2 Ley Termodinamica

 

 

UNIVERSIDAD AGRARIA DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS INGENIERIA AGRICOLA MENCION AGROINDUSTRIAL TRABAJO AUTÓNOMO DE TERMODINÁMICA

TEMA: ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE TERMODINÁMICA DEPÓSITO ENERGÍA TÉRMICA MÁQUINAS TÉRMICAS REVERSIBILIDAD IRREVERSIBILIDAD ENTROPÍA  AUTORAS:        

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BERMUDEZ PALMA JHON BORBOR LAVAYEN ANGIE ONOFRE CARTAJENA LISBETH RIVAS CAJAMARCA DENISSE

GRUPO # 7  SEMESTRE: 3ERO “A”  DOCENTE: ING. LUIS CALLE MENDOZA AÑO LECTIVO 2017 - 2018 GUAYAQUIL - ECUADOR

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CAPÍTULO1 INTRODUCCIÓN

La Segunda Ley de la Termodinámica tiene dos enunciados que son equivalentes. El  primero es conocido como de Kelvin Plank y dice: " No es posible construir un maquina térmica que trabajando en un ciclo, convierta en trabajo todo el calor suministrado.“." Este

enunciado dice que un ciclo, por ejemplo el de Carnot, no es posible que el calor perdido sea cero. Para esto, se requeriría que la temperatura baja fuera de cero grado Kelvin y esta temperatura no puede alcanzarse. La eficiencia seria uno, o sea el 100%. El otro enunciado es de Clausius y dice: "No es posible construir una máquina que trabajando en un ciclo  pueda llevar calor de un cuerpo frio f rio a uno caliente, sin recibir trabajo (energía)." (ener gía)." Este enunciado sostiene que para que a un vaso de agua a 100 °C pueda sacársele calor (enfriándolo en un refrigerador), y ese calor mandarlo al medio ambiente que se encuentra a 20 °C, hay que proporcionar trabajo al sistema. Por ejemplo, con un motor alimentado  por corriente eléctrica. Estos dos enunciados son completamente equivalentes, y son restrictivos porque en el fondo lo que dicen es que en forma espontánea, a una temperatura constante, el gas que está dentro de un cilindro no va a comprimirse, y también que espontáneamente espontáneam ente el calor no £luye de los cuerpos fríos a los calientes. 0 sea, que esta segunda ley nos dice en que direcci6n se van a realizar los procesos en la naturaleza.

 

 

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CAPITULO 2 ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes: Enunciado de Kel Kelvin vin Plank dice: "No es posible construir un maquina térmica que

trabajando en un ciclo, convierta en trabajo todo t odo el calor suministrado.“ Clausius dice: "No es posible construir una máquina que trabajando en un ciclo pueda llevar calor

de un cuerpo frio a uno caliente, sin recibir trabajo (energía)." (ene rgía)." Este enunciado sostiene que para que a un vaso de agua a 100 °C pueda sacársele calor (enfriándolo en un refrigerador), y ese calor mandarlo al medio ambiente que se encuentra a 20 °C, hay que  proporcionar trabajo al sistema. Por ejemplo, con un motor alimentado por corriente eléctrica. Este enunciado dice que un ciclo, por ejemplo el de Carnot, no es posible que el calor perdido sea cero. Para esto, se requeriría que la temperatura baja fuera de cero grado Kelvin y esta temperatura no pueda alcanzarse. La eficiencia seria uno, o sea el 100%.. Otros enunciados para la Segunda Ley son: Todos los procesos espontáneos dan por resultado un estado más probable. Alguna cantidad de calor QC debe ser expulsada a un foco frío. Esto se opone a un motor térmico perfecto. No dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frío a otro más caliente. Simplemente dice que dicho proceso nunca será espontáneo.

Figura1. 2 Ley de termodinámica

 

 

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2.1 Depósito energía térmica Recibe este nombre un cuerpo hipotético con una capacidad de energía térmica grande (masa por calor específico) que pueda suministrar s uministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufran ningún cambio de temperatura. En la práctica los grandes cuerpos de agua en los océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico pueden modelarse como depósitos de engría térmica, debido a sus grandes capacidades de almacenamiento de energía térmicas o de masas térmicas. Un sistema de dos fases también puede modelarse como un depósito puesto que absorbe y libera grandes cantidades de calor y se mantiene a temperaturas constantes. Otro ejemplo de depósito de energía térmica es el horno industrial. Las temperaturas de la mayor parte delos hornos son controlados con gran cuidado y son capaces de suministrar grandes cantidades de energía térmica de una manera especialmente isotérmica. En realidad, un cuerpo no tiene que ser muy grande para ser considerado como un depósito.. Un depósito que suministra energía en forma de calor, recibe el nombre de fuente y uno que absorbe energía en forma de calor se denomina sumidero. Los depósitos de energía térmica se conocen como depósitos de calor, el manejo irresponsable de la energía de deshecho puede aumentar de modo significativo la temperatura de ciertas partes del ambiente y provocar lo que se llama contaminación térmica.

