Un proceso no puede ocurrir a menos que satisfaga tanto la primera ley de la termodinámica como la segundaDepósitos: grandes capacidades de almacenaje o liberaje de energía o masas térmicas, cualquier cuerpo físico cuya capacidad de energía térmica es grande con respecto a la cantidad de energía que suministra o absorbe se puede modelar como depósito. Un depósito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero (Fig. 6-7). Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor. Fuente térmica= Cuerpo o sistema con capacidad calorífica infinita que entrega independientemente calor manteniendo contante su temperatura Ciclo: Máquinas térmicas. 1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera). 2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la form a de una flecha rotatoria). 3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera). 4. Operan en un ciclo. Para que un sistema cerrado experimente un ciclo, el cambio de energía interna AU es cero partiste de un punto inicial después del ciclo volviste al mismo punto 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 n ter La eficiencia térmica de una máquina térmica se puede expresar como Qh = magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TH QL = magnitud de la transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de baja temperatura a temperatura Tl La dirección de QH y QL se determina fácilmente mediante inspección. Entonces, el trabajo neto y las relaciones de eficiencia térmica para cualquier máquina térmica también se pueden expresar como w neto salida = QH – Ql La eficiencia térmica es una medida de qué tan eficientemente una máquina térmica convierte el calor que recibe en trabajo, de ahí que los ingenieros traten constantemente de mejorar las eficiencias de estos dispositivos dado que mayor eficiencia significa menos consumo de combustible y por lo tanto menores costos y menos contaminación. Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo. Una máquina térmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura así como con una fuente de temperatura alta para seguir funcionando. El enunciado de Kelvin-Planck se puede expresar también como ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 por ciento El COP de un refrigerador se puede expresar como La eficiencia térmica, nunca puede ser mayor que 1. E l enunciado de Clausius se expresa como sigue: Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. El rendimiento térmico que es un rendimiento energético, nos indica la fracción de la energía total suministrada a una máquina térmica que se transforma en trabajo útil , Lut representa el trabajo útil obtenido en la instalación, por lo cual será la suma algebraica de los diversos trabajos producidos o consumidos, por los diferentes equipos en que se describa el ciclo termodinámico en la planta y Q 1, es el color que se he suministrado al fluido intermediarlo para la realización del ciclo La eficiencia de una máquina térmica de Carnot se incrementa cuando Th aumenta o cuando TL disminuye Cualquier dispositivo que viola la primera o la segunda ley de la termodinámica se llama máquina de movimiento perpetuo QL es la magnitud del calor extraído del espacio refrigerado a la temperatura TL\ QH es la magnitud del calor rechazado hacia el espacio caliente a temperatura TH, y W neto-entrada es la entrada neta de trabajo al refrigerador Dispositivo que transfiere calor de un medio de baja temperatura a uno de alta temperatura es la bomba de calor El ciclo de Carnot es un ciclo totalmente reversible que se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y de dos procesos isentrópicos. Ciclo de Carnot Es un ciclo de máquina térmica teórica compuesto de cuatro procesos reversibles (Fig. 3): a) Expansión isotérmica reversible: el gas se expande lentamente y realiza trabajo sobre los alrededores gracias a la transferencia de calor desde un fuente de temperatura 𝑇𝐻 . b) Expansión adiabática reversible: el gas continúa expandiéndose y realizando trabajo sobre los alrededores hasta que su temperatura disminuye desde 𝑇𝐻 hasta 𝑇𝐿 . c) Compresión isotérmica reversible: se realiza trabajo sobre el gas para que éste se comprima por lo que su temperatura tiende a aumentar aunque al transferirse calor hacia un sumidero la temperatura del gas se mantiene constante e igual a 𝑇𝐿 . d) Compresión adiabática reversible: se comprime en forma adiabática el gas por lo tanto su temperatura aumenta desde 𝑇𝐿 hasta 𝑇𝐻 . El ciclo de Carnot inverso o ciclo de refrigeración de Carnot es el mismo ciclo que el de Carnot sólo que las interacciones de calor y trabajo están invertidas El ciclo de refrigeración por compresión de vapor Se compone de cuatro procesos: 1- 2 Compresión isentrópica en un compresor 2- 3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador 3- 4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión 4- 1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador En un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime isentrópicamente(s1=s2) hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor bastante superior al de la temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado del rechazo de calor hacia los alrededores. La temperatura del refrigerante en este estado se mantendrá por encima de la temperatura de los alrededores. El refrigerante líquido saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del evaporador al pasarlo por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra al evaporador en el estado 4 como un vapor húmedo de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al compresor, completando el ciclo. El área bajo la curva del proceso en un diagrama T-s representa la transferencia de calor en caso de procesos internamente reversibles. El área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador. El ciclo de refrigeración por compresión de vapor no es un ciclo….. Entonces los COP de refrigeradores y bombas de calor que operan en el ciclo de refrigeración por compresión de vapor pueden expresarse como Donde h1 = hg y h g = hf para el caso ideal. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores. Tener dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. Tales procesos se denominan ciclos de refrigeración en cascada. El trabajo del compresor disminuye y la cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas en cascada. Por lo tanto, el sistema en cascada mejora el COP de un sistema de refrigeración. La desigualdad de Clausius es válida para todos los ciclos termodinámicos, reversibles, irreversibles e incluso los de refrigeración. Para ciclos internamente reversibles El cambio de entropía entre dos estados específicos es el mismo si el proceso es reversible o irreversible La entropía de un sistema aislado durante un proceso siempre se incrementa o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece constante. En otros términos, nunca disminuye. Esto es conocido como el principio de incremento de entropía. En ausencia de datos para líquidos comprimidos, la entropía de éstos se aproxima con la entropía del líquido saturado a la temperatura dada: Un proceso en el que la entropía se mantiene constante es un proceso isentrópico Proceso isentrópico: As = 0 o s2= s1 .Un proceso adiabático reversible necesariamente es isentrópico La entropía puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular. Cuando un sistema se vuelve más desordenado, las posiciones de las moléculas son menos predecibles y la entropía aumenta, Para sustancias incomprensibles: La temperatura de una sustancia verdaderamente incompresible permanece constante durante un proceso isentrópico. Por consiguiente, el proceso isentrópico de una sustancia incompresible es también isotérmico. Es deseable enfriar un gas cuando está comprimiéndose porque esto reduce el trabajo de entrada requerido al compresor. La salida de trabajo de una turbina adiabática entonces se vuelve simplemente el cambio en la entalpia, por lo que La entropía puede transferirse hacia o desde un sistema por dos mecanismos: transferencia de calor y flujo másico. La única forma de interacción de entropía asociada con una masa fija o un sistema cerrado es la transferencia de calor, por lo tanto la transferencia de entropía para un