Eficiencia de La Segunda Ley de La Termodinamica

INSTITUTO TECNOLOGICO DE ORIZABA MATERIA: TERMODINAMICA TEMA: “EFICIENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA”

CATEDRATICO: MENDEZ USCANGA GENARO PRESENTAN: GARCIA ALVAREZ MISAEL PALACIOS RAMIREZ ALAN RAMIREZ GARCIA LUIS GENARO VIRGEN CASTILLO ROBERTO CARLOS

HORARIO: 8:00-9:00 HRS

Orizaba, Veracruz

12 de Diciembre de 2014

INDICE

1.1 INTRODUCCION 1.2 ANTECEDENTES 1.3 EFICIENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 1.3.1 EFICIENCIA TERMICA 1.3.2 SGUENDA LEY DE LA TERMODINAMICA: ENUNCIADO DE KELVIN1.3.3

PLANCK EFICIENCIA SEGÚN LA SEGUNDA LEY, HII

1.4 CONCLUSIONES 1.5 REFERENCIAS

INTRODUCCION

ANTECEDENTES Como conocimientos previos para poder abordar el tema de la eficiencia térmica debemos saber lo que es la segunda ley de la termodinámica, entender los conceptos de depósitos de energía, lo que son máquinas térmicas, se dará un breve repaso de estos 3 antecedentes. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía tiene calidad y cantidad, que en procesos reales estas dos propiedades tienden a disminuir conforme se desarrolla el proceso. La segunda ley de la termodinámica no solo se limita

a

identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene calidad como cantidad. Una experiencia común es que una taza de café caliente dejada en una habitación que está más fría termine por enfriarse. Este proceso satisface la primera ley de la termodinámica porque la cantidad de energía que pierde el café es igual a la cantidad que gana el aire circundante. Ahora se considera el proceso inverso; café caliente que se vuelve incluso más caliente en una habitación más fría como resultado de la transferencia de calor desde el aire. Se sabe que este proceso nunca se lleva a cabo, sin embargo, hacerlo no violaría la primera ley de la termodinámica siempre y cuando la cantidad de energía que pierde el aire sea igual a la cantidad que gane el café. En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente tener un cuerpo hipotético que posea una gran cantidad de energía que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. Un claro ejemplo de lo que se está hablando es

son los grandes cuerpos de agua, tales como océanos, lagos, ríos, manantiales, asi como el aire atmosférico, etc. Se pueden modelar de manera precisa como depósitos de energía térmica debido a sus grandes capacidades de almacenaje de energía o masas

térmicas.

También es posible modelar un sistema de dos fases como un depósito, ya que puede absorber y liberar grandes cantidades de calor mientras permanece a temperatura constante. Otro ejemplo de depósito de energía térmica es el horno industrial. Las temperaturas de la mayoría de los hornos se controlan con cuidado, por lo que son capaces de suministrar de una manera esencialmente isotérmica grandes cantidades de energía térmica en forma de calor. Por lo tanto, se pueden modelar como depósitos. Un cuerpo no tiene que ser considerado muy grande para referenciarlo como depósito; cualquier cuerpo físico cuya capacidad de energía térmica es grande con respecto a la cantidad de energía que suministra o absorbe se puede modelar como depósito. Un depósito que suministra energía en la forma de calor se le llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero. Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor. El trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía pero convertir otras formas de energía en trabajo no es fácil. Convertir el calor en trabajo requiere de dispositivos especiales que se llaman maquinas térmicas.

Las maquinas térmicas difieren bastante entre sí pero es posible caracterizarlas mediante: 1.- Reciben calor de una fuente a temperatura alta. 2.- Convierten parte de este calor en trabajo. 3.- Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura. 4.- Operan en un ciclo. Las maquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se le transfiera calor mientras experimenta un ciclo. A este fluido se le conoce como FLUIDO DE TRABAJO. El término maquina térmica se usa con frecuencia en un sentido más amplio que incluye dispositivos que producen trabajo que no operan en un ciclo termodinámico. Las maquinas relacionadas con la combustión interna, como las turbinas de gas y los motores de automóviles, entran en esta categoría. Estos dispositivos operan en un ciclo mecánico pero no en un ciclo termodinámico, porque el fluido de trabajo no experimenta un ciclo completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los gases de escape se purgan y se reemplaza por una mezcla fresa de aire y combustible al final del ciclo.

EFICIENCIA DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA EFICIENCIA TÉRMICA

La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica Ninguna máquina térmica convierte todo el calor que recibe en trabajo útil. Esta limitación en la eficiencia térmica de las máquinas llevó a Kelvin-Planck a expresar lo siguiente: “Es imposible construir una máquina térmica que operando en ciclos, convierta todo el calor que se le transmite en trabajo mecánico.” Es decir para mantenerse en operación una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura como con una fuente de alta temperatura y por lo tanto ninguna máquina puede tener una eficiencia térmica de 100 %. Sin embargo esta información es de poco valor, sobre todo si se quiere aprovechar esta energía en alguna máquina térmica. Lo que se necesita es saber la cantidad de energía que se puede extraer y aprovechar como trabajo útil, por ejemplo para accionar un generador; el resto de la energía, la parte que no está disponible para convertirla en trabajo, a la larga se

descartará como energía de desecho por lo que no vale la pena considerarla. Para poder conocer más afondo sobre el trabajo útil de un sistema es necesario conocer los siguientes conceptos: 

La Disponibilidad, es el trabajo útil máximo que puede obtenerse del sistema en un estado dado.