Figura 2. Depósito energía térmica

 

 

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2.2 Máquinas térmicas Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en un trabajo mecánico; es decir, se alimenta energía térmica a la máquina en forma de calor y se obtiene como resultado trabajo mecánico. Las máquinas térmicas funcionan siguiendo un ciclo termodinámico. En ingeniería, una máquina térmica realiza la conversión de calor en trabajo mecánico mediante un gradiente de temperatura entre una fuente caliente y un sumidero frío. El calor es transferido desde la fuente a través de un “medio de trabajo”

hasta el sumidero. En este proceso, el calor se convierte en trabajo gracias gr acias a las propiedades de la “sustancia de trabajo”, que generalmente es un u n gas o un líquido..  Tanto la fuente como

el sumidero son depósitos térmicos, o sea, sistemas lo suficientemente grandes y en equilibrio estable al cual, y desde el cual, pueden transferirse cantidades finitas de calor sin que se produzca ningún cambio en su temperatura. El refrigerador y la bomba de calor son sistemas termodinámicos que operan en un ciclo donde se transfiere calor desde un cuerpo de baja temperatura hasta uno de alta temperatura. Para que esta transferencia de energía sea posible, es necesario suministrar trabajo. El resultado de estos procesos es que la temperatura del cuerpo de baja temperatura disminuye y la del cuerpo de alta temperatura aumenta. Una máquina térmica transforma energía térmica en trabajo realizando un ciclo de manera continuada. En ellas no hay variación de energía interna,

ΔU=0 . 

Las maquinas térmicas de otros dispositivos suelen incluir un fluido al cual y desde el cual se transfiere calor mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre del fluido de trabajo. Las máquinas térmicas difieren considerablemente de otras aunque todas se caracterizan por lo siguiente:

 

 

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1.- reciben calor de una fuente de alta temperatura 2.-Convierten parte de esta calor en trabajo 3.- Liberan el calor del desecho en un sumidero de baja temperatura 4.- operan en un ciclo El término maquina térmica, muchas veces tiene un sentido más amplio para incluir dispositivos que producen trabajo, que no operan en un ciclo termodinámico, máquinas que producen combustión interna, como las turbinas de gas y los motores de automóvil entran en esta categoría. Los dispositivos operan en un ciclo mecánico pero no en n ciclo termodinámico, ya que el fluido de trabajo no se somete a un ciclo completo. En lugar de que se enfríen a su temperatura inicial, los gases g ases de escape se evacuan y sustituyen por una mezcla de aire puro y de combustible al final del ciclo. El dispositivo productor de trabajo que mejor encaje en la definición de maquina térmica es la central eléctrica de vapor que es una máquina de combustión externa. El proceso de combustión sucede fuera de la máquina y la energía térmica liberada durante este proceso se trasfiere al vapor como calor

Figura 3. Representación de una máquina térmica

 

 

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2.3 Entropía La entropía es una función termodinámica del estado. En un proceso reversible, el cambio en la entropía de un sistema lo determina Clausius Emanuel con su ecuaci6n:

Δ Q= calor suministrado al sistema (joules) ΔS= cambio de entropia

T = temperatura °K La entropía de un sistema cerrado no puede disminuir nunca. nun ca. La entropía puede permanecer constante 'proceso reversible' o aumentar 'proceso irreversible'." La entropía de un estado se relaciona con W (número de micro estados que abarca un macro estado particular), y también la irreversibilidad de un proceso por medio de la expresión deducida por Boltzamann Luwing, siendo esta:

K = constante de Boltzamann (teoría cinética de los gases) W == número de micro estados que abarca un macro estado de la entropía S= entropía

 

 

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2.3.1 Reversibilidad Los procesos reversibles son procesos ideales. Un proceso reversible para un sistema se define como un proceso que una vez efectuado puede revertirse y no producir ningún cambio en el sistema o en los alrededores. Un proceso reversible, o ciclo reversible si el  proceso es cíclico, puede revertirse mediante cambios camb ios infinitesimales en alguna propiedad del sistema sin que existan pérdidas o disipación de energía. Debido a los cambios infinitesimales, el sistema puede considerarse en reposo durante el proceso. Como este tipo de procesos tomarían un tiempo infinito para llevarse a cabo, un proceso perfectamente reversible es imposible. Es decir, tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles. »Es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un proceso, sin importar si éste es reversible o irreversible. Pero para procesos reversibles, esta restauración se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores, mientras que para procesos irreversibles los alrededores normalmente hacen algún trabajo sobre el sistema, por lo tanto no vuelven a su estado original. ¤Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, sólo son idealizaciones de procesos reales. Los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles. ¤Quizá nunca se tenga un proceso reversible, pero es  posible aproximarse. A medida que se tiend tiendee ha hacia cia un proceso reversible, un dispositivo d ispositivo

 

 

