Resumen Se decidió escribir un texto guía de la materia, para hacer una contribución a la biblioteca a favor de la Carrera de Ingeniería Agroindustrial y que esta se utilice como material de apoyo a los estudiantes que llevan el curso de Termodinámica




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Criterio de signos termodinámico


El criterio de signos que se suele utilizar en termodinámica para evaluar los intercambios entre un sistema y el entorno de energía en forma de calor y trabajo es el siguiente según la IUPAC (International Unión of Pure and Applied Chemistry):

  • Positivo para el trabajo cedido por el sistema y el calor entregado al sistema.

  • Negativo para el trabajo entregado al sistema y el calor cedido por el sistema.

De este modo el trabajo se define como una transferencia de energía que puede expresarse según la siguiente ecuación en un proceso reversible.



Por ejemplo, en una expansión isobárica, el volumen final VB es mayor que el volumen inicial VA, luego



Y el sistema realiza un trabajo sobre su entorno, cediendo trabajo para pasar el estado inicial A al estado final B, luego WAB > 0

El Calor


Es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre.

El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

El calor que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura.

CALOR GENERADO POR LA COMBUSTIÓN

La combustión es la reacción química violenta de dos cuerpos el comburente (oxígeno) y el combustible que se produce con gran desprendimiento de calor.

Químicamente definimos como una oxidación instantánea del combustible frente al contacto del oxígeno.



En este capítulo tratamos con las reacciones de combustión expresadas en la forma siguiente. Combustible + Comburente --->Productos

Proceso Polintropico
Una transformación politrópica es un cambio de estado en el que varía todas las propiedades (presión, volumen, temperatura, entropía, entalpía, etc.). También en este proceso existe transmisión o transferencia de calor y para su análisis se lo considera a este proceso como internamente reversible. En las figuras siguientes mostramos los diagramas p-V y T-s, para un proceso politrópico


 

UNIDAD: 6

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

 

OBJETIVOS

Introducir los conceptos básicos y definiciones requeridos por la segunda ley de la Termodinámica.

Introducir el concepto de entropía.

Presentar el ciclo y la máquina de CARNOT.
Introducción

El primer principio de la termodinámica, nos permite afirmar que las diversas formas de energía son equivalentes, pero no nos dice nada en cuanto a la posibilidad de la conversión de un cierto tipo de energía en otro y a las limitaciones que pueden o no existir  para dicha transformación. Es el segundo principio el que nos indicará las limitaciones que existen en las transformaciones energéticas.
Enunciado de la segunda ley de la termodinámica. Enunciado de Carnot.
Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832)Para entender adecuadamente el enunciado de Carnot del segundo principio debemos, en primer lugar, definir lo que se entiende en él por  máquinas térmicas.
 Se entiende por máquina térmica todo equipo que transforma calor en trabajo mecánico operando cíclicamente. Es decir, que toda máquina térmica está constituida por ciertos mecanismos y algún fluido que evoluciona en ellos, de manera que al describir dicho fluido un ciclo termodinámico se produce la conversión de una cierta cantidad de calor en trabajo mecánico. Con dicho concepto de máquina térmica el enunciado de Carnot puede expresarse:
Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura, que denominaremos fuente caliente, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura, que llamaremos fuente fría”

El esquema representativo de una máquina térmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot según Kelvin – Planck
El enunciado de Kelvin – Planck es el siguiente:

Es imposible construir una máquina con un solo depósito de calor que, mientras funcione siguiendo un ciclo, produzca otros efectos que el de realizar trabajo a base de tomar calor de dicho depósito enfriándolo”.
Este enunciado de Kelvin- Planck exige que cualquier dispositivo cíclico que produzca un trabajo neto intercambie calor por lo menos con dos fuentes térmicas a diferentes temperaturas.


