RUBRICA – MECANICA DE FLUIDOS YTERMODINAMICA Ari Flores Joel Jorge Valdivia Revuelta Andree Benjamin Taipe Supho Miguel Angel Alumnos : Quiroz Rivera Felipe Eduardo Sanca Sanchez Luis Fernando Villasante Roque Jhonatan Junior Nota: Profesor: Carlos Chama Grupo : A-B 1 ciencia y tecnología para identificar y resolver problemas en sistemas mecánicos. LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA OBJETIVO GENERAL: Aplicar conocimientos de matemática. bombas de calor y refrigeradores. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Introducir la segunda ley de la termodinámica. máquinas térmicas. Describir el ciclo de Carnot. refrigeradores y bombas de calor. Aplicar la segunda ley para desarrollar la escala de temperatura termodinámica absoluta. refrigeradores y bombas de calor. Identificar procesos válidos como aquellos que satisfacen tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. Analizar los depósitos de energía térmica. Examinar los principios de Carnot. las máquinas térmicas idealizadas de Carnot. Aplicar la segunda ley de la termodinámica a ciclos y dispositivos cíclicos. 2 . procesos reversibles e irreversibles. Describir los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius de la segunda ley de la termodinámica. Determinar las expresiones para las eficiencias térmicas y los coeficientes de desempeño para máquinas térmicas reversibles. un proceso debe satisfacer la primera ley. Sin embargo. Considere ahora el proceso inverso: café caliente que se vuelve incluso más caliente en una habitación más fría como resultado de la transferencia de calor desde el aire.Introducción La energía es una propiedad conservada y no se sabe de ningún proceso que violela primera ley de la termodinámica. Se sabe que este proceso nunca se lleva a cabo. Este proceso satisface la primera ley de la termodinámica porque la cantidad de energía que pierde el café es igual a la cantidad que gana el aire circundante. Otro ejemplo común es el calentamiento de una habitación mediante el paso de corriente eléctrica por un resistor 3 . satisfacerla noasegura que en realidad el proceso tenga lugar. Por lo tanto es razonable concluir que para queocurra. Una experiencia común es que una taza de café caliente dejada en una habitación que está más fría termine por enfriarse. Un proceso no puede ocurrir a menos que satisfaga tanto la primera ley de la termodinámica como la segunda. Según una explicación posterior de este capítulo. DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica no restringe la dirección de un proceso.A partir de estos argumentos resulta claro que los procesos van en cierta dirección y no en la dirección contraria. o sólo depósito. como máquinas térmicas y refrigeradores. Esta violación se detecta fácilmente con la ayuda de una propiedad llamada entropía. es muy conveniente tener un hipotético cuerpo que posea una capacidad de energía térmica relativamente grande (masa x calor específico) que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas. por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor. pero satisfacerla no asegura que en realidad ocurra el proceso. mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en trabajo. La segunda ley de la termodinámica se usa también para determinar los lí. 4 .mites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario. Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica. 5 .Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente. Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor. y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo. Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. La salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total Wneto.salida = Wsalida .Wentrada (kJ) Eficiencia térmica La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia térmica nter 6 . 7 . así como con el horno.La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin- Planck Kelvin Planck dice: “Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo” Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo. El enunciado de Kelvin-Planck se puede expresar también como: ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento o bien: para que una central eléctrica opere. el fluido de trabajo debe intercambiar calor con el ambiente. donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. Después entra al tubo capilar donde su presión y temperatura caen de forma drástica debido al efecto de estrangulamiento. 8 . el refrigerante a temperatura baja entra al evaporador. Luego. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor. posteriormente sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y condensa a medida que fluye por los serpentines del condensador rechazando calor al medio circundante.REFRIGERADORES El refrigerante entra al compresor como vapor y se comprime hasta la presión del condensador. sin embargo. y suministrando este calor a un medio de temperatura alta como una casa La medida de desempeño de una bomba de calor también se expresa en términos del coeficiente de desempeño COPhp 9 . el cual se denota mediante COPR. BOMBAS DE CALOR El propósito de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja eliminando calor de éste. agua de pozo o aire frío exterior en invierno. no el propósito. Descargar este calor hacia un medio que está a temperatura mayor es solamente una parte necesaria de la operación. El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (QL) del espacio refrigerado. El objetivo de una bomba de calor. es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. siglas de coefficient of performance).Coeficiente de desempeño La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP. por ejemplo. Esto se logra absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura baja. quina térmica. La eficiencia térmica de cualquier má. se determina mediante la ecuación 10 .LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT La hipotética máquina térmica que opera en el ciclo reversible de Carnot se llama máquina térmica de Carnot. reversible o irreversible. 