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entrega el mayor trabajo posible y consume el menor trabajo. ¤El concepto de proceso reversible conduce a la definición de eficiencia según la segunda ley para procesos reales, que es el grado de aproximación al proceso reversible reve rsible correspondiente. Mientras mejor sea el diseño, menores son las irreversibilidades y mayor es la eficiencia según la segunda ley

2.3.2 irreversibilidad Un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial después de que el proceso tuvo lugar. Un proceso que involucra la transferencia de calor espontánea de un cuerpo caliente a otro de menor temperatura es irreversible. Si no fuese así, sería posible regresar esta energía desde el cuerpo de menor temperatura hacia el cuerpo caliente sin ningún efecto sobre los dos cuerpos o en sus alrededores. Además del  proceso de transferencia de calor espontánea, otros procesos que ocurren de manera espontánea en la naturaleza son irreversibles. Existen otros efectos que hacen que un proceso sea irreversible. En general, los procesos irreversibles incluyen una o más de las siguientes irreversibilidades: 1.  Transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperaturas. 2.  Expansión irrestricta de un gas o líquido a una presión más baja. 3.  Reacción química espontánea. 4.  Fricción. 5.  Mezcla de sustancias. 6.  Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia. 7.  Deformaciones inelásticas. 8.  Magnetización o polarización con histéresis.

 

 

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Aunque en la lista no se incluyen todos los procesos, se observa la tendencia de que todos los procesos reales son irreversibles. El término irreversibilidad es utilizado para identificar a cualquiera de estos efectos. En un sistema que pasa por un proceso, las irreversibilidades  pueden ocurrir dentro del sistema o en sus alrededores. Cuando las irreversibilidades suceden dentro del sistema se denominan irreversibilidades internas. Cuando se dan en los alrededores se conocen como irreversibilidades externas.   Fricción

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Cuando dos cuerpos en contacto están obligados a moverse uno respecto del otro, se genera una fuerza de fricción en la interfaz de los cuerpos que se opone al movimiento y se requiere cierto trabajo para superarla. sup erarla. Cuando se invierte la dirección dire cción del movimiento la interfaz no se enfriará y el calor no se convertirá de nuevo en trabajo, por lo que el sistema (cuerpos en movimiento) y los alrededores no regresarán a su estado original; por lo tanto es proceso es irreversible. La fricción no siempre implica dos cuerpos sólidos en contacto, también puede aparecer entre un fluido y un sólido e incluso, entre las capas de un fluido que se mueven a distintas velocidades. 

  Expansión irrestricta de un gas o líquido a una presión más baja.

Se puede demostrar sin dificultad que la cantidad de calor transferida del gas es igual a la cantidad de trabajo que los alrededores realizan sobre el gas. La restauración de los alrededores requiere convertir por completo este calor ca lor en trabajo, lo cual violaría lasegunda ley.

Figura 4. Proceso de expansión

 

 

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  Transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperaturas.

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Una transferencia de calor se da cuando existe una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores, a medida que esa diferencia se hace cero el proceso es reversible. Si se tiene un sistema formado por un cuerpo de alta temperatura y otro de baja temperatura, la transferencia se da del cuerpo de alta al de baja temperatura, invertir el proceso requiere trabajo y calor del entorno, lo cual imposible de hacer sin violar v iolar la segunda ley. Como sólo el sistema, y no él y los alrededores, pueden regresar a su condición con dición inicial, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita es un proceso irreversible.

Figura 5. Proceso de Transferencia de Calor Irreversible

 

 

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3. Ejercicios Una máquina térmica funciona entre 1000°R y 500°R, y produce 5000 pie·lbf de energía. Si su eficiencia térmica es 35%, calcular el cambio total de entropía, e indicar ssii la máquina viola la segunda ley de la termodinámica. Solución Como el trabajo neto y la eficiencia térmica son datos, para determinar el calor agregado:

Se determina el calor rechazado

 

 

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A) Calcular la eficiencia de una máquina que usa 2000 J de calor durante la fase de combustión y pierde 1500 J por escape y por fricción.  b) Si otra máquina tien tienee una eficiencia de 20% y pierde 3000 J de calor por fricción, calcular el trabajo que realiza.

 

 

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4. Anexos

Figura 1. Libro de termodinámica

Figura 2. Segunda ley de termodinámica

figura 3 . depósito de energía térmica

figura 4. Maquinas termicas

 

 

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5. Lista de referencias   Termodinámica, José Alfredo Jiménez Bernal , and Claudia del Carmen Gutiérrez

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Torres, ( 2014) Editorial patria   Principios de termodinámica, termodinámica, Rodolfo Alvarado García (2010), editorial Instituto

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Politécnico Nacional   Termodinámica, Nieto Carlier, C. González Fernández, and I. López Paniagua,

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editorial Dextra (2014)   Termodinámica para ingenieros, Juan Barbosa Saldaña and Claudia Gutiérrez

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Torres, Grupo Editorial Patria, (2015)