UNIDAD 3 y 4 Termodinamica

Contenido INTRODUCCION...................................................................................................2 UNIDAD 3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA...............................................3 3.1 Transferencia Transferencia de energía pr ca!r" #ra$a% & 'asa............................. ......3 ...... 3 3.2 Ec(aci)n genera! de !a energía......................................... energía.................................................................. ......................... 3 3.3 *a!ance de energía para sis#e'as cerrads..............................................3 3.+ *a!ance de energía para sis#e'as de ,(% es#a$!e.................................... 3. *a!ance de energía para prces de ,(% n es#a$!e................................/ INTRODUCCION...................................................................................................0 UNIDAD +. EUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA...........................................1 +.1 Principis $4sics................................................ $4sics.................................................................... ..................................... ................. 1 +.2 Dispsi#i5s de energía #6r'ica................................... #6r'ica............................................................... ............................ 1 +.3 En(nciad de 7e!5in8P!an9....................................... 7e!5in8P!an9...................................................................... ............................... . 11 +.+ Ma:(inas #6r'icas............................. #6r'icas................................................. ....................................... .................................. ............... 11 +. Refrigeradres & $'$as de ca!r...........................................................12 +.- La esca!a #er'din4'ica de #e'pera#(ra...............................................1+ +.; Ma:(ina #6r'ica de Carn#................................ Carn#.................................................... ...................................... ..................1 1 +./ La desig(a!dad de C!a(si(s................. C!a(si(s ..................................... ........................................ ................................. .............11+.0 E! refrigeradr & !a $'$a de ca!r de Carn#.........................................1/ +.1 Prcess re5ersi$!es e irre5ersi$!es...................... irre5ersi$!es................................................ .......................... ....... 10 +.11 E! cic! de Carn# & principis de Carn#................................................10 Carn#................................................10
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I LEY DE LA TERMODINAMICA

INTRODUCCION La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar estar acompañ acompañado ado por una disminució disminución n en alguna alguna otra forma de la misma. misma. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabao y el calor. !e acue acuerdo rdo con con la primer primera a ley" ley" la energ energía ía intern interna a de un siste sistema ma se puede puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabao sobre el sistema. #ero e$iste una diferencia muy importante entre el trabao y el calor que no se evidencia de la primera ley. #or eemplo" es posible convertir completamente el trabao en calor" pero en la práctica" es imposible convertir completamente el calor en trabao sin modificar los alrededores.

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UNIDAD 3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA 3.1 Transferencia de energía or ca!or" tra#a$o % &asa. La energía puede ser transferida hacia o desde un sistema cerrado %a una masa fia& en dos formas distintas' calor y trabao. #ara vol(menes de control la energía tambi)n puede transferirse por masa. *na transferencia de energía o hacia un sistema cerrado se debe al calor" si es causada por una diferencia de temperatura entre el sistema y su medio ambiente. !e otra manera" es trabao y originada por una fuerza que act(a a trav)s de una distancia. +e inicia este capítulo con la discusión de transferencia de energía por  calor. Entonces se introducen varias formas de trabao" con un )nfasis particular en el trabao por frontera móvil o trabao # d," com(n en aparatos reciprocantes tales como los motores automotrices y los compresores. +e contin(a con el trabao de fluo" que es el trabao asociado al forzar un fluido a entrar o salir de un volumen de control y muestra que de la combinación de la energía interna y el fluo de trabao resulta la entalpia. En seguida se discute el principio de conservación de la masa y su aplicación a varios sistemas. #or  (ltimo" se muestra que h - e -pe representa la energía de un fluido en movimiento por  unidad de su masa.

