Segunda ley de la termodinámica

 

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

        La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica.

        El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. DEFINICIONES CLÁSICAS

Definición de Kelvin-Planck

“Es imposible construir un aparato que opere ciclicamente, cuyo único efecto sea absorver calor de una fuente de temperatura  y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.

Fig. 2.19.Ilustración del enunciado de Kelvin Planck

Definición de Clausius

“Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”.

 

Fig. 2.20. Ilustración del enunciado de Clausius.

MÁQUINA TÉRMICA

      

        Es un aparato que opera  continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta temperatura a otra de temperatura baja.

        La máquina térmica permite obtener un sistema que opera en un ciclo con un trabajo positivo y una transmisión de calor positiva.

     

Fig. 2.21. Máquina Térmica.

La Figura 2.21 corresponde a un esquema de la central eléctrica de vapor la cual se encaja en la definición de máquina térmica. El esquema es bastante simplificado y el estudio de las centrales eléctricas de vapor reales, se estudia en el punto correspondiente al ciclo Rankine. Las diferentes cantidades que muestra la Figura 2.21 son:

Q_H:    cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera desde una fuente de alta temperatura (quemador de la caldera)

Q_L:    cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura (agua de enfriamiento)

W_T:    cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina.

W_B:    cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera.

EFICIENCIA TÉRMICA

        Es la medida del rendimiento de una máquina térmica y se define como la relación entre el trabajo neto obtenido y el calor suministrado al fluido de trabajo

                                                           

     

como la suma de los calores es igual a la suma de los trabajos para un sistema que efectúa un ciclo, el trabajo neto se puede expresar como:

                                                                                    

   

                                                                

MÁQUINA FRIGORÍFICA

        Es un aparato que opera continuamente o cíclicamente, requiere trabajo y lleva a cabo el objetivo de transferir calor desde un cuerpo de baja temperatura a otro de temperatura mayor. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador, como se muestra en la Figura 2.22. La máquina frigorífica puede trabajar como un refrigerador o como una bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor operan en el mismo ciclo, aunque difieren en objetivos. El objetivo del refrigerador es mantener el espacio refrigerado a baja temperatura quitándole calor. La descarga de este calor a un medio de mayor temperatura es tan sólo una parte de la operación, no el propósito. El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio caliente a alta temperatura. Esto se consigue al absorber el calor de una fuente de baja temperatura, como el frío aire exterior, y suministrarlo a un medio de alta temperatura como una casa.

                                                                              

                                                                                                               

        

Fig. 2.22. Máquina de Refrigeración.

COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO

        La eficiencia de una máquina frigorífica se mide con el coeficiente de funcionamiento que viene a ser el equivalente del rendimiento térmico en una máquina térmica. Para un refrigerador el coeficiente de funcionamiento b  viene expresado por

                                                                                                                                                   

Para una bomba de calor, el coeficiente de funcionamiento b  viene expresado por

                                                                                                                                             

Es importante denotar que en un refrigerador el calor de interés es Q_Lya que éste es el que se extrae para enfriar un espacio. En una bomba de calor, el calor de interés es el Q_H ya que éste es el que se rechaza para calentar un espacio.

Tomado de: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm