1 La segunda ley de la termodinámicaCAPÍTULO 5 La segunda ley de la termodinámica

2 FIGURA 5-9 Una parte del calor que recibe una máquina de calor se convierte en trabajo, mientras que el resto pasa a un sumidero. Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-1 FUENTE Alta temperatura Baja temperatura SUMIDERO MÁQUINA TÉRMICA Qen Wneto, sal Qsal

3 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-2 Fuente de energía (como un horno) Frontera del sistema Caldera Bomba Condensador Turbina Sumidero de energía (como en la atmósfera) Wen Wsal FIGURA 5-10 Esquema de una planta de vapor para generar energía.

4 FIGURA 5-14 Esquema de una máquina de calor.Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-3 Wneto, sal Depósito de alta temperatura a TH Depósito de baja temperatura a TL MT QL QH

5 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-4 FIGURA 5-16 El ciclo de una máqina de calor no puede completarse sin rechazar algo de calor hacia un sumidero de baja temperatura. CARGA Depósito a 20°C Depósito a 100°C Entrada de calor a (100 kJ) Salida de calor a (85 kJ)

6 Energía utilizada Eficiencia Energía suministradaFIGURA 5-23 La eficiencia de un equipo de cocina representa una fracción de la energía que se le suministra y que se transfiere a la comida. Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-5 Eficiencia Energía suministrada Energía utilizada

7 Medio circundante como el aire de la cocinaFIGURA 5-25 Componentes básicos de un sistema de refrigeración y sus condiciones típicas de operación. Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-6 Medio circundante como el aire de la cocina Espacio refrigerado CONDENSADOR EVAPORADOR VÁLVULA DE EXPANSIÓN COMPRESOR Wneto, ent

8 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. FIGURA 5-26 El objetivo de un refrigerador es extraer calor QL de un espacio enfriado. Ambiente caliente a TH > TL Entrada requerida neto, en Salida deseada Espacio refrigerado frío a TL 5-7

9 Espacio calentado más caliente a TH > TLFIGURA 5-27 El objetivo de una bomba de calor es suministrar calor QH en un espacio más caliente Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-8 Entrada requerida Espacio calentado más caliente a TH > TL Ambiente frío a TL Salida deseada neto, sal

10 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-9 FIGURA 5-33 Prueba de que la violación del enunciado de Kelvin-Planck conduce a la violación del de Clausius. Depósito de alta temperatura a TH Depósito de baja temperatura a TL MÁQUINA TÉRMICA t = 100% REFRIGE- RADOR QH QH + QL QL W neto = QH a) Un refrigerador que es accionado por una máquina térmica 100% eficiente b) El refrigerador equivalente

11 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-10 FIGURA 5-34 Máquina de movimiento perpetuo que viola la primera ley de la termodinámica (MMP1). Frontera del sistema neto, sal CALDERA BOMBA TURBINA GENERADOR CONDENSADOR sal Calentador eléctrico

12 Sumidero de energía a TLFIGURA 5-43 Ejecución del ciclo de Carnot en un sistema cerrado. Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-11 a) Proceso 1-2 Fuente de energía a TH Sumidero de energía a TL (1)  (2) (2)  (3) (4)  (3) (1)  (4) a) Proceso 2-3 a) Proceso 3-4 a) Proceso 4-1 TH QH QL TH = const. TL 

13 FIGURA 5-44 Diagrama P-V del ciclo de Carnot.Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-12 FIGURA 5-44 Diagrama P-V del ciclo de Carnot. neto, en

14 FIGURA 5-45 Diagrama P-V del ciclo inverso de Carnot.Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. FIGURA 5-45 Diagrama P-V del ciclo inverso de Carnot. 5-13

15 Depósito de alta temperatura a TH Depósito de baja temperatura a TLDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-14 FIGURA 5-46 Los principios de Carnot. t,1 < t,2, 2 Depósito de alta temperatura a TH MT irrev. 1 MT rev. 2 MT rev. 3 Depósito de baja temperatura a TL t,2 < t3, 3

16 FIGURA 5-47 Demostración del primer principio de Carnot.Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-15 FIGURA 5-47 Demostración del primer principio de Carnot. Depósito de alta temperatura a TH Depósito de baja temperatura a TL MT irreversible MT (o R) reversible MT + R combinado (supuesto) Una máquina térmica reversible y una irreversible que operan entre los mismos dos depósitos (la máquina térmica reversible se invierten después para funcionar como un refrigerador) b) El sistema combinado equivalente

17 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. FIGURA 5-49 Arreglo de máquinas de calor que se usa para desarrollar la escala de temperatura termodinámica. 5-16 Depósito de energía térmica a T1 MT reversible A Depósito de energía térmica a T3 MT reversible C MT reversible B

18 Derechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S. A. de CDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. FIGURA 5-55 Fracción de calor que puede convertirse en trabajo como función de la temperatura fuente (para TL = 303 K). 5-17 Depósito de alta temperatura a TH Depósito de baja temperatura a TL = 303 K MT reversible t

19 Ambiente caliente a TH = 300 KDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-18 FIGURA 5-57 Ningún refrigerador puede tener un COP más elevado que un refrigerador reversible que opere entre los mismos límites de temperatura. Ambiente caliente a TH = 300 K Espacio refrigerado frío a TL = 275 K Refrigerador reversible COPR = 11 Refrigerador irreversible COPR = 7 Refrigerador imposible COPR = 13

20 Bobinas condensadorasDerechos reservados © McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. Se requiere permiso para reproducir o proyectar. 5-19 FIGURA 5-63 Las bobinas condensadoras de un refrigerador deben limpiarse periódicamente, y los conductos de aire no deben bloquearse para mantener un elevado rendimiento. Refrigerador Gabinete Aire caliente Aire frío Bobinas condensadoras