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.Ramírez-Navas
Termodinámica
IQ Juan Sebastián Ramírez-Navas, PhD
Universidad Santiago de Cali
Cali – Colombia
2ª Ley de la Termo
IQ Juan Sebastián Ramírez-Navas, PhD
Universidad Santiago de CaliCali – Colombia
CONTENIDO
Termo
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Contenido
2ª Ley de la Termo
Bibliografía recomendada
INTRODUCCIÓN
Termo
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Introducción
CalorCafé
caliente
Una taza de café calienteno se pondrá más aliente
en un cuarto más frío
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Introducción
Calor
La transferencia de calor a
un alambre no generará
electricidad
jsrn
Introducción
Calor
La transferencia de calor a
una hélice no ocasionará
que ésta gire
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Introducción
•Ingeniero francés pionero en elestudio de la Termodinámica. Sele reconoce hoy como elfundador de la Termodinámica.
• En 1824 publicó su obramaestra: "Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego ysobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia",donde expuso las ideas quedarían forma al segundo
principio de la termodinámica.Nicolas Léonard Sadi Carnot
(1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832)
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Introducción
• El libro de Carnot indicaba que para que unamáquina térmica produjera trabajo mecánico
continuo, debía intercambiar calor con dos cuerposa diferentes temperaturas, absorbiendo calor del
cuerpo caliente y transfiriéndolo al cuerpo frío.
• Sin un cuerpo frío al que se transfiera calor, lamáquina no puede funcionar continuamente. Esta esla idea esencial de una de las formas de la segundaley de la termodinámica.
jsrn
Introducción
• Los proceso toman su curso
en cierta dirección y no en la
dirección inversa.
• La primera ley no restringe la
dirección de un proceso, pero
satisfacerla no asegura que el
proceso ocurrirá realmente.
UN SENTIDO
jsrn
Introducción
•
La incapacidad de la primera ley de identificar si unproceso puede llevarse a cabo es remediado al
introducir la segunda ley de la termodinámica.
• La 2ª ley afirma que la energía tiene calidad, así
como cantidad.
• La 1ª ley tiene que ver con la cantidad y la
transformación de la energía de una forma a otra sin
importar su calidad
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Introducción
• Hay varios enunciados equivalentes de la 2ª ley. Por
ejemplo el enunciado de Clausius:
• «Es imposible que un sistema realice un proceso
cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor
hacia el sistema desde una fuente fría y el flujo de
una cantidad igual de calor desde el sistema hacia
una fuente caliente».
jsrn
Introducción
• Un enunciado alternativo de la segunda ley es el de
Kelvin-Planck, debido originalmente a William
Thomson y más tarde reformulado por Planck:
• «Es imposible que un sistema realice un proceso
cíclico cuyos únicos efectos sean el flujo de calor
desde una fuente de calor al sistema, y la
realización por el sistema de una cantidad de
trabajo equivalente sobre el entorno».
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Introducción
• Entendemos por fuente de calor o baño de calor uncuerpo que está en equilibrio interno a una
temperatura constante y que es suficientementegrande como para que el flujo de calor entre él y elsistema no cause un cambio significativo en latemperatura de la fuente.
• La segunda ley dice que es imposible construir unamáquina cíclica que convierta calor en trabajo conun 100% de rendimiento.
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MÁQUINASTÉRMICAS
Termo
jsrn
Máquinas térmicas
Agua Agua
Calor
Calor
Trabaja No trabaja
jsrn
Máquinas térmicas
• El trabajo es convertible en calor directa ycompletamente, pero convertir el calor a trabajo
requiere el uso de algunos dispositivos especiales.Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.
• Los químicos muestran en general poco interés porlas máquinas térmicas, pero nuestro estudio es partede una cadena de razonamientos que conducirá alcriterio para determinar la posición del equilibrioquímico en un sistema.
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Máquinas térmicas
• Una máquina térmica convierte parte de la energía
molecular aleatoria de las moléculas de un flujo
calorífico en energía mecánica macroscópica
(trabajo).
• La sustancia de trabajo (por ejemplo, el vapor en
una máquina de vapor) se calienta en un cilindro, y
al expandirse mueve un pistón, produciendo de esta
forma trabajo mecánico.
jsrn
Máquinas térmicas
Si la máquina funciona continuamente, la sustancia de
trabajo tiene que enfriarse de nuevo hasta recuperar
su estado original, y el pistón debe volver a suposición inicial antes de que se pueda calentar la
sustancia de trabajo de nuevo y obtener otra
expansión que produzca trabajo. Por tanto la sustancia
de trabajo sigue un proceso cíclico.
jsrn
Máquinas térmicas
• Las máquinas térmicas difieren
considerablemente unas de otras,aunque todas se caracterizan porlo siguiente: – Reciben calor de una fuente de alta
temperatura (energía solar, hornosde petróleo, reactores nucleares,etc.)
– Convierten parte de este calor entrabajo
– Liberan el calor de desechoremanente en un sumidero de bajatemperatura (la atmósfera, ríos, etc.)
– Operan en un ciclo.
Q en
Energía térmica
FUENTE
Energía térmica
SUMIDERO
Q sal
MÁQUINATÉRMICA
Wneto, sal
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Máquinas térmicas
• Las máquinas térmicas yotros dispositivos cíclicos
suelen incluir un fluido al ydesde el cual el calor se
transfiere mientras se sometea un ciclo. Este fluido recibeel nombre de fluido detrabajo.
• El trabajo neto puededeterminarse a partir de los
datos de transferencia decalor.
jsrn
Máquinas térmicas
• Recuerde que para que un sistema cerrado que se
somete a un ciclo el cambio de energía internaΔU es
cero y, por ello, la salida de trabajo neto del sistema
también es igual a la transferencia neta al sistema
,neto sal en sal W Q Q
EFICIENCIATÉRMICA
Termo
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Eficiencia térmica
• La salida de trabajo neto de una máquina térmica
siempre es menor que la cantidad de entrada de
calor. Sólo la parte de calor transferida a la máquina
térmica se convierte en trabajo.
• La fracción de la entrada de calor que se convierte
en la salida de trabajo neto es una medida del
rendimiento de una máquina térmica y recibe el
nombre de eficiencia térmica ηt.
jsrn
Eficiencia térmica
• El rendimiento o eficiencia, en general, puede
expresarse en términos de la salida deseada y de la
entrada requerida como:
Rendimiento salida deseada
entrada requerida
jsrn
Eficiencia térmica
Eficiencia térmica salida de trabajo neto
entrada de trabajo neto
,
,
1
neto sal
t
en
neto sal en sal
sal t
en
W
Q
W Q Q
Q
Q
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Eficiencia térmica
1 2
100 kJ
20 kJ 30 kJ
80 kJ 70 kJ
100 kJ
t t
jsrn
Máquinas térmicas
• Los dispositivos cíclicos de interéspráctico, operan entre un mediode alta temperatura (depósito) aTH y un medio de bajatemperatura a TL.
• Por lo tanto:
– Q H es la magnitud de la transferenciade calor entre un dispositivo cíclico yun medio a TH
– Q L es la magnitud de la transferenciade calor entre un dispositivo cíclico yun medio a TL
Q H
Dispositivo de alta
Temperatura a TH
Dispositivo de alta
Temperatura a TL
Q L
MÁQUINATÉRMICA
Wneto, sal
,
,
1
neto sal
t
H
neto sal H L
Lt
H
W
Q
W Q Q
Q
Q
REFRIGERADORESY BOMBAS DE CALOR
Termo
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Refrigeradores
• En la naturaleza el calor fluye en la dirección de la
temperatura decreciente, de medios de alta T a
medios de baja T.
• El proceso inverso no puede ocurrir por sí solo.
• La transferencia de calor de un medio de baja T a
uno de alta T requiere dispositivos especiales
llamados refrigeradores .
jsrn
Refrigeradores
• Los refrigeradores, como máquinas térmicas, son
dispositivos cíclicos.
• 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 porcompresión de vapor.
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Condensador
Evaporador
Válvula deexpansión
Compresor
Espaciorefrigerado
Medio circundante comoel aire de la cocina
Wneto, sal
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Refrigeradores
• Coeficiente de operación
– La eficiencia de un
refrigerador se expresa entérminos de COPR.
,
L R
neto en
L R
H L
QCOP
W
QCOP
Q Q
Q H
Ambiente caliente
a TH > TL
Espacio refrigerado frío
a TL
Q L
Refrigerador Wneto, sal
Entrada
requerida
Salida
deseada
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Bombas de calor
• El objetivo de una bomba de calor es mantener un
espacio calentado a alta temperatura. Lo cual
consigue al absorber el calor de una fuente de baja
temperatura como el agua de un pozo o el frío del
aire exterior del invierno y suministrándolo a un
medio de alta temperatura como una casa
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Bombas de calor
• Coeficiente de operación
– La eficiencia de un
refrigerador se expresa en
términos de COPBC.
,
H BC
neto en
H BC
H L
QCOP
W
QCOP
Q Q
Q H
Espacio calentado más
caliente a TH > TL
Ambiente frío a TL
Q L
Bomba decalor
Wneto, sal
Entrada
requerida
Salida
deseada
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• El rendimiento de los
refrigeradores y de los
acondicionadores de aire seexpresan en términos del
coeficiente de eficiencia
energética (CEE), que es la
cantidad de calor tomada
de un espacio enfriado en
Btu por Wh (watt-hora) de
electricidad consumida.
• Si se considera que 1kWh =
3412 Btu entonces 1Wh =
3,412 Btu.
• Una unidad que extrae 1
kHh de calor del espacio
enfriado por cada kWh de
electricidad que consumo
(COP = 1) tendrá un CEE de
3,412
1
3.412
BC R
R
COP COP
CEE COP
BIBLIOGRAFÍA
Termo
Bibliografía
• Libros – ROMO, L. y CRIOLLO, R. Tratado de Termodinámica Química,
Ed. Univ., 1996.
– LEVINE, I.N. Physical chemistry. McGraw-Hill, 2008. 989 p.
– ÇENGEL, Y. Termodinámica. McGraw-Hill Interamericana deEspaña S.L., 2012. 1009 p.
– LEVENSPIEL, O. Fundamentos de Termodinámica. Prentice-Hall, 1997. 362 p.
– MAHAN, B.H. Termodinámica química elemental. Reverté,1987. 150 p.
– MOVILLA, J.L. Temodinámica química. Universitat Jaume I,Servei de Comunicació i Publicacions, 2005. 336 p.
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Bibliografía
• Bases de datos
– ScienceDirect
– SpringerLink
– Wiley Online
– Acs
• Revistas – The Journal of Chemical Thermodynamics
– Journal of Thermodynamics
– International Journal of Thermodynamics
– Journal of Thermodynamics & Catalysis
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