Segunda Ley de la Termodinámica

Enunciado de la Segunda Ley
1. Los procesos ocurren en una cierta dirección y no en la dirección contraria. La energía tiene calidad así como cantidad. Define la dirección para los procesos termodinámicos. La suma de entropías de un sistema siempre aumenta.
Depósitos de Energía Térmica
1. Cuerpos con capacidad de energía térmica relativamente grande que suministran o absorben cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura.
  1. Ejemplos:
    1. Ríos, lagos, océanos
      1. No cambia la temperatura del agua significativamente)
    2. Aire atmosférico
      1. No se calienta como resultado de las pérdidas de calor
    3. Sistema de dos fases
      1. Al absorber y liberar grandes cantidades de calor permanece a temperatura constante.
    4. Horno Industrial
      1. Suministran de manera isotérmica grandes cantidades de energía térmica en forma de calor
  2. Fuente
    1. Suministra energía en forma de calor
  3. Sumidero
    1. Absorbe energía en forma de calor
  4. Depósitos de calor
    1. Proveen o absorben energía en forma de calor.
  5. Contaminación térmica
    1. Manejo irresponsable de la energía de desecho
Máquinas Térmicas
1. Dispositivos cíclicos que reciben calor de una fuente de alta temperatura y convierten una parte en trabajo mientras que la otra se desecha.
  1. Máquinas de combustión interna
    1. Combustión se lleva a cabo dentro de la máquina.
      1. Ejemplos
        Motores de automóviles
        Su fluido de trabajo (gases de combustión) no experimenta un ciclo completo
        Turbinas de gas
  2. Máquinas de combustión externa
    1. Combustión se lleva a cabo fuera de la máquina
      1. Central eléctrica de vapor
        Su fluido de trabajo es el vapor de agua
  3. Fórmulas
    1. Al ser magnitudes, todas son positivas
      1. Wneto = Wsalida - Wentrada
        Wneto = Qentrada - Qsalida
2. Fluido de trabajo
  1. Fluido hacia y desde el cual se transfiere calor durante un ciclo
3. Eficiencia Térmica
  1. Medida de desempeño de una máquina térmica. Fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto
    1. Eficiencia térmica = Wneto / Qentrada
      1. 1- QL/QH
Refrigeradores y bombas de calor
1. Son cíclicos
2. Índice de eficiencia de energía
  1. Medida de la eficiencia energética instantánea
3. Refrigeradores
  1. Fluido de trabajo
    1. Refrigerante
  2. Ciclo de refrigeración por compresión por vapor
    1. 1. Compresor: Se comprime a la presión del condensador
    2. 2. Condensador: Se enfría y condensa en los serpentines
    3. 3.Válvula de expansión: La presión y temperatura caen
    4. 4. Evaporador: absorbe el calor del espacio refrigerado
  3. Coeficiente de desempeño
    1. COPR=(Salida deseada)/(Entrada requerida)= QL/Wneto entrada
4. Bombas de calor
  1. Transfiere calor de una temperatura baja a una alta
  2. Mismo ciclo del refrigerador
  3. Bombas de calor de fuente de aire
    1. utilizan el aire frio como fuente de calor
  4. Bombas geotermicas
    1. usan el suelo como fuente de calor
Ciclo de Carnot
1. Ciclo interna y externamente reversible más conocido
  1. cumple con 2 principios
    1. Eficiencia M.T. Irreversible < Eficiencia M.T. Reversible que opera / los mismos 2 depósitos.
    2. Eficiencias M.T.R. que operan entre los mismos dos depósitos son iguales.
  2. Máquina térmica en gral
    1. eficiencia
      1. Máquina térmica de Carnot
        n ter,rev = 1- TL/TH
      2. La eficiencia de los ciclos reales se mejora al intentar aproximarse lo más posible al de Carnot.
    2. nter= 1- QL/QH
2. se compone de 4 procesos reversibles
  1. Expansión isotérmica reversible:
    1. Temp del gas es cte en TH, temp entre el gas y el depósito nunca es mayor que dT. Cantidad de calor total transferido al gas durante este proceso es QH.
  2. Expansión adiabática reversible:
    1. La temperatura disminuye de TH a TL. El sistema está en aislamiento convirtiéndose en adiabático.
  3. Compresión isotérmica reversible:
    1. Temp del gas es cte en TL , la diferencia de temp entre el gas y el sumidero nunca es mayor que dT, La cantidad de calor rechazado del gas durante este proceso es QL.
  4. Compresión adiabática reversible
    1. El sistema vuelve a su estado inicial (1)
Entropía
1. Propiedad extensiva que indica la aleatoriedad molecular s=dQ/t
  1. A mayor entropía, mayo rdesorden y menor predicibilidad de la posición de las moléculas. Si S >0 aumenta el desorden. > Q , >S
    1. Para una mayor eficiencia se necesita disminuir la entropia
      1. proceso reversible, entropía constante
      2. p. irreversible, aumenta la entropía
2. Principio: el universo tiende al desorden
Enunciado de Kelvin-Planck: Ninguna máquina térmica puede tener eficiencia del 100%
Enunciado de Clausius: El calor nunca puede pasar de un cuerpo frío a uno caliente sin haber otro cambio en el sistema.
Máquinas de movimiento perpetuo
1. Termódinámicamente imposibles
  1. Violan la 1ra y 2da ley
2. Tienen Movimiento que continúa indefinidamente sin una fuente externa de energía
Procesos reversibles e irreversibles
1. Reversibles
  1. No intercambian calor con el entorno
  2. La entropía se mantiene constante
  3. Son teóricos, ningún proceso real es completamente reversible
  5. Siempre están en equilibrio termodinámico
3. Irreversibles
  1. Intercambian calor con el entorno
  2. La entropía aumenta
  3. El proceso no se da bajo equilibrio termodinámico
Ciclo de Diesel
1. Ciclo ideal para máquinas reciprocantes ECOM: El aire se comprime hasta una temperatura que es superior a la temperatura de autoencendido del combustible y la combustión inicial al contacto cuando el combustible se inyecta dentro de este aire caliente.
  1. El proceso de combustión sucede durante un periodo más largo, se obtiene como un proceso de adición de calor a presión constante.
    1. Procesos: 1-2 Compresión isentrópica. 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isentrópica 4-1 Rechazo de calor a volumen constante.
      1. q in -w out = u3-u2
        q in = P2(V3-V4) + (u3-u2) = cp(T3-T2)
        n=1-(T1(T4/T1 -1)/k*T2(T3/T2 -1))
        n = 1 - (1/r^k-1))((rc^k -1)/k(rc-1))
        rc= relación de corte de admisión =V3/V2
  2. n Otto > n Diesel
    1. La eficiencia de los motores diesel varían aproximadamente entre 35 y 40%
    2. Mayor eficiencia y menor costo de combustible de motores diesel los convierte en la opción indicada para aplicaciones que requieren cantidades grandes de potencia, como motores de locomotoras y las unidades de generación eléctrica, grandes barcos y pesados camiones.
Ciclo de Otto
1. Ciclo ideal para máquinas reciprocantes de encendido por chispa
  1. Máquina de combustión interna de 4 tiempos. (Reversibles Internamente) 1-2 Compresión isentrópica. 2-3 Adición de calor a volumen constante. 3-4 Expansión isentrópica. 4-1 Rechazo de calor a volumen constante
    1. Se ejecuta en un sistema cerrado, sin tomar en cuenta energía cinética y potencial
      1. (q in - 1 out) + (w in -w out)= Variación u (Kj/kg)
        q in = u3-u2=cv(T3-T2)
        q out= u4-u1 =cv(T4-T1)
    2. Eficiencia térmica
      1. n=1-(T1(T4/T1 -1)/T2(T3/T2 -1))
        n = 1- 1/r^(k-1)
        r= relación de compresión k= relación de calores específicos cp/cv
      2. Se ha intentado incrementar la eficiencia de motores por medio de evitar el autoencendido prematuro del combustible o golpeteo del motor por medio de sustancia hoy en día prohibidas como el plomo
      3. Disminuye cuando las moléculas del fluido de trabajo son más grandes. La eficiencia varía del 25 al 30%
Mónica Samantha Aceves Flores A01207676 Nidia Carolina Cañón Delgado A00512270 Javier Castillo Arneman A01208163 Daniela Delgado García A00369528 Marco Vinicio Lincango Yupanki A01208685

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