pero no afecta a la desigualdad de Clausius y simplifica los cálculos. Esta máquina reversible recibe un calor d QR desde el foco a temperatura TR, y un trabajo dWR, y entrega un calor dQ a la temperatura T. Por ser reversible su cumplirá Nótese que, puesto que dQ es el calor que entra en el sistema, debemos contabilizarlo como un calor que sale de la máquina para que los signos sean coherentes. Si consideramos el “sistema ampliado” formado por el sistema y la máquina reversible,
Por tanto la desigualdad de Clausius equivale a decir que la producción de entropía en un sistema es siempre positiva (en un proceso irreversible) o nula (en uno reversible). Nunca negativa. Principio del aumento de entropía En el caso particular de un sistema aislado, ningún calor entra o sale del sistema, d Q = 0 y por tanto (sistema aislado) Esto es, para un sistema aislado la entropía es una función creciente en todo proceso real. Sólo si el proceso es reversible la entropía permanece constante. Si consideramos el “universo” como el conjunto del sistema más la parte del ambiente con la que intercambia calor o trabajo, podemos tratar al universo como un sistema aislado, con lo que obtenemos el principio del aumento de entropía: (Proceso general) Esto es, en todo proceso real la entropía aumenta (si el proceso es irreversible) o permanece estacionaria (si es reversible), pero nunca disminuye. Obsérvese que en un proceso real es posible que la entropía del sistema disminuya (es lo que ocurre normalmente si se enfría), pero esa disminución debe ser compensada por un aumento en el ambiente, que supere con creces dicha disminución.
Como la máquina debe trabajar en ciclos, la variación de energía interna es nula. Aplicando el Primer Principio el trabajo producido se puede expresar: En general, se define Potencia (P) como el trabajo dividido por el tiempo, en caso de las máquinas corresponde entonces al trabajo producido en un segundo. En el S.I. de Unidades se mide en Watios (J/s) Rendimiento (η) El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno: Habitualmente se expresa el rendimiento en porcentaje, multiplicando el valor anterior por cien. Para las máquinas más comunes este rendimiento se encuentra en torno al 20%. Usando la expresión anterior del trabajo, el rendimiento se puede calcular también como:
Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en azul), en función de la entropía S y la temperatura T. Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B. Cámara de combustión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isobaro B→C.
En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De nuevo este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna Este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza. En el enfriamiento en el exterior tenemos una compresión a presión constante: El trabajo neto realizado sobre el gas es la suma de los cuatro términos Aplicando la ley de Mayer z Este trabajo se puede expresar como Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto introducido en el sistema es igual al trabajo neto realizado por este, en valor absoluto. Rendimiento El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W^ |. Lo que nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado de Kelvin-Planck). Por tanto
W (energía que cuesta) Qh-Ql Qh/Ql- Es una bomba de calor el objetivo es el calor que se trasfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar al coeficiente de rendimiento. ᶞ= (Energía que se busca) = Ql = 1) W (Energía que cuesta) Qh - Ql Qh/Ql - En una bomba de calor el objetivo es el calor que se transfiere desde el refrigerante al cuerpo de alta temperatura, que es el espacio que se quiere calentar el coeficiente de rendimiento es: ð = Ql (Energía que se busca) = Qh = 1 W (Energía que cuesta) Qh - Ql 1- Ql/Qh Rendimiento térmico El rendimiento térmico o eficiencia de una maquina térmica es una magnitud de proceso y adimensional, definida como el cociente de la energía que deseamos obtener de dicha máquina y a la energía que se debe transferir para su funcionamiento se designa con la letra griega n.
V. BIBLIOGRAFIA
TIPLER, P. A.: “Física”. Vol. I y II. Ed. Reverte, Barcelona. SERWAY, R. A.: “Física”. Tomo I y II McGraw- Hill (2002). BURBANO DE ERCILLA, S., BURBANO, E., GRACIA, C.: “Física General”. Ed. Tébar. Golden, F. (2015). “Termodinámica para ingeniería”. Trillas: México. Rajput. R.K. (s.f) “TERMODINAMICA”. (3.ed). Cengage: México EISBERG,^ R.M.^ y^ LERNER,^ L.S.;^ “Física:^ Fundamentos^ y Aplicaciones”, Vols. I y II. McGraw Hill, [1]. GIANCOLI, D.C.; “Física para las ciencias e ingeniería” (2 Tomos) Addison-Wesley.