Trabajo reversible, es el trabajo útil máximo que puede obtenerse cuando un sistema es sometido a un proceso entre dos estados específicos.



Irreversibilidad, es la pérdida de trabajo potencial durante un proceso, causada por la presencia de factores tales como la fricción, la diferencia de temperaturas.



El estado muerto, es el estado al final proceso, hasta lograr el máximo trabajo, de manera que el sistema se encuentre en equilibrio termodinámico con los alrededores. Esto es a la temperatura y presión de los alrededores. Las propiedades de un sistema en el estado muerto se denotan mediante el subíndice cero: P0, T0, h0, v0, s 0 Se supone: T0 = 25 0C, P 0 = 101.3 Kpa El trabajo realizado por dispositivos que producen trabajo no siempre es del todo producido en una forma útil. Por ejemplo cuando un gas en un dispositivo de cilindro émbolo, se está expansionando, parte del trabajo realizado por el gas, se emplea en empujar el aire atmosférico fuera del camino del émbolo.

Este trabajo que no puede emplearse en ningún propósito útil, es igual a la presión atmosférica P0 por el cambio de volumen del sistema. Y se denomina trabajo de los alrededores “Wair“: Wair= P0 (v2 - v1) (K J / Kg) Wair = mP0 (V2 – V1) (K J) La diferencia entre el trabajo real “W “y el trabajo de los alrededores “Wair “recibe el nombre de “trabajo útil “Wu: Wu = W- Wair (Kj) Cuando un sistema cerrado se expande se realiza trabajo (W) y parte de este trabajo se emplea en vencer la presión atmosférica, por ello Wair representa una pérdida. La irreversibilidad podrá calcularse de acuerdo con la siguiente fórmula matemática: I= Wrev- Wu (Kj) También en un proceso totalmente reversible Wrev y Wu son idénticos y la irreversibilidad es igual a cero. La magnitud de la energía que se desperdicia con la finalidad de completar el ciclo. Pero nunca es cero; de esta manera, la salida neta de trabajo de una máquina térmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, sólo parte del calor transferido a la máquina térmica se convierte en trabajo. La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica

Para las máquinas térmicas, la salida deseada es la de trabajo neto, mientras que la entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido de trabajo. Entonces la eficiencia térmica de una máquina térmica se puede expresar como

Los dispositivos cíclicos de interés práctico como las máquinas térmicas, Salida los refrigeradores y las bombas de calor operan entre un medio de alta temperatura (o depósito) a temperatura T y otro de baja temperatura (o depósito) a temperatura T. Las eficiencias térmicas de dispositivos que producen trabajo son

relativamente

bajas.

Los

motores

ordinarios

de

automóviles de ignición por chispa tienen una eficiencia térmica de alrededor de 25 por ciento. Es decir, un motor de automóvil convierte cerca de 25 por ciento de la energía química de la gasolina en trabajo mecánico. Este número es tan alto como 40 por ciento de los motores diésel y las grandes centrales de turbinas de gas, y tan alto como 60 por ciento de las grandes centrales eléctricas que funcionan con gas y vapor. Así, incluso con las máquinas térmicas más eficientes disponibles en la actualidad, casi la mitad de la energía suministrada termina en ríos, lagos o en la atmósfera como energía de desecho o inútil En una central eléctrica de vapor, el condensador es el dispositivo donde grandes cantidades de calor de desecho se rechaza hacia ríos, lagos o la atmósfera.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK Respecto a máquinas térmicas se demostró que incluso bajo condiciones ideales una máquina de este tipo debe rechazar algo de calor hacia un depósito que se encuentra a baja temperatura con la finalidad de completar el ciclo. Es decir, ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil. Esta limitación de la eficiencia térmica de las máquinas térmicas forma la base para el enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, que se expresa como sigue: “Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo.” Es decir, una máquina térmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura así como con una fuente de temperatura alta para seguir funcionando. Observe que la imposibilidad de tener una máquina térmica con 100 por ciento de eficiencia no se debe a la fricción o a otros efectos de disipación, es una limitación que se aplica a las máquinas térmicas ideales y reales. Se desarrolla una relación para la eficiencia térmica máxima de una máquina térmica. Asimismo, se demuestra que este valor máximo depende sólo de la temperatura del depósito.