3.' Ec(aci)n genera! de !a energía /ambi)n conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica" establece que si se realiza trabao sobre un sistema o bien )ste intercambia calor con otro" la energía interna del sistema cambiará. ,isto de otra forma" esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabao y energía interna. 0ue propuesta por Antoine Lavoisier. La ecuación general de la conservación de la energía es la siguiente' Eentra 1 Esale 2 3Esistema

4ue aplicada a la termodinámica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinámico" queda de la forma' 4 2 5!elta * - 5 6

3

3.3 *a!ance de energía ara siste&as cerrados El sistema cerrado es una región de masa constante7 se denomina masa de control. A trav)s de sus límites sólo se permite la transferencia de energía" pero no de materia. La pared que rodea al sistema es impermeable' +e denomina un sistema cerrado cuando es un proceso por lotes" mientras que un proceso continuo o semicontinuo es abierto. En los sistemas cerrados se

genera transferencia de energía a trav)s de las fronteras en forma de trabao o calor" más no transferencia de masa lo cual se resume en la siguiente ecuación' 8. La energía interna de un sistema depende casi totalmente de la composición química" de su estado %sólido" líquido" gaseoso& y la temperatura de los materiales del sistema. 9. La energía interna es independiente de la presión en gases ideales y casi independiente para sólidos y líquidos :. +i no e$isten cambios de temperatura o de estado ni reacciones químicas ;*2< =. +i el sistema no tiene aceleración ;Ec2<

+

>. +i el sistema no tiene cambios de altura,  ni distancia" no se eleva ni se cae ;Ep2< ?. El proceso se llama adiabático cuando se encuentra perfectamente aislado o cuando sus alrededores se encuentran a la misma temperatura" por lo tanto 42< @. El trabao que se realiza en un sistema está dado principalmente por el desplazamiento de las fronteras contra una fuerza resistente o por el paso de corriente el)ctrica o radiación a trav)s de las fronteras. #or eemplo el movimiento de un pistón es un trabao contra una fuerza resistente. . +i no hay partes móviles ni corrientes eléctricas ni radiaciones en las fronteras" se deduce que 62<

Ejemplo 1. *n cilindro con pistón móvil contiene gas. La temperatura inicial del gas es de 9> BC.

El cilindro se coloca en agua hirviendo y el pistón se mantiene en una posición fia. +e transfiere una cantidad de calor de 9 Cal al gas" el cual se equilibra a 8<< BC %y una presión más alta&. !espu)s se libera el pistón y el gas realiza 8<< D de 

trabao para mover al pistón a su nueva posición de equilibrio. La temperatura final del gas es de 8<< BC

3.+ *a!ance de energía ara siste&as de ,($o esta#!e La mayor parte de los procesos industriales tienen lugar en sistemas abiertos. Cuando se lleva a cabo un proceso semicontinuo o continuo se denomina un sistema abierto. En un sistema abierto es posible la transferencia de masa y de energía a trav)s de sus límites7 la masa contenida en )l no es necesariamente -

constante. *na pared tambi)n puede ser semipermeable" si permite el paso sólo de algunas sustancias. En los procesos t)cnicos se toma una serie de uos continuos de masa que son sometidos a interacción entre sí y con su entorno. Estas interacciones producen transformaciones de tipo físico y químico dando lugar a intercambios energ)ticos de tipo mecánico o t)rmico con el e$terior del sistema y a la obtención de nuevas corrientes continuas de masa como producto del proceso. Estos procesos de transformación e intercambio energ)tico" tienen lugar" por tanto en sistemas termoF dinámicos abiertos.
Trabajo de flujo y de flecha: La velocidad neta de trabao realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se e$presa como' 62 6s-6fl !onde' 6s2 trabao de flecha o velocidad de trabao realizada por el fluido del proceso sobre alguna parte móvil dentro del sistema 6fl2/rabao de fluo o trabao realizado por el fluido en la salida del sistema menos la velocidad de trabao realizada sobre el fluido en la entrada del sistema #ara comenzar e$plicaremos la e$presión trabao de fluo. A una unidad de proceso ingresa y sale un volumen de un fluido a una presión. El fluido que entra al sistema e$perimenta trabao realizado sobre )l por el fluido que se encuentra  usto detrás por lo tanto7 6entrada2#entradaG,entrada Hientras que el fluido de salida realiza el trabao sobre el fluo anterior de tal manera que 6salida2#salida G,salida #or lo tanto7 6fl2 #salida G,salida F #entradaG,entrada ;

+i e$isten varias corrientes de entrada y salida llegan y se van del sistema" los productos #, de cada una deberán sumarse para determinar 6 fl

Propiedades específicas: +on cantidades intensivas que son obtenidas a partir  de la división de una propiedad e$tensiva entre la cantidad total del material del proceso" por eemplo si el volumen de una sustancia es :<< cm : y la masa es de :<< g" su volumen específico es de 8 cm :Ig7 si la velocidad del fluo másico es de 8<< JgImin y la de fluo volum)trico es 8>< lImin" el volumen específico del material será de %8>< lIHin&I%8<< JgIHin&2 8.> lIJg. La energía cinética específica es" la energía cin)tica de la corriente" :<< DImin" sobre el fluo másico" EcK2 %:<< DImin&I%8<< JgImin&2: DIJg La energía interna específica al ser una propiedad intensiva depende de la temperatura y presión por lo tanto si a una temperatura y presión determinada *2DIJg con una masa en Jg entonces la energía total es igual a'

/

8.

i n c(rren ca'$is de Te'pera#(ra" fase  reaccines :(í'icas"

9.

i n e=is#en grandes dis#ancias 5er#ica!es en !a en#rada & sa!ida de (n sis#e'a" en#nces Ep>

:.

i e! sis#e'a & s(s a!rededres es#4n a !a 'is'a #e'pera#(ra  si e! sis#e'a es#a asi!ad pr c'p!e# ?> & e! prces es adia$4#ic

=.

i n se #rans'i#e energía a #ra56s de !as frn#eras de! sis#e'a 'edian#e a!g(na par#e ')5i! en#nces @s>

3.- *a!ance de energía ara roceso de ,($o no esta#!e

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INTRODUCCION La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. !e todos los procesos permitidos por la primera ley" solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica" pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley. 8& Cuando dos obetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto t)rmico entre sí" el calor fluye del obeto más cálido al más frío" pero nunca del más frío al más cálido. 9& La sal se disuelve espontáneamente en el agua" pero la e$tracción de la sal del agua requiere alguna influencia e$terna. :& Cuando se dea caer una pelota de goma al piso" rebota hasta detenerse" pero el proceso inverso nunca ocurre. /odos estos son eemplos de procesos irreversibles" es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Minguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. +i lo hicieran" violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

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UNIDAD +. E/UNDA LEY DE LA TERMODINAMICA +.1 Princiios #0sicos La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabao y el calor. !e acuerdo con la primera ley" la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabao sobre el sistema. #ero e$iste una diferencia muy importante entre el trabao y el calor que no se evidencia de la primera ley. #or eemplo" es posible convertir completamente el trabao en calor" pero en la práctica" es imposible convertir completamente el calor en trabao sin modificar los alrededores. La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. !e todos los procesos permitidos por la primera ley" solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica" pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley. 8& Cuando dos obetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto t)rmico entre sí" el calor fluye del obeto más cálido al más frío" pero nunca del más frío al más cálido. 9& La sal se disuelve espontáneamente en el agua" pero la e$tracción de la sal del agua requiere alguna influencia e$terna. :& Cuando se dea caer una pelota de goma al piso" rebota hasta detenerse" pero el proceso inverso nunca ocurre. /odos estos son eemplos de procesos irreversibles" es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Minguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. +i lo hicieran" violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo. La segunda ley de la termodinámica" que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes" tiene muchas aplicaciones prácticas. !esde el punto de vista de la ingeniería" tal vez la más importante es en relación con la eficiencia limitada de las máquinas t)rmicas. E$presada en forma simple" la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo" de manera continua" la energía t)rmica en otras formas de energía.

