Termodinámica: Segunda ley de la termodinámica

INTRODUCCIÓN

La 2º Ley de la Termodinámica: se basa en el principio de la conservación de la energía, se utiliza para saber o predecir la dirección y extensión de la energía en un determinado proceso.

1. MÁQUINA TERMICA

Es un dispositivo que recibe calor, desarrolla trabajo y opera en un ciclo mecánico.

Figura que muestra una máquina térmica en general y como ejemplo una planta de energía a vapor.

En el presente curso llamaremos a la máquina térmica simplemente MT. Para cada uno de los dispositivos el trabajo neto realizado es:

En el grafico Qs representa la magnitud de la energía desperdiciada con el fin de completar el ciclo. Pero Qs nunca es cero, por lo que el trabajo netote salida es siempre inferior a la cantidad de calor de entrada. Es decir, que solo una fracción del calor de entrada es trasferido al motor como trabajo. La fracción entre el trabajo neto y el calor de entrada es una medida de resultados de un motor térmico y se llama "eficiencia térmica", para motores calientes la salida deseada es la salida neta de trabajo y la entrada requerida es la cantidad de calor suministrado a los fluidos de trabajo. Entonces el rendimiento térmico de un motor puede expresarse como:

1.2. PRINCIPIO DE KELVIN–PLANCK

Este principio dice que ninguna máquina térmica convierte todo el calor que recibe en trabajo útil. El enunciado dice:

Es imposible para cualquier dispositivo que funcione en un ciclo de recibir calor de un solo depósito y producir una cantidad neta de trabajo (toda la energía convertida en calor)

El enunciado también se expresa como:

Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia de 100%, para que una planta de energía funcione, el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente así como con el horno.

3. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR

El refrigerador es una máquina que requiere trabajo para transferir calor de un cuerpo frío a otro caliente y opera en ciclos.

Figura que muestra al refrigerador (fig. Izquierda) y a la bomba de calor (fig. de la derecha)

2.1. PRINCIPIO DE CLAUSIUS

Se expresa como:

Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la transferencia de calor de un cuerpo a otro cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más alta.

Horno Ejemplos

• 1. Se transfiere calor a una máquina térmica desde un horno a una relación de 80MW . Si la relación de liberación de calor de desecho a un río es de 50MW . Determinar:

• 2. Un motor de un automóvil con una salida de potencia de 65Hp tiene una eficiencia térmica de 24%. Determine la relación de consumo de combustible de este automóvil si el combustible de este automóvil tiene un valor calorífico 19000 Btu lbm , es decir 19000Btu de energía se liberan por cada libra de combustible quemado.

• 3. Con una bomba de calor se cubren las necesidades de calefacción de una casa al mantenerlo a 20ºC. un día cuando la temperatura del aire exterior disminuye a –2ºC se estima que la casa pierde calor a una relación de 80000 kJ h , si en estas condiciones la bomba de calor tiene COPBC = 2.5 , determine:

• 4. Una central eléctrica de vapor recibe calor de un horno a una taza de 280 KJ h . Cuando el vapor pasa por tubos y otros componentes, las pérdidas de calor hacia el aire circundante desde el vapor se estiman alrededor de 8 GJ h . Si el calor de desecho se transfiere al de enfriamiento a una taza de 1145 GJ h . Determine: