Las leyes de la termodinámica

Un resumen sencillo de estas leyes y de sus consecuencias

energéticas

Enrique Posada

Primera Ley de la termodinámica

Establece las relaciones entre los flujos de energía que

experimenta un sistema físico y la forma en que cambian sus

propiedades

Balance de Energía para un Sistema

Es la aplicación práctica de la primera ley.

Tipos de Energía que intervienen en un balance de energía (I)

• Calor (Q) = Energía que entra o sale de un sistema debido a las diferencias de temperatura entre la pared del sistema y el ambiente.

• Trabajo (W) = Energía que se entrega o se retira por la acción de agitadores y elementos que hacen que se muevan los componentes del sistema o que responden a sus movimientos.

Tipos de Energía que intervienen en un balance de energía (II)

• Energía interna por unidad de masa (u) = La que poseen las sustancias del sistema en virtud de su movimiento molecular, es decir, de su temperatura.

• Trabajo de flujo por unidad de masa (pv) = El producto de la presión en los límites del sistema por el volumen específico se denomina trabajo de flujo. Es el trabajo que hace fluir las sustancias en las zonas por las que ellas entran o salen al sistema

• Entalpía ( h) = u + pv = Es la suma de la energía interna más el trabajo de flujo.

Tipos de Energía que intervienen en un balance de energía (III)

• Energía cinética por unidad de masa (EC) = ½ V^2 = Es la energía que tienen las sustancias en virtud de su movimiento masivo.

• Energía potencial por unidad de masa (EP) = g z = Es la energía que tienen las sustancias en virtud de su posición relativa vertical.

Expresión de la primera ley para un sistema que fluye de manera uniforme y estable

Q-W = Σms (he+ECe+ EPe) - Σmi (hi+ECi+ EPi) + [m2(u2+EC2+EP2)- m1(u1+EC1+EP1)] e= en las salidas de sustanciasi=en las entradas de sustancias1= al inicio del proceso2= al final del proceso

Expresión de la primera ley para un sistema que está sujeto a un ciclo cerrado

Q-W = 0

Sentido práctico de la primera ley• Es posible convertir calor en trabajo mecánico útil mediante máquinas térmicas.

• Las máquinas y turbinas de vapor, los motores de combustión interna, las turbinas de gas y las plantas térmicas son consecuencia práctica de esta conversión.

• Esta conversión ha permitido el desarrollo industrial y el desarrollo tecnológico con base en la utilización de los combustibles fósiles.

• Antes de estos descubrimientos se dependía de las energías humana, animal, eólica e hidráulica para realizar trabajo mecánico útil.

Segunda ley de la termodinámica

Establece límites y direcciones a los

procesos de intercambio energético

Expresión de la segunda ley

• Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea generar trabajo a partir del intercambio de calor con una única fuente de calor.

• Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea transmitir calor de fuente fría a una fuente caliente.

Consecuencias prácticas de la segunda ley

• Las máquinas que generan potencia mecánica a partir del calor recibido de una fuente caliente, generan calor de desecho y deben contar con una fuente fría que reciba ese calor.

• Los equipos de refigeración necesitan potencia mecánica y por ello entregan a la fuente caliente mayor calor que el que extraen al refrigerar la fuente fría.

Maquina térmica para generar trabajo

Bomba Turbina W

Caldera

Qh

Condensador

Ql

Eficiencia térmica de una máquina para generar trabajo

η = W / Qh η =1 – Ql/Qh

Eficiencia térmica de una máquina para generar trabajo

Una máquina reversible permite lograr la máxima eficiencia al trabajar entre dos fuentes dadas de temperatura Th y Tl. Esta máquina se llama de Carnot. Para ella :

η =1 – Tl/Th

Condiciones de Reversebilidad en un proceso térmico

• Transmisión de calor a través de diferencias de calor infinitesimales (muy pequeñas).

• Generación de trabajo sin presencia de fricción.

• No ocurren mezclas de sustancias diferentes

Entropía (1)

• Es una propiedad de las sustancias que permite determinar la reversabilidad de los procesos.

• Se define mediante la siguiente expresión:

dS = (δQ/T) rev

Entropía (2)

Para los procesos reales, que son irreversibles, la segunda ley conduce a que dS > (δQ/T) Por ello, los cambios de entropía permiten determinar si un proceso es reversible o no.

Comparación de procesos reversibles e irreversibles

[m2(u2+EC2+EP2)- m1(u1+EC1+EP1)]

W QΣms (he+ECe+ EPe) Σme (hi+ECi+ EPi)

[m2(u2+EC2+EP2)- m1(u1+EC1+EP1)]

Wrevs QrevsΣmi (hi+ECi+ EPi) Σme (he+ECe+ EPe)

Qo a ToWcWrev

¿Cómo se logra la Transmisión de calor reversible cuando hay diferencias de temperatura finita

entre el sistema y la fuente de calor ?

Se logra esta transmisión de calor Qrev colocando una máquina térmica reversible entre el sistema y la fuente externa a temperatura To, que aproveche la diferencia de temperatura .

Esto permite obtener más trabajo neto en el caso de la máquina reversible.

La irreversabilidad equivale entonces a un trabajo perdido

Irreversabilidad• El trabajo neto que se obtiene para el

caso de la máquina reversible es Wrev = Wrevs + Wc• Al comparar los trabajos obtenidos en

ambos sistemas se obtiene la irreversabilidad I como

I = Wrev - W

Se obtiene un trabajo Wc reversible , con eliminación de calor a la fuente Qo, de tal manera que

Wc = Qo – Qrevs (primera ley) Qo/To = integral de (dS= (δQ/T)rev)

(segunda ley) Al integrar, se obtiene, para un sistema que fluye de manera uniforme y estable Wc = To (m2s2 – m1s1 + Σms – Σme) –Qrevs

Transmisión de calor reversible cuando hay diferencias de temperatura finita entre el sistema

y la fuente de calor

Trabajo reversible

Al combinar las expresiones anteriores, se obtiene :

Wrev = Σme (he-Tose+ECe+ EPe) - Σmi (hi+ Tosi+ ECi+ EPi)

+ [m2(u2-Tos2+EC2+EP2)- m1(u1 – Tos1+EC1+EP1)]

Irreversabilidad

I = ΣmeTose - Σmi Tosi + m2Tos2- m1Tos1 - Q

Disponibilidad

Es el trabajo reversible que se puede lograr llevando la sustancia hasta el equilibrio con el ambiente ( el cual está a To, ho, So, EPo y sin EC). Para sistema estable y de flujo estable:Disponibilidad =(h-Tos+EC+ EP) - (ho +Toso+ EPo) =Dh – To Ds + DEC + DEP