+.' Disositios de energía t2r&ica Conocido tambi)n como foco t)rmico' cuerpo con una gran capacidad de energía t)rmica %masa $ calor específico& que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufra ning(n cambio de temperatura. Eemplos' oc)anos" mares" la atmósfera" hornos industriales" etc.

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+.3 En(nciado de e!in4P!an5  El enunciado de Jelvin dice'

Es imposible construir una máquina que operando en ciclos no haga otra cosa más que etraer calo de un cuerpo y con!ertirlo íntegramente en trabajo. Este enunciado es equivalente al enunciado de Clausius" pues es posible demostrar que si uno supone la violación de uno de ellos" automáticamente se viola el otro" y recíprocamente. En t)rminos simples" la primera ley prohíbe la e$istencia de máquinas de movimiento perpetuo de primera clase" esto es" maquinas cuya (nica función sea la de crear o aniquilar energía7 la segunda ley prohíbe la e$istencia de máquinas de movimiento perpetuo de segunda clase" esto es cien por ciento eficientes. #or  tanto el mundo de los procesos en que están involucradas transformaciones de energía está regido por dos leyes las cuales podemos resumir'

Primera ley: En los procesos que involucran transformaciones de energía" solo podemos salir a mano. "egunda ley: En tales procesos" ni siquiera podemos salir a mano" o en pocas palabras" nunca podemos ganar ni salir a mano.

+.+ Ma6(inas t2r&icas *na máquina térmica es un dispositivo que convierte energía t)rmica en otras formas (tiles de energía" como la energía el)ctrica yIo mecánica. !e manera e$plícita" una máquina t)rmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabao recorra un proceso cíclico durante el cual 8& se absorbe calor de una fuente a alta temperatura" 9& la máquina realiza un trabao y :& libera calor a una fuente a temperatura más baa. #or eemplo" en un motor de gasolina" 8& el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura" 9& se realiza trabao mecánico sobre el pistón y :& la energía de desecho sale por el tubo de escape. N en un proceso característico para producir  electricidad en una planta de potencia" el carbón o alg(n otro tipo de combustible se queman y el calor generado se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina" poni)ndola a girar. #osteriormente" la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador el)ctrico. En la operación de cualquier máquina t)rmica" se e$trae una cierta cantidad de calor de una fuente a alta temperatura" se hace alg(n trabao mecánico y se libera otra cantidad de calor a una fuente a temperatura más baa. Oesulta (til representar en forma esquemática una máquina t)rmica como se muestra en la figura 8>.8. La máquina" representada por el círculo en el centro del diagrama" absorbe cierta cantidad de calor QC  %el subíndice C se refiere a caliente& tomado 12

de la fuente a temperatura más alta. Pace un trabao W y libera calor QF  %el subíndice F se refiere a frío& a la fuente de temperatura más baa. !ebido a que la sustancia de trabao se lleva a trav)s de un ciclo" su energía interna inicial y final es la misma" por lo que la variación de energía interna es cero" es decir  ΔU = 0 . Entonces" de la primera ley de la termodinámica se tiene que Q el trabajo neto W  realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma”. !e la figura 8>.8" el calor neto es Qneto 2 QC F QF " por lo tanto el trabao es' W 2 QC F QF

%8>.8&

donde QC y QF se toman como cantidades positivas. +i la sustancia de trabao es un gas" el trabao neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso en el diagrama P .

+.- Refrigeradores % #o&#as de ca!or *n refrigerador   es un dispositivo que e$trae calor de un foco que está más frío que el ambiente %como el interior de un frigorífico" a >BC& y lo vierte en el ambiente %a 99BC" por eemplo&. #ara funcionar" un refrigerador requiere un trabao adicional W in" que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente. *n frigorífico o un aparato de aire acondicionado son eemplos de refrigeradores. En su uso habitual" lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente" mantener constante la temperatura del interior  de una cámara o habitación" e$pulsado de forma continua el calor que va entrando por las paredes %aparte" si se introduce un obeto caliente en un frigorífico" )ste se encarga de baar la temperatura del obeto" consumiendo un trabao adicional&.

