LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La incapacidad de la primera
ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al
introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La
primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura
que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto
se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no
sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica.
El empleo de la segunda ley
de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La
segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La
primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de
una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es
un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios
necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la
energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía
asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y
completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir
en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA.
DEFINICIONES CLÁSICAS
“Es imposible construir un aparato que opere ciclicamente, cuyo único efecto sea absorver calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.
Definición de Clausius
“Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”.
MÁQUINA TÉRMICA
Es un aparato que
opera continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de
trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta
temperatura a otra de temperatura baja.
La máquina térmica permite
obtener un sistema que opera en un ciclo con un trabajo positivo y una
transmisión de calor positiva.
La Figura corresponde a un esquema de la central eléctrica de vapor
la cual se encaja en la definición de máquina térmica. El esquema es bastante
simplificado y el estudio de las centrales eléctricas de vapor reales, se
estudia en el punto correspondiente al ciclo Rankine. Las diferentes cantidades
que muestra la Figura 2.21 son:
QH: cantidad de calor suministrada al vapor en la
caldera desde una fuente de alta temperatura (quemador de la caldera)
QL: cantidad de calor liberado del vapor en el
condensador en un sumidero de baja temperatura (agua de enfriamiento)
WT: cantidad de trabajo entregado por el vapor
cuando se expande en la turbina.
WB: cantidad de trabajo requerido para comprimir el
agua a la presión de la caldera.
EFICIENCIA TÉRMICA
Es la medida del rendimiento de una máquina térmica y se define como la relación entre el trabajo neto obtenido y el calor suministrado al fluido de trabajo
como la suma de los calores es igual a la suma de los trabajos para un
sistema que efectúa un ciclo, el trabajo neto se puede expresar como:
EL CICLO DE CARNOT
Es un ciclo reversible formado por cuatro procesos reversibles los cuales permiten obtener una eficiencia mayor del ciclo ya que el trabajo neto puede maximizarse al utilizar procesos que requieren la menor cantidad de trabajo y entreguen la mayor cantidad del mismo.
Los ciclos reversibles no pueden alcanzarse en la práctica debido a que las irreversibilidades asociadas con cada proceso no pueden eliminarse. Sin embargo, los ciclos reversibles brindan límites superiores en el rendimiento de los ciclos reales. Las máquinas térmicas y las frigoríficas que trabajan en ciclos reversibles son modelos con los cuales las máquinas térmicas y las frigoríficas reales pueden compararse. Los ciclos reversibles sirven también como puntos de partida en el desarrollo de los ciclos reales y se modifican según se necesite para cubrir ciertos requerimientos.
El ciclo de Carnot fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. El ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y puede ejecutarse ya sea en un sistema cerrado o en uno de flujo estable, con sustancia pura o con un gas, Figura . Los cuatro procesos reversibles que componen el ciclo de Carnot son los siguientes:
Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2, TH constante con transferencia de calor QH hacia el gas).
Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL).
Compresión isotérmica reversible (proceso 3-4, TL constante con transferencia de calor desde el gas).
Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a TH).
Una máquina térmica que opera en un ciclo de Carnot se llama máquina reversible. Con este tipo de máquina se obtiene el máximo rendimiento. Ninguna máquina térmica que funcione entre dos fuentes dadas, puede tener un rendimiento superior al de una máquina de Carnot que funcione entre las mismas fuentes. Figura
Fue establecida por primera vez por el físico alemán R.J.E. Clausius (1822-1888) y se expresa como
Es decir, la integral cíclica de d Q/T siempre es menor o igual a cero.La integración se efectúa sobre un ciclo completo y puede ser reversible o irreversible.
Si el ciclo es reversible
Si el ciclo es irreversible
CONCEPTO DE ENTROPÍA
La desigualdad de Clausius es la base para la definición de una nueva propiedad llamada entropía.
Se considera un ciclo reversible formado por dos procesos internamente reversibles A y B como se muestra en la Figura
CAMBIO DE ENTROPÍA EN EL CICLO DE CARNOT
En la Figura se representa el ciclo de Carnot en un diagrama T-s. Para hacer la evaluación de la entropía para cada proceso se comienza por el proceso de compresión adiabático de 4 a 1; luego con el proceso de calentamiento isotérmico de 1 a 2; después con una expansión adiabática de 2 a 3 y finalmente con un proceso de enfriamiento isotérmico de 3 a 4.
Proceso isotérmico reversible de 1 a 2
Proceso adiabático reversible de 2 a 3
Proceso adiabático reversible de 4 a 1
Cuando la entropía permanece constante durante el proceso, es decirD S=0, el proceso se llama proceso isoentrópico.
CAMBIO DE ENTROPÍA EN PROCESOS IRREVERSIBLES
En la Figura se considera un ciclo irreversible formado por dos procesos, uno reversible y otro irreversible
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