5 2ª ley de la termodinámica - uam.es · pdf file5_2ª ley de la...
TRANSCRIPT
5_2ª LEY DE LA TERMODINÁMICA
5.1 DIRECCIÓN DE LOS PROCESOS
5.2 FOCOS, DEPÓSITOS O BAÑOS
5.3 MÁQUINAS TÉRMICAS
5.4 REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
5.5 PROCESOS REVERSIBLES Y PROCESOS IRREVERSIBLES
5.6 CICLO DE CARNOT
5.7 ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURAS
5.8 MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
5.1 DIRECCIÓN TEMPORAL DE LOS PROCESOS
Q
EXPERIENCIA:
Dos consecuencias empíricas y el sentido de evolución de los procesos:
PROCESO
T alta
T baja
T
T
PROCESO
T alta
T baja
T
T
QW QW
¡¡¡ Hay procesos que sólo pueden seguirse en una dirección y no en la opuesta !!!
El objeto de la segunda Ley termodinámica es establecer la posible evolución de un proceso.
¡¡¡ AUNQUE LO PERMITA LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA !!!
5.2 FOCOS, DEPÓSITOS O BAÑOS
DEFINICIONES:
Baño, depósito o foco:Sistema capaz de intercambiar energía térmica sin modificar su temperatura.
Los baños, depósitos o focos se llaman fuentes o sumideros dependiendo de si suministran o adsorben energía.
Por su definición los baños, depósitos o focos deberían son sistemas de gran tamaño o gran capacidad calorífica.
También son baños, depósitos o focos artilugios que en alguna forma se mantienen a temperatura constante como los hornos.
También son baños, depósitos o focos los sistemas que sin ser grandes puede considerase como tales de forma relativa.
QH
QL
W
CALDERA
CONDENSADOR
TURBINABOMBA
W
QL
QH
MAQUINA TÉRMICA ⇒proceso cíclico
Ejemplo de una central eléctrica
Dos advertencias:* El fluido que sigue el ciclo es el mismo en la central eléctrica, pero no tiene porque ser así como ocurre en los motores de combustión como veremos más adelante.* Por definición QH, QL y W se toman como cantidades positivas
WQQWQU LH −−=−=∆ )( LH QQW −=CICLO:
5.3 MÁQUINAS TÉRMICAS
WQQWQU LH −−=−=∆ )( LH QQW −=
1<⇒η
→ Enunciado de Kelvin-Planck de la 2ª Ley:
Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir
trabajo y no ceder nada de calor a un baño frío.
ORIGEN DE LA PÉRDIDA DE QL
CICLO:
RENDIMIENTO
FRICCIÓN técnicamente evitable.
2a LEY: desgraciadamente INEVITABLE
QH
W
1=η
H
L
H
LH
QQQ
−=−
= 1
QH
QL
W
!!!0¡¡¡ ≠LQ
HQW
=EnergéticoCoste
DeseadaEnergía_
_=η
“máquinas térmicas en sentido opuesto”
Refrigerador ybomba de calor.
HL QQW =+
LH QQ >
1/1
__
−===
LH
LR QQW
QEnergéticoCoste
DeseadaEnergíaCOP
HL
HBC QQW
QEnergéticoCoste
DeseadaEnergíaCOP/1
1_
_−
===
1+= RBC COPCOP
Coeficientes de OPeración:
1>BCCOP
0>RCOP
→Enunciado de la 2ª Ley de Clausius:
Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin gasto de trabajo.
QH
QL
∞=BCCOP
∞=RCOP
QH
QL
W
5.4 REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
VÁLVULA
EVAPORADOR
CONDENSADOR
800kPa60ºC
120kPa-20ºC
COMPRESOR
800kPa30ºC
120kPa-25ºC
Rendimiento η →
1/1
__
−===
LH
LR QQW
QEnergéticoCoste
DeseadaEnergíaCOP
Coeficiente de Eficiencia Energética (USA):)(
)(horaVatiosW
BtuQCEECOP LR −
=→
Refrigeradores y acondicionadores de aire:
BtuJJ
BtuJssJWh 412.336001055136003600/11 ===×=
Energía térmica: Btu (British thermal unit) = 1.055 kJ
412.3111 =→== CEEkWhkWhCOPR
Valores usuales: COPR → 2-4 o CEE → 8-12
Valores usuales: COPBC → 2-3
Coeficiente de Eficiencia Energética
Enunciado de Clausius: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin gasto de trabajo.
Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir trabajo y no ceder nada de calor a un baño frío.
QH
QL
QH
W
QH
TL
QH+QL
W=QH
QL
η=100%
TH
QL
QL
≡
Equivalencia entre los dos enunciados:
Enunciado de Clausius: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin gasto de trabajo.
Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir trabajo y no ceder nada de calor a un baño frío.
QH
QL
QH
W
Equivalencia entre los dos enunciados:
Movimientos perpetuos de primera y segunda especie: máquinas que violan el primer o el segundo principio de la termodinámica
TL
QH-QL
QL
QL
QL
≡QH
QLW
QL
PROCESOS REVERSIBLES: LOS QUE SE RECORREN A TRAVÉS DE SUCESIVOS ESTADOS DE EQUILIBRIO Y QUE POR TANTO SE PUEDEN VOLVER A RECORRER EN SENTIDO OPUESTO A TRAVÉS DE ESOS MISMOS ESTADOS DE EQUILIBRIO, TANTO
DEL SISTEMA COMO DEL RESTO DEL UNIVERSO.
5.5 PROCESOS REVERSIBLES Y PROCESOS IRREVERSIBLES
IRREVERSIBLES: LOS QUE NO SON REVERSIBLES.
Observaciones•No olvide que siempre tenemos el sistema y el resto del universo.•Ningún proceso real es reversible.•La irreversibilidad suele estar ligada a la violencia del proceso y exigen mayor cantidad de trabajo (cuando lo damos) o generan menor cantidad de trabajo (cuando lo recibimos) !siempre en contra nuestra! Reducen el rendimiento de cualquier dispositivo termodinámico.
•Los procesos reversibles son infinitamente lentos. El proceso pasa por sucesivos estados de equilibrio los cuales, estrictamente, se alcanzan en un tiempo infinito. •Los procesos irreversibles también pueden ser lentos.
TH TL < TH
AISLANTE
•Un sistema puede volver al estado inicial en un proceso irreversible PERO el resto del universo, inevitablemente, ha cambiado.
P P
VV
SISTEMA
RESTOUNIVERSO
•
•En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el sistema que estamos estudiando haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuesto para volver al estado inicial (y no el resto del universo); estos procesos se llaman internamente reversibles, el proceso sigue siendo irreversible.
P P
VV
SISTEMA RESTOUNIVERSO
•
•
•En un proceso irreversible puede ocurrir que el proceso seguido por el resto del universo haya pasado por sucesivos estados de equilibrio, entonces es posible recorrerlos en sentido opuesto para volver al estado inicial (y no el sistema); estos procesos se llaman externamente reversibles, el proceso sigue siendo irreversible. (Los baños suelen verificar esta condición).
•Hay procesos que son a la vez internamente y externamente reversibles y aún son procesos totalmente irreversibles. (Un ejemplo es el caso mencionado de la transferencia de energía térmica entre dos sistemas con un aislante).
•Podemos tratar de hacer los procesos “lo menos irreversibles” posible; en los procesos reversibles es relativamente fácil evaluar cualquier variable termodinámica, sirven para compararlos con los sistemas reales y sacar consecuencias para mejorar el rendimiento de estos.
•El procedimiento para hacer a un proceso reversible es realizar lentamente trabajo (proceso cuasi-estático) y disponer de muchos baños térmicos para hacer los intercambios de calor poco a poco. Un proceso estrictamente reversible necesita producir trabajo de una manera infinitamente lenta y disponer de infinitos baños térmicos.
•En principio se podría tender a mejorar los rendimientos haciendo los sistemas “más reversibles” pero, además de los problemas técnicos, la potencia sería cada vez menor.
•No olvide nunca que las propiedades de un estado termodinámico no dependen de cómo se haya alcanzado ese estado, sea mediante un proceso reversible o un proceso irreversible.
T
V S
P
TL
TH
4 3
21QH
QL
1 2
QH
TH
TH
TL
2 3 43
QL
TL
THTL
14
5.6 CICLO DE CARNOT
TH
2
1QH●
●
4QL
●
3TL●
W
∫= pdVW ∫= TdSQ
Q
Observaciones:
Ciclo reversible por definición
41342312 WWWWW +++=
LH QQQ −=
WQ =
T
V S
P
QTL
TH
4 3
21
TL
THW
4
3
2
1QH
QL
QH
QL
HL QQW =+
Refrigerante
Bomba de calor
TH
TLTL
TH
Máquina Térmica
Principios de Carnot:
Todas las maquinas térmicas que sigan un proceso reversible entre los mismos baños térmicos tienen igual rendimiento.
