Segunda ley de termodinamica

Abstract: En las siguientes líneas se desarrolla de una manera resumida y concisa la segunda ley de la termodinámica, como se define, como se desarrolla, como se aplica en nuestro día a día y como la vemos aplicada a los diferentes procesos en los que somos presentes en nuestro día a día.

En anteriores observaciones, se analizó la primera ley de la termodinámica sobre la conservación de la energía. Ante la mirada de esta primera ley la dirección del proceso no tiene incidencia en el fenómeno que se esté analizando ni tampoco la calidad de la energía involucrada, dando así pasó, a fenómenos teóricamente validos para esta ley pero que en realidad no son posibles; un ejemplo a considerar es que una taza de café caliente no se pondría más caliente en una habitación más fría , no rompería la primera ley de la termodinámica siempre cuando la cantidad de las transferencias de calor sea el mismo pero si viola la segunda ley de la termodinámica que enuncia que los procesos ocurren en una sola dirección. La segunda ley de la termodinámica se encarga de identificar la dirección de los procesos para que sucedan en realidad, además, establece que la energía tiene calidad y cantidad.

En los procesos de ingeniería se tiende a buscar la perfección para mayor beneficio, la segunda ley se le relaciona con la perfección puesto que pone los limites teóricos del desempeño de sistemas usados como aires acondicionados y refrigeradores.

Para el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica se requiere un elemento llamado depósito de energía térmica que permita almacenar energía sin tener un cambio en su temperatura con la capacidad de absorber o suministrar energía en forma de calor ; no se pone un mínimo de tamaño de los depósitos ni su naturaleza, un cuerpo grande como el mar es un depósito, también lo serán el aire de una cocina donde se encuentra electrodomésticos y un horno industrial. Las características de absorción y suministro de calor nos permiten clasificar en dos

los depósitos de energía térmica, si suministra se designa fuente y si absorbe se designa sumidero.

Se conoce que naturalmente el trabajo se transforma en calor, pero la dirección de este proceso no se puede cambiar, es decir, el calor no se puede transformar en trabajo. Esta situación resulta ser un inconveniente practico, una solución para invertir el proceso es hacer uso de máquinas térmicas que pueden funcionar de dos maneras: conteniendo ciclos o sin ellos, en el primer escenario las maquinas requieren un fluido de trabajo .

La central eléctrica de vapor fue muy usada desde su invención en la revolución industrial, esta es una maquina de combustión externa que genera trabajo y transfiere calor liberado al vapor. Para determinar la cantidad de trabajo expresada en kilojulios (kJ) que esta produce deben entrar y salir cuatro unidades de energía: dos en forma de calor y dos en forma de trabajo, generando así, la ecuación: Wneto, salida = Wsalida - Wentrada . Esta central se puede considerar tanto como sistema abierto o cerrado, sin embargo al tener en cuenta las tuberías de conexión que contienen el mismo fluido y el vapor que podría salir del salir del sistemas se clasifica como sistema cerrado donde el cambio de energía es cero, en consecuencia, tenemos una nueva ecuación de trabajo que depende de la transferencia de calor: Wneto,salida = Qentrada -Qsalida.

Al desarrollar un dispositivo se busca que tenga el mayor rendimiento con la mínima cantidad de recursos posibles, en el caso de las máquinas térmicas es imposible que toda la energía consumida se convierta en trabajo neto al final del ciclo, además que parte de ella termina siendo contaminación ambiental puesto que la energía que se expulsa del ciclo termina en depósitos de energía térmica como ríos, océanos y lagos; nace así una medida que permite a los ingenieros medir la eficiencia de las maquinas térmicas. La eficiencia térmica mide la porción del calor entrante que se convierte en trabajo y la ecuación correspondiente es: Eficiencia termica= (Salida de trabajo neto)/(Entrada de calor toral) que se puede expresar de dos formas: n_ter=W_(neto,salida)/Q_entrada o n_ter=1-Q_salida/Q_entrada . Se debe tener claro que el trabajo neto siempre es menor que la cantidad de calor que ingresa, sin embargo, para generar una unificación de dispositivos cíclicos térmicos, se tiene en cuenta que estos siempre trabajan en medio de dos medios: uno de alta temperatura TH que hace el papel de depósito (concepto definido anteriormente) y otro de baja temperatura TL que lo hace de sumidero dando así paso a la definición de dos cantidades: QH y QL , que corresponden a la magnitud de la transferencia de calor del dispositivo al medio TH y TL respectivamente, generando una nueva manera de representar la ecuación de eficiencia térmica: n_ter=W_(neto,salida)/Q_H o n_ter= 1-Q_L/Q_H .

De acuerdo con el análisis anterior de la eficiencia de las maquinas térmicas hecho, ninguna de ellas podrá tener una eficiencia del 100%, esta afirmación el primer enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica: “Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo”.

Recordemos que naturalmente la transferencia de calor se da entre un medio de alta temperatura hacia uno de baja temperatura y el proceso inverso debe hacerse mediante algún dispositivo, en este caso el refrigerador hace este proceso de manera cíclica mediante un refrigerante como flujo de trabajo; el objetivo del dispositivo es remover calor del espacio refrigerado. El ciclo de refrigeración mas usado es el de refrigeración por compresión por vapor que tiene 4 partes principales: comprensor, condensador, válvula de expansión y evaporador que interactúan en el ciclo que al final debe completarse cuando el refrigerante sale de evaporador y vuelve al comprensor. La transferencia de calor en el refrigerador se da desde el espacio refrigerado de temperatura baja hacia un espacio con temperatura mayor como el aire de la cocina, el cual es expulsado después de fluir por en condensador. Así, se da la necesidad de medir la eficiencia del refrigerador, la cual se realiza mediante el coeficiente de desempeño COPR cuya ecuación es: 〖COP〗_(R )= (Salida deseada)/(Entrada requerida)=Q_L/W_(neto,salida) que también se puede expresar: 〖COP〗_R=1/(Q_L⁄Q_H -1) basándose en el principio de la conservación de la energía de un ciclo.

El dispositivo equivalente al refrigerador es la bomba de calor la cual difiere en su objetivo pues es mantener un espacio caliente a una temperatura alta absorbiendo calor de un espacio con temperatura menor, puesto que, si se coloca el refrigerador con las puertas abiertas hacia la

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