2 Ley

Física Térmica 2004

Segunda Ley de la Termo diná mica
Gonzalo Abal - - abril 2004 versión corregida – abril 2005: Agrade zco a Leonardo Rosés la revisión de éste material - - G.A.

1.Formulación Histórica
a) Necesidad de la Segunda Ley
• •

Ejemplo: T de calor entre diferencia finita de T Ejemplo: ciclo de refrigeración

b) Formulación de Kelvin- Planck
• •

Definiciones: máquinatérmica, eficiencia tér mica Formulación de la segunda ley

c) Formulación de Clausius
• • •

Definiciones: refrigerador, bomba de calor, COP's Formulación de la segunda ley Equivalencia con form ulación de KP

2. Reversibilidad e irreversibilidad
a) Procesos reversibles
•

Concepto General

b) Procesos irreversibles
•

Ejemplos varios con irreversibilidades externa e interna.

c)Una máquina térmica reversible: el Ciclo de Carnot
• •

Ejemplo con gas ideal: cálculo directo de eficiencia de carnot Corolarios de carnot 1. La eficiencia de Carnot es la máxima posible. 2. Toda máquina térmica reversible opera con eficiencia de Carnot.

•

Rendimient o real de una máquina térmica reversible.

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1. Formulación Histórica a) Necesidad de laSegunda Ley

¿Porque necesitamos una segunda ley?
La Primera ley (conservación de la energía) pone ciertos límites a los proceso posibles, pero existen muchos procesos que la cumplen y no ocurren en la realidad.

Ejemplo 1: Transferencia de Calor a diferencia de temperatura finita. Proceso directo:

Dos bloques idénticos de hierro: (m = 1kg, c = 0.450 kJ/kgK) intercam bia n calor en un recintoaislado. El bloque A esta a 100 C y el B a 20 C. De acuer do a la primer a ley, al cabo del proceso interca m bia n 18 kJ y alcanza n la tempera t u r a común de 60 C.

A

B

 U B =m c  T B =m c 6 0−2 0= 1 8kJ  U A =m c  T A =m c 6 0−1 0 0=−1 8kJ U
AB

=0

T (C)
10 0 60 20

t iem p o

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Para el "proceso en reversa":

Los bloques se encuent ra ninicialmente a la misma tempe rat u r a (60 C) y B cede 18 kJ de calor a A, de modo que, de acuerdo a la primer a ley, A alcanza los 100 C y B se enfría hasta 20 C. Las ecuaciones de arriba siguen siendo válidas:

A

B

 U B =m c 2 0−6 0=m c  T B =−1 8kJ  U A =m c  T A =m c 1 0 0−6 0= 1 8kJ  U AB = 0

T (C) 10 0

60 t iem p o 20
Pero este tipo de procesos no tiene lugar en larealidad en forma espontá ne a . El calor fluye espontá nea m e n t e en la dirección de menor temper a tu r a . La primera ley no es suficiente para discriminar entre los proceso reales y los virtuales.

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Ejemplo 2: Ciclo de Refrigeración

En clase se discutió el siguiente

ciclo de refrigeración:

qe
3
evap orad or

2

w
4

válvu la is en t álp ica cond en s ad or

1

- qc
1 1' 2 3 4 1500 1250 268 268 1500 32 32 - 12 - 12 110 0,00169 0,07360 0,45050 0,11730 332,6 332,6 1429,5 1675,4

q e = h 3− h 2=1 0 9 6 , 9 kJ /k g q c = h 1− h 4=−1 3 4 2 , 8 kJ /k g w = h 4− h 3=−2 4 6 kJ /k g x liq. s/co m p. 0 0,16 5,5015 5,5015 1 vapor s/calent.

estado P (kPa) T(C) v (m3 / k g) h (kJ/k g) s (kJ/kgK)

El ciclo transcur re en sentido antihorario (1- 2- 3- 4) y de acuerdo a la primera ley q e = 1096,9 kJ/kg, q c = - 1342,8 kJ/kgK y w = - 246 kJ/kg. El coeficiente de perfom a nce (COP) es: o, como bomba de calor: COP r = ∣q e∣ =4 , 4 5 ∣w∣

∣q ∣ COP b = c =5 , 4 5 ∣w∣

4

Física Térmica 2004 ¿Se puede, conform e a la primera ley, operar el ciclo en reversa? es decir, en sentido horario (1- 4- 3- 2- 1), invirtiendo las flechas decalor y trabajo...
o p er a, en r ever s a , com o u n a t u r b in a ad iab á t ica

- qe
3
ex- evap orad or

2

w
4

válvu la is en t álp ica

ex- con d en s ad or

1

qc

q e = h 2− h 3=−1 0 9 6 , 9 kJ /k g q c = h 4− h 1=1 3 4 2 , 8 kJ /k g w = h 4− h 3 =2 4 6 kJ /k g

Sin embargo, el proceso en la válvula es absurdo y no tiene lugar! Sabemo s que el flujo por una...