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 Ambos operan sobre el mismo principio. *n compresor eleva la temperatura del fluido de trabao a base de realizar trabao sobre )l. El fluido" a temperatura superior a la ambiente" es puesto en contacto con )ste en un condensador %una reilla"p.e.&" liberando calor Qout. El fluido enfriado" pasa por una válvula de e$pansión" donde su temperatura cae por debao de la del foco frío. #uesto en contacto con este foco %la cámara frigorífica o la habitación& mediante otra reilla conocida como evaporador " absorbe calor de )ste" Qin. !e ahí vuelve al compresor" recomenzando el ciclo.

#ara los refrigeradores se define el coe!iciente de desempe"o  %CN#O& seg(n el mismo principio que para las máquinas t)rmicas siendo Qlo que se sacaR el calor  Qin que se e$trae del foco frío y Qlo que cuestaR el trabao W in necesario para ello

 A diferencia del rendimiento de una máquina t)rmica" el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la unidad %normalmente lo es" de hecho&. *na bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador" salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente" como una habitación" para caldearla. #ara esto el" circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del refrigerador. El compresor envía el fluido a alta presión al un condensador en el interior de la habitación" donde libera calor por estar a más temperatura que el ambiente. #asa entonces por la válvula hacia el e$terior" donde se evapora y cae por debao de la temperatura e$terior" absorbiendo calor en el evaporador. ,uelve entonces al compresor" reiniciando el ciclo.

1+

En el uso habitual" lo que hace una bomba de calor  es principalmente mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación" reintroduciendo de forma continua el calor que va escapando por las paredes %aparte" si se introduce un obeto frío en una habitación" la bomba de calor  se encarga de elevar la temperatura del obeto" consumiendo un trabao adicional&. En el caso límite de una estufa %de resistencia el)ctrica" por eemplo&" lo que ocurre es que no se e$trae calor del e$terior y todo el calor que entra en la habitación procede del trabao consumido. #ara que un mismo aparato pueda funcionar como aire acondicionado en verano y bomba de calor en invierno" es necesario un sistema de válvulas que permita que el vapor fluya en direcciones opuestas seg(n el uso que se le d). En el caso de una bomba de calor Qlo que se sacaR es el calor Qout" por lo que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor se define como

!e esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor y del refrigerador correspondiente se diferencia en 8.

y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como mínimo 8. *n valor de 8 quiere decir que no se e$trae ning(n calor del foco frío" sino que simplemente se transforma trabao en calor. Esto es lo que hace" por eemplo" una estufa de resistencia. #ara una bomba de calor real el CN# puede ser de =. Esto quiere decir que para aportar = D de calor a una habitación solo consume 8 D de energía el)ctrica %mientras que una estufa consumiría los = D&. Las bombas de calor son por tanto más eficientes como sistema de calefacción" pero requieren instalaciones más grandes y poseen problemas de funcionamiento si la temperatura e$terior es demasiado baa.

1

+.7 La esca!a ter&odin0&ica de te&erat(ra La escala termodinámica de temperaturas es una escala libre de las propiedades de la materia'

+e puede demostrar S que el cociente focos" y más a(n'

es función de la temperatura de los

#odemos suponer que " es decir" una constante por la temperatura termodinámica del foco que" por convenio" se considera positiva. #or tanto tenemos que . Además se observa que la temperatura del foco caliente es mayor que la temperatura del foco frío. #ara que coincidan num)ricamente las temperaturas termodinámica y del gas ideal en el punto triple se le asigna a la temperatura en ese punto el valor

" aunque el concepto es diferente.