El rendimiento de una máquina térmica que siga un proceso irreversible entre dos baños térmicos es menor que el rendimiento de cualquier máquina térmica que siga un proceso reversible entre los dos mismos baños
TL
TH
TL
W(R)
-W(R)IRREV REV
QH -QHQH
QL(I)<QL(R) -QL(R)
W(I)
QL(R)
W(I)-W(R)
QL(I)-QL(R)
IRRREV ηη >
Q1 Q1
Q2
Q2
Q3 Q3
T1
T3
T2
5.7 ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURAS
1er. Principio de Carnot ),( LHREV TTηη =⇒
H
L
H
LH
H QQ
QQQ
QW
−=−
== 1η ),( LHL
H TTfQQ
=⇒
),(),(),( 131
332
3
221
2
1 TTfQQTTf
QQTTf
===⇒
1
3
3
2
2
1
= ),(),(),( 133221 TTfTTfTTf =⇒
)()(),(
b
aba TF
TFTTf =⇒)()(
b
a
b
a
TFTF
=⇒
b
a
b
a
TT
TFTFKELVIN =→
)()(
Además se ha impuesto que el punto triple del agua (0.01ºC) le correspondan 273.16K, así 1K=1ºC y T(ºC)=T(K)-273.15
b
a
b
a
TT
=
5.8 MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT
H
L
H
LH
H QQ
QQQ
QW
−=−
== 1ηH
L
TT
−=1Para una máquina de Carnot
O cualquier otra REVERSIBLE
IRRREV ηη >
General
IRRH
LIRRREV
H
LREV
H
L
TT
QQ )1(1)1( −=>=−=− ηη
QH
TL
TH≈TLTH-TL pequeño TH-TL grande
⇓ ⇓η pequeño η grande
⇓ ⇓QH de poca QH de gran
calidad calidad
QH
TH>>TL
TL
CALIDAD Y DEGRADACIÓN DE LA ENERGÍA:
LIMITES DE LOS COPs1/
11/
1−
<−
=LHLH
R TTQQCOP
HLHLBC TTQQ
COP/1
1/1
1−
<−
=
RESUMEN
QH
QL
W
MÁQUINA TÉRMICA
(Cíclica)
H
L
H
L
H TT
QW
−≤−== 11η
QH
QL
W
REFRIGERADOR O BOMBA DE CALOR
(Cíclica)
1/1
1/1
−≤
−==
LHLH
LR TTQQW
QCOP
HLHL
HBC TTQQW
QCOP/1
1/1
1−
≤−
==
consumidaEútilEEficiencia
__
=
H
L
H
L
TT
QQREVERS =:
LH QQW −=
,...,COPEficiencia η=
:Definición
1ª Ley:
Ejemplo 15
PREGUNTA: ¿consumo (kg/seg)?
•
= mConsumo
QH
QL
W
MAQUINA TÉRMICA: η=24% Potencia=48.47 kW Valor calorífico del combustible = 44191 kJ/kg
kgkJQificoValorCalorQm HH /44191//•••
==
HQW
=η•
•
=HQ
WkWWQH 2.202... ===
••
η
horakgConsumo /47.16... ==
íficoValorCalormQH ×=••
Ejemplo 16
PREGUNTAS: ¿potencia? ¿QL?
BOMBA DE CALOR de COP=2.5, Tcasa 20ºC, T exterior -2ºCPérdidas en la casa 80000kJ/hora
•
•
==W
QWQCOP HH
CTcalle º2−=
CTcasa º20=
horakJQ /80000' =•
kWCOP
QCOPQW H 9.8...'
===
•••
horakJWQQ HL /48000... ==−=•••
PREGUNTA: ¿Qué pasaría si se hubiese utilizado un calentador eléctrico?
CTcalle º2−=
CTcasa º20=
horakJQ /80000' =•
WQ
EnergéticoCosteDeseadaEnergía H=
__
kWQQW H 2.22...1
'1
===
•••
•
•
=W
QH1=
PREGUNTA: ¿Qué pasaría si la bomba fuera reversible?
3.13/1
1/1
1... =−
=−
===HLHL
H
TTQQWQCOP kW
COPQ
COPQW H 67.1...'
===
•••
Ejemplo 17
PREGUNTA: ¿Rendimiento? ¿QL? QH=500kJ
MAQUINA DE CARNOT (TÉRMICA):
QL
W
TH=652ºC
TL=30ºC
H
L
H
L
H TT
QW
−=−== 11η
La máquina de Carnot es reversible:
672.0... ==
H
LHL T
TQQ = kJ7.163... ==
PREGUNTA: ¿Qué pasa con el rendimiento si bajamos la temperatura del foco caliente? (TL fija)
η
HTLT
1
Carnot Cycle (Heat Engine) http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/carnot/carnot.html
http://www.mhhe.com/physsci/physical/jones/graphics/jones2001phys_s/ch13/others/13-3/index.html
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
http://137.229.52.100/physics/p103/applets/cp_carnot.html
SecondLaw Brig Klyce http://www.panspermia.org/seconlaw.htm#whatsnew
Ciclo Carnot