Esquema del enunciado de Kelvin‐Planck.
Según Clausius

Clausius estudia las posibilidades de intercambio de calor entre dos fuentes a

diferentes temperaturas. El mismo expresa.
Es imposible la existencia de un sistema que pueda funcionar de modo que su único efecto sea una transferencia de energía mediante calor de un cuerpo frío a otro más caliente”.
EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOS

La equivalencia entre los enunciados de Carnot, Kelvin y Planck es evidente y no

necesita demostración. Para demostrarla equivalencia entre el enunciado de Kelvin

PROCESOS IRREVERSIBLES

Se dice que un proceso es irreversible si, una vez que el proceso ha tenido lugar, resulta imposible devolver al sistema y a todas las partes del entorno a sus respectivos estados iniciales.
Un ejemplo de las transformaciones naturales es el rozamiento cuando se produce el desplazamiento de un cuerpo sólido cuando está en contacto con otro.
En resumen los procesos irreversibles incluyen una o más de las siguientes

Irreversibilidades

- Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas.

- Expansión libre de un gas ó líquido hasta una presión más baja.

- Reacción química espontánea.

- Mezcla espontánea de sustancias con diferente composición o estado.

- Rozamiento- tanto de deslizamiento como de viscosidad en el seno de un fluido.

- Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica.

- Magnetización o polarización con histéresis.

- Deformación inelástica.

LA ENTROPÍA BASE DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Muchos de los fenómenos tienen naturaleza direccional, sin embargo los enunciados presentados necesitan una forma analítica aplicable a los procesos energéticos. Es ahora que se muestra la expresión matemática para la propiedad llamada entropía.
Si los procesos son todos reversibles, ningún trabajo neto tendrá que suministrarse, en otras palabras, la integral cíclica de dWA es igual a cero y, por tanto, podemos escribir la expresión de la desigualdad de Clausius: Esta ecuación conduce a un resultado importante. Si la integral a lo largo del ciclo arbitrario de una magnitud es cero, entonces la magnitud es una propiedad y se le ha dado el nombre de entropía, llamada también Ecuación de la segunda Ley de la Termodinámica.
EFICIENCIA O RENDIMIENTO DE UNA MÁQUINA TÉRMICA
En términos generales el rendimiento es igual al servicio sobre el gasto, es decir la producción obtenida sobre el consumido.


Problemas


  • Dos máquinas térmicas reversibles están conectadas en serie entre dos fuentes de calor a temperaturas T1 =

900 ºC y T2 = ‐70 ºC. La fuente de mayor temperatura entrega a la primera máquina una cantidad de calor

de 400 Kcal, con un rendimiento térmico del 30 %. Determinar:

a) La temperatura intermedia Ti a la que cede calor la primera máquina y recibe la segunda.

b) El trabajo producido por cada una de las máquinas.

c) El calor entregado por la segunda máquina a la fuente fría.

d) El rendimiento térmico de toda la instalación.


  • Una máquina térmica de Carnot opera entre una fuente caliente a 720 ºC y un

sumidero a 27 ºK. Si la máquina térmica recibe calor a una tasa de 600 kJ/min,

Determine

a) La eficiencia térmica

b) La salida de potencia de esta máquina

c) el flujo de calor que libera la máquina térmica.


  • Un ciclo de Carnot trabaja con 0,908 kg de aire, entre los límites de 21º C y 260º C. La presión al principio de la expansión isotérmica es de 30 bar abs. y al final de la expansión isotérmica de 15 bar abs. Calcular:

a) El volumen al final de la compresión isotérmica, en m3.

b) El calor añadido y rechazado, en kJ.

c) El trabajo neto del ciclo, en kJ.

d) El rendimiento térmico.

e) La relación de expansión general.

f) La presión media del ciclo, en bar.


Bibliografía

-Andres Trepp del Carpio “Propiedades termodinámicas del aire en altura e Higrometria

altitudinal universal del aire” La Paz‐Bolivia , 2002.

- Carlos A.Garcia, “Termodinámica Tecnica” Editorial Alsina, Argentina,2002.

- KennethWark‐Donald Richards “Termodinámica” Ed. Mc Graw Hill, México, 2001.
- M.J.Moran , H.S. Shapiro, “Termodinámica Técnica” Ed. Reverté, España, 1999.

- Merle C. Potter, Elaine P. Scott “Termodinámica” Ed. Thomson, México, 2006.

- Smith y Van Dess “Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química” Ed. Mc Graw Hill,

México , 1997.

- Yunus A. Cengel “Termodinámica” Ed. Mc Graw Hill, Quinta Edición, México, 2006.

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