!efiniendo la temperatura en el punto triple" se puede comprobar fácilmente que la temperatura termodinámica y la del gas ideal coinciden en todo el rango de valores.

1-

+.8 Ma6(ina t2r&ica de Carnot El ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el físico franc)s +adi Carnot" que vivió a principios del siglo TUT. *na máquina de Carnot es perfecta" es decir" convierte la má$ima energía t)rmica posible en trabao mecánico. Carnot demostró que la eficiencia má$ima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas má$ima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia" más eficiente es la máquina. #or eemplo" un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura. El Ciclo llamado de Carnot es un ciclo reversible que consta de cuatro tramos' dos a temperatura constante %dos procesos isot)rmicos&" y otros dos sin absorción ni cesión de calor %dos procesos adiabáticos&. Es decir" se trata de una transformación bit)rmica %entre dos temperaturas&. El rendimiento de queda establecido con la siguiente relación. Oe 2 8 F /cI/h.

+.9 La desig(a!dad de C!a(si(s 0ue establecida por primera vez por el físico alemán O.D.E. Clausius %899F8& y se e$presa como

Es decir" la inte#ral c$clica de d Q%& siempre es menor o i#ual a cero' La integración se efect(a sobre un ciclo completo y puede ser reversible o irreversible.

"i el ciclo es re!ersible

1;

"i el ciclo es irre!ersible

#$%#EPT$ &E E%T'$P() La desigualdad de Clausius es la base para la definición de una nueva propiedad llamada entropía. +e considera un ciclo reversible formado por dos procesos internamente reversibles  A y V como se muestra en la 0igura 9.9>.

 Aplicando la desigualdad de Clausius" se tiene lo siguiente

1/

Estados 8 y 9" el valor de esta integral depende sólo de los estados e$tremos y no de la trayectoria seguida. En consecuencia debe representar el cambio de una propiedad ya que es independiente de la trayectoria. A esta propiedad se denomina entropía y se designa por +.

La entropía por unidad de masa" denominada s" es una propiedad intensiva y se mide con la unidad DI%g.J&. El cambio de entropía de un sistema durante un proceso se determina al integrar la ecuación 9.: entre los estados inicial y final'

10

#ara efectuar la integración en la ecuación 9.>" es necesario conocer la relación entre 4 y / durante un proceso.

+.: E! refrigerador % !a #o&#a de ca!or de Carnot  Al ser un ciclo reversible" podemos invertir cada uno de los procesos y convertir la máquina de Carnot en un refrigerador . Este refrigerador e$trae una cierta cantidad de calor W Q!  W del foco frío" requiriendo para ello una cierta cantidad de trabao W W W " arroando una cantidad de calor W Qc  W en el foco caliente. El coeficiente de desempeño de un refrigerador reversible como el de Carnot es

ya que" como en la máquina de Carnot" la cantidad de calor intercambiada con cada foco es proporcional a la temperatura de dicho foco. #ara un refrigerador que trabae entre una temperatura de >BC y 99BC" este coeficiente de desempeño vale

Este valor es el má$imo que puede alcanzar un refrigerador real" aunque los valores prácticos del CN# están muy por debao de esta cantidad. +i el refrigerador de Carnot se considera como una bomba de calor " su coeficiente de desempeño es

que para los mismos valores de las temperaturas de los focos nos da

tambi)n muy por encima de los valores reales de las bombas de calor.

2

+.1; Procesos reersi#!es e irreersi#!es *n proceso reversible es aquel que puede invertirse sin modificar el entorno" es decir" tanto el sistema como los alrededores regresan a sus estados iniciales al final del proceso inverso. Esto sólo es posible si el intercambio de calor y trabao neto entre el sistema y el entorno es cero para el proceso combinado %original e invertido&. Los procesos que no son reversibles son conocidos como irreversibles. En realidad" los procesos reversibles no suceden en la naturaleza. +on meras idealizaciones cuyo inter)s se debe a' %8& son fáciles de analizar gracias a que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio y %9& sirven como modelos ideales con los cuales pueden compararse los procesos reales. Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades. Entre ellos están la fricción" la e$pansión libre de un gas" la mezcla de dos gases" la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperaturas" la resistencia el)ctrica" la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos produce un proceso irreversible.

