Ing. M.Sc. MARCO ANTONIO ARDILA BARRAGAN

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

ESCUELA DE INGENIERIA METALURGICA

TUNJA 2015

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

CONTENIDO

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• Introducción a la segunda ley

• Depósitos de energía térmica

• Máquinas térmicas

• Refrigeradores y bombas de calor

• Máquinas de movimiento perpetuo

• Procesos reversibles e irreversibles

• El ciclo de Carnot

• Escala termodinámica de temperatura

• La máquina térmica de Carnot

• La bomba de calor

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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La segunda ley de la termodinámica se usa también para determinar los límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como máquinas térmicas y refrigeradores, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas.

Afirma: • Los procesos ocurren en cierta

dirección

• La energía tiene calidad y cantidad. • • Un proceso no puede tener lugar a

menos que satisfaga tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica.

“el calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frío a un objeto caliente”

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Entropía (R. J. Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius). • Medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo

• Medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción.

A partir de la segunda ley de la termodinámica se establece la imposibilidad de convertir totalmente una cantidad de calor (energía de baja calidad) en trabajo (energía de máxima calidad). Lo anterior puede resumirse así: “la calidad de la energía se destruye en los procesos con flujo de calor, lo cual esta en concordancia con el principio del aumento de entropía del universo: dS > 0.

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DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA

Cuerpo hipotético con capacidad de energía térmica relativamente grande (masa calor específico), que suministra o absorbe cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura.

Atmósfera Sumidero?

Sol Fuente

Tierra Sumidero?

Tierra Fuente?

El manejo irresponsable de la energía de desecho puede incrementar de manera importante la temperatura del ambiente en algunas de sus porciones, lo cual causa contaminación térmica.

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Máquinas térmicas

Dispositivos para convertir el calor en trabajo. Se caracterizan por: 1. Reciben calor de una fuente a

temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera).

2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria). 3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera). 4. Operan en un ciclo.

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Fluido de trabajo. Fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo de trabajo.

Las máquinas 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 (los gases de combustión) no experimenta un ciclo completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los gases de escape se purgan y se reemplazan por una mezcla fresca de aire y combustible al final de ciclo.

Central eléctrica de vapor. El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una máquina térmica es,

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Eficiencia térmica (nter)

Fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica.

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Dispositivos cíclicos como máquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, operan entre un medio de alta temperatura (o depósito) a temperatura TH , y otro de baja temperatura (o depósito) a temperatura TL. QH es la magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TH

QL es la magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura TL

El trabajo neto y las relaciones de eficiencia térmica para cualquier máquina térmica se pueden expresar como:

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Tasa de consumo de combustible de un automóvil

Un motor de automóvil con una salida de potencia de 65 hp tiene una eficiencia térmica de 24 por ciento. Determine la tasa de consumo de combustible de este automóvil si el combustible tiene un poder calórico de 19 000 Btu/lbm (es decir, 19 000 Btu de energía se liberan por cada lbm de combustible quemado).

Ejercicio de aplicación Calcular la tasa de consumo de combustible de un motor de combustión, cuya potencia de salida es de 50 hp y la eficiencia de 27%. El poder calorífico bajo del combustible, es de 15 500 Btu/lbm.

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Fuente: [1]

Ejercicios de aplicación 1- Una planta eléctrica de carbón produce una potencia neta de 300 MW con una eficiencia térmica total de 32 por ciento. La relación real gravimétrica aire-combustible en el horno se calcula que es 12 kg aire/kg de combustible. El poder calorífico del carbón es 28,000 kJ/kg. Determine a) la cantidad de carbón que se consume durante un periodo de 24 horas y b) la tasa de aire que fluye a través del horno. Respuestas: a) 2.89 106 kg; b) 402 kg/s

2- Una máquina térmica que bombea agua para extraerla de una mina subterránea acepta 700 kJ de calor y produce 250 kJ de trabajo. ¿Cuánto calor rechaza, en kJ? 3- Una planta termoeléctrica con una generación de potencia de 150 MW consume carbón a razón de 60 toneladas/h. Si el poder calorífico del carbón es 30,000 kJ/kg, determine la eficiencia total de esta planta. Respuesta: 30.0 %

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