Maquinas Termicas

Segunda Ley de la Termodinámica

Segundo principio de la termodinámica

El segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica, expresa que: La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio. Toda definición, o concepto que de él se extraiga sólo podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros tales como la temperatura o la propia entropía quedarán definidos únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era cerrado, su energía y cantidad de materia no han podido variar; si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe aumentar exponencialmente.

Aplicado este concepto a un fenómeno de la naturaleza como por ejemplo la vida de las estrellas, las mismas, al convertir el hidrógeno, su combustible principal, en helio generan luz y calor. Al fusionar los núcleos de hidrógeno en su interior la estrella libera la energía suficiente para producirlos a esa intensidad; sin embargo, cuando intenta fusionar los núcleos de Helio no consigue liberar la misma cantidad de energía que obtenía cuando fusionaba los núcleos de hidrógeno. Cada vez que la estrella fusiona los núcleos de un elemento obtiene otro que le es más inútil para obtener energía y por ende la estrella muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atrás ya no servirá para generar otra estrella. Es así como el segundo principio de la termodinámica se ha utilizado para explicar el fin del universo.

Esta ley, en combinación con la primera ley de la termodinámica, pronostica la dirección que siguen los procesos naturales y las situaciones de equilibrio. 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.

Los procesos de combustión son la principal fuente de energía del mundo moderno, son un ejemplo de la destrucción de la calidad de la energía. En estos procesos el sentido natural es aquel en el que el combustible se transforma en dióxido de carbono y agua, el sentido contrario no es natural. La segunda ley de la termodinámica aporta los fundamentos que permiten predecir cuándo un proceso es o no natural. En los procesos cíclicos naturales que en su gran mayoría son isotérmicos e irreversibles no se puede esperar una producción de trabajo, ya que en estos procesos se destruye trabajo.

Máquinas Térmicas

El Trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.

Las Máquinas Térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas a todas mediante:

 Reciben calor de una fuente a temperatura alta(energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear,etc).

 Convierten parte de este calor en trabajo ( por lo general en la forma de una flecha giratoria).

 Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos,etc).

 Operan en un ciclo.

Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo comun requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un cíclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo.

El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una máquina térmica es la central eléctrica de vapor, la cual es una máquina de combustión externa, es decir, la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina y la energía liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor.

Esquema de una central eléctrica de vapor

Las distintas cantidades mostradas en esta figura son:

Qentrada: cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta (horno)

Qsalida: cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etc)

Wsalida: cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina.

Wentrada: cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la caldera.

Observe que las direcciones de las interacciones de calor y trabajo se indican mediante los subíndices entrada y salida. Por lo tanto, las cuatro cantidades descritas son positivas siempre.

La salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total:

Wneto,salida= Wsalida – Wentrada (KJ)

Eficiencia Térmica

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:

Refrigeradores

El calor se transfiere en la dirección de temperatura decreciente, es decir, desde medios a temperatura alta hacia los de temperatura baja. Este proceso de transferencia de calor ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por sí mismo. La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores.

Los refrigeradores son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se denomina refrigerante. El ciclo de refrigeración que se utiliza con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión por vapor, en el que intervienen cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador.

Componentes básicos de un sistema de refrigeración y sus condiciones de operación características.

El refrigerante entra al compresor como vapor y se comprime hasta la presión del condensador, posteriormente sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa a medida que fluye por los serpentines del condensador rechazando calor al medio circundante. Después entra al tubo capilar donde su presión y temperatura caen de forma drástica debido al efecto de estrangulamiento. Luego, el refrigerante a temperatura baja entra al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor.

En un refrigerador doméstico, el compartimiento del congelador donde el refrigerante absorve calor sirve como evaporador, mientras que el serpentín situado comúnmente detrás del refrigerador, donde el calor se disipa hacia el aire de la cocina, sirve como condensador.

Esquema de un Refrigerador.El objetivo de un refrigerador es eliminar QL de un espacio enfriado.

Aquí, QL es la magnitud del calor eliminado del espacio refrigerado a temperatura TL, QH es la magnitud del calor rechazado hacia el medio caliente a temperatura TH y Wneto,entrada es la entrada de trabajo neto al refrigerador. QL Y QH representan magnitudes, por lo tanto son cantidades positivas.

Coeficiente de desempeño

La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP, siglas de coefficient of performance), el cual se denota mediante COPR. el objetivo de un refrigerador es eliminar calor (QL) del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo de Wneto,entrada. Entonces, el COP de un refrigerador se puede expresar como:

Reversibilidad e irreversibilidad

Los procesos reales se producen en una dirección preferente. Es así como el calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más cálido a otro más frío, pero el proceso inverso sólo se puede lograr con alguna influencia externa. Cuando un bloque desliza sobre una superficie, finalmente se detendrá. La energía mecánica del bloque se transforma en energía interna del bloque y de la superficie.

Estos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles:

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