+.11 E! cic!o de Carnot % rinciios de Carnot El ciclo de Carnot %+adi Carnot" franc)s" 8@S? X 8:9&" es de gran importancia desde el punto de vista práctico como teórico. Carnot demostró que una máquina t)rmica que operara en un ciclo ideal reversible entre dos fuentes de calor" sería la máquina más eficiente posible. *na máquina ideal de este tipo" llamada máquina de Carnot " establece un límite superior en la eficiencia de todas las máquinas. Esto significa que el trabao neto realizado por una sustancia de trabao llevada a trav)s de un ciclo de Carnot" es el má$imo posible para una cantidad dada de calor suministrado a la sustancia de trabao. El teorema de Carnot se enuncia de la siguiente forma'

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“ninguna máquina térmica real que opera entre dos fuentes de calor puede ser más eficiente que una máquina de Carnot operando entre las dos mismas fuentes”. #ara describir el ciclo de Carnot" se debe suponer que la sustancia que trabaa entre las temperaturas & C  y & F  es un gas ideal contenido en un cilindro con un )mbolo móvil en un e$tremo. Las paredes del cilindro y del )mbolo no son conductores t)rmicos" por lo que no hay p)rdida de calor al ambiente. El ciclo de Carnot es un proceso cíclico reversible que utiliza un gas ideal" que consta de dos procesos isot)rmicos y de dos procesos adiabáticos" como se muestra en la figura 8>.=" donde se indican los cuatro pasos del ciclo. La representación gráfica del ciclo de Carnot en un diagrama P se muestra en la figura 8>.>" donde' 8. El proceso AFV es una e$pansión isot)rmica a la temperatura & C"  donde el gas se pone en contacto t)rmico con una fuente de calor a esa & C.  !urante el proceso" el gas absorbe calor QC  de la fuente desde la base del cilindro y realiza trabao W  () al subir el )mbolo. 9. En el proceso VFC" la base del cilindro se reemplaza por una pared t)rmicamente no conductora y el gas se e$pande adiabáticamente. !urante el proceso la temperatura baa de & C  a & F  y el gas realiza trabao W )C  al elevar el )mbolo. :. En el proceso CF! el gas se coloca en contacto t)rmico con una fuente de calor  a temperatura & F  y se comprime isot)rmicamente a una temperatura & F . !urante el proceso" el gas libera calor QF a la fuente y el trabao realizado sobre el gas por un agente e$terno es W C*. =. En el proceso final !FA" la base del cilindro se reemplaza por una pared t)rmicamente no conductora y el gas se comprime adiabáticamente. La temperatura del gas aumenta de & F  a & C  y el trabao realizado sobre el gas por un agente e$terno es W *(.

22

Primer

principio

de

#arnot:

el rendimiento de una máquina t)rmica irreversible es siempre menor que el rendimiento de una reversible que opera entre los mismos dos focos t)rmicos.

"egundo principio de #arnot:  todas las máquinas t)rmicas reversibles que operan entre los mismos focos tienen el mismo rendimiento.

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<8IContenidoLineaIleccinY:9Ybalance sYdeYenergaYparaYsistemasYcerrados.html http'IIdatateca.unad.edu.coIcontenidosI:><8IContenidoLineaIleccinY::Ybalance sYdeYenergaYparaYsistemasYabiertos.html http'IIlaplace.us.esIZiiIinde$.phpIOefrigeradoresYyYbombasYdeYcalorY%[UE& http'IIquimicacs.blogspot.m$I9<8.htm http'IIlaplace.us.esIZiiIinde$.phpICicloYdeYCarnot

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