EFICIENCIA SEGÚN LA SEGUNDA LEY, HII Considere dos máquinas térmicas, ambas con una eficiencia térmica de 30 por ciento, como se muestra en la figura 8-15. Una de ellas (máquina A) es alimentada con calor de una fuente a 600 K y la otra (máquina B) con una a 1 000 K. Las dos desechan calor a un medio a 300 K y a primera vista ambas parecen convertir en trabajo la misma fracción de calor que reciben, por lo tanto se desempeñan igualmente bien. Sin embargo, cuando se les observa con detenimiento a la luz de la segunda ley de la termodinámica, notamos un escenario totalmente diferente: en el mejor de los casos, estas máquinas pueden desempeñarse como máquinas reversibles, en cuyo caso sus eficiencias serían

Ahora es evidente que la máquina B tiene un potencial de trabajo

disponible

mayor

(70

por

ciento

del

calor

proporcionado, en comparación con el 50 por ciento de la A), por lo tanto debería desempeñarse mucho mejor que la máquina A. En este ejemplo es obvio que la eficiencia según la primera ley por sí sola no es una medida realista del desempeño de los dispositivos técnicos. Para superar esta deficiencia, se define a la eficiencia según la segunda ley hII como la relación entre la eficiencia térmica real y la eficiencia térmica máxima posible (reversible) bajo las mismas condiciones

Con base en esta definición, las eficiencias según la segunda ley para las dos máquinas térmicas analizadas anteriormente son

Es decir, la máquina A convierte 60 por ciento del potencial de trabajo disponible en trabajo útil, mientras que esta proporción es sólo de 43 por ciento para la máquina B. La eficiencia según la segunda ley también puede expresarse como la relación entre las salidas de trabajo útil y la de trabajo máximo posible (reversible):

Esta definición es más general porque puede aplicarse a los procesos (en turbinas, Dispositivos de cilindro-émbolo, etc.), así como a ciclos. Observe que la eficiencia según la segunda ley no puede exceder a 100 por ciento. También podemos definir una eficiencia según la segunda ley para dispositivos no cíclicos (como compresores) y cíclicos consumidores de trabajo (como refrigeradores) como la proporción entre la entrada de trabajo mínimo (reversible) y la entrada de trabajo útil:

Para los dispositivos cíclicos como refrigeradores y bombas de calor, también es posible expresarla en términos de los coeficientes de desempeño, como

En las relaciones anteriores, el trabajo reversible Wrev debe determinarse mediante el uso de los mismos estados inicial y final que en el caso del proceso real. Las anteriores definiciones de la eficiencia según la segunda ley no pueden ser aplicadas para los dispositivos que no están destinados a producir o consumir trabajo. Por consiguiente, se necesita una definición más general; sin embargo, existe alguna discordancia en una definición general para la eficiencia según la segunda ley, por lo tanto una persona puede encontrar definiciones diferentes para el mismo dispositivo. La eficiencia según la segunda ley está ideada para servir como una medida de aproximación a la operación reversible, en consecuencia su valor debe cambiar de cero en el peor caso (destrucción completa de exergía) a 1 en el mejor (sin destrucción de exergía). Con esta perspectiva, se define aquí la eficiencia según la segunda ley de un sistema durante un proceso como.

Por consiguiente, al determinar la eficiencia según la segunda ley, primero necesitamos determinar cuánta exergía o potencial de trabajo se consume durante un proceso. En una operación reversible debemos ser capaces de recuperar completamente la exergía proporcionada durante el proceso, y la irreversibilidad en este caso debe ser cero. La eficiencia según la segunda ley es cero cuando no recuperamos exergía proporcionada al sistema. Observe que la exergía puede proporcionarse o recuperarse en diversas cantidades en

distintas formas como calor, trabajo, energía cinética, energía potencial, energía interna y entalpía. En ocasiones se suscitan opiniones diferentes (aunque válidas) acerca de lo que constituye la exergía proporcionada y esto causa diferentes definiciones para la eficiencia según la segunda ley. En todo momento, sin embargo, las exergías recuperada y destruida (irreversibilidad) deben al sumarse dar la suministrada. También, es necesario definir el sistema precisamente para identificar correctamente cualquier interacción entre el sistema y sus alrededores. Para una máquina térmica, la exergía suministrada es la disminución en la exergía del calor transferido hacia la máquina, la cual es la diferencia entre la exergía del calor suministrado y la del calor rechazado. (La exergía del calor rechazado a la temperatura de los alrededores es cero.) La salida de trabajo neto es la exergía recuperada. Para un refrigerador o bomba de calor, la exergía proporcionada es la entrada de trabajo, ya que el trabajo suministrado

a

un

dispositivo

cíclico

se

encuentra

completamente disponible. La exergía recuperada es la del calor transferido hacia el medio de alta temperatura (que es el trabajo reversible) para una bomba de calor, mientras que para un refrigerador lo es la exergía del calor transferido desde un medio de baja temperatura.

Normalmente, para un

intercambiador de calor con dos flujos de fluido no mezclados, la exergía suministrada es la disminución en la exergía del flujo de fluido a temperatura superior mientras que la recuperada es el aumento en la exergía del flujo de fluido a temperatura inferior.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS Bibliografías. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html