11 . determine a) la salida de potencia neta y b) la eficiencia térmica de esta planta de potencia. Si el calor de desecho se transfiere al agua de enfriamiento a una tasa de 145 GJ/h.6-18. Si el combustible tiene un poder calórico de 44 000 kJ/kg y una densidad de 0. Una central eléctrica de vapor recibe calor de un horno a una tasa de 280 GJ/h. Cuando el vapor pasa por tubos y otros componentes las pérdidas de calor hacia el aire circundante desde el vapor se estiman en alrededor de 8 GJ/h. Datos: ( ) ) ) 6-21 Un motor de automóvil consume combustible a razón de 28 L/h y entrega a las ruedas 60 kW de potencia.8 g/cm3. determine la eficiencia de este motor. 𝑇𝐻 𝑄𝐻 𝑊𝑒𝑛𝑡 Entonces: 𝑄𝐿 𝑇𝐿 12 . ( )( ) ( )( ) 6-39 Un refrigerador doméstico con un COP de 1. Determine a) la potencia eléctrica que consume cl refrigerador y b) la tasa de transferencia de calor hacia cl aire de la cocina.2 remueve calor del espacio refrigerado a una tasa de 60 kJ/min. 𝑇𝐻 𝑄𝐻 𝑊𝑒𝑛𝑡 Entonces: 𝑄𝐿 𝑇𝐿 6 – 47 Determine el COP de una bomba de calor que suministra energía a una casa a una tasa de 8 00 kJ/h por cada Kw de potencia eléctrica que consume. así como la tasa de absorción de energía desde el aire exterior. Determine a) el COP de este acondicionador de aire y b) la tasa de transferencia de calor hacia el aire exterior. entrada = 1 KW Entrada requerida Ambiente frio a TL 13 . Espacio calentado Datos: (Tibio) TH > TL QH = 8000 kJ/H Wneto. entrada = 1 KW Salida Nos pide: Deseada COPHP = ? QL = ? Wneto.6-40 Un acondicionador de aire remueve calor en régimen permanente desde un hogar a una tasa de 750 kJ/min mientras consume potencia eléctrica a una tasa de 6 kW. Datos: Refrigerante 134a P1 = 800 kPa T1 = 35° C P2 = 800 kPa T2 = x ( T 2 . Si el comprensor consume 1.2 KW Nos pide: COPHP = ? QL = ? a) 14 .T1 ) Wneto.Solución a) b) ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ 6 – 54 Al condensador de una bomba de calor residencial entra refrigerante 134a a 800 kPa y 35°C a una tasa de 0. y sale a 800 kPa como liquido saturado.018 kg/s.2 Kw de potencia. determine a) el COP de la comba de calor y b) la tasa de absorción de calor desde el aire exterior. entrada = 1. . Eficiencia máxima .6.78.Un inventor afirma haber desarrollado una maquina térmica que recibe 700kj de calor de una fuente a 500°k y que produce 300kj de trabajo neto mientras libera el calor de desecho a un sumidero a 290°K. ¿es razonable esta afirmación? ¿por qué? . Eficiencia actual de la maquina % la maquina diseñada es mucho mejor que la maquina térmica idea. Es falsa la afirmación. 15 . 47 kj/kg Estado 2 T2=25 °C => hf=104.08MW 16 . Qentrada= mgeo(h1-h2) Q= 440 kg/s(675.83 kj/kg a) Eficiencia térmica real.47 -104. a) La eficiencia térmica real. b) La eficiencia térmica máxima posible.83)kj/kg Q= 251. Si la temperatura ambiente es de 25°C. Estado 1 T1=160 °C => hf=675. determinar. y produce 22MW de potencia neta..Una central eléctrica geotérmica utiliza como fuente de calor agua geotérmica a 160°C a una tasa de 440kg/s.80.08-22 = 229. c) La tasa real a la que la central rechaza calor.083 MW b) Eficiencia máxima: ( ) ( ) c) La tasa real a la que la central rechaza calor Q salida = Qentrada – Wneto de salida 251.6. determine la entrada de potencia mínima requerida para este refrigerador.87. 17 . Si el aire que rodea al refrigerador está a 25ºC.6. El coeficiente de rendimiento de un refrigerador reversible depende de los límites de temperatura en el ciclo solo. y se determina a partir de ( ) ( ) ( ) La potencia de entrada a este refrigerador se determina a partir de la definición de coeficiente de rendimiento de un refrigerador. SOLUCION El refrigerador funciona de manera constante. La potencia de entrada a un refrigerador será mínima cuando el refrigerador funcione de forma reversible manera. Un refrigerador eliminará calor del espacio frío a una tasa de 300 kJ/min para mantener su temperatura a 8ºC. el cual extrae 2 kW de potencia. mediciones de transferencia de calor y entrada de trabajo. Durante un experimento realizado en una habitación a 25ºC. Determine si estas mediciones son razonables. un ayudante de laboratorio mide que un refrigerador. El reclamo debe ser evaluado 18 . El experimentalista informa temperatura. ha eliminado 30 000 kJ de calor del espacio refrigerado que se mantiene a 30ºC. ̇ ̇ 6. Un experimentalista dice haber desarrollado un refrigerador.92. El tiempo de operación del refrigerador durante el experimento fue de 20 minutos. estas medidas no son razonables. Por lo tanto.Análisis El mayor coeficiente de rendimiento que un refrigerador puede tener al eliminar el calor de un refrigerador medio a -30 ° C a un medio más cálido a 25 ° C es ( ) ( ) ( ) El trabajo consumido por el refrigerador real durante este experimento es ̇ ( )( ) Entonces el coeficiente de rendimiento de este refrigerador se convierte Está por encima del valor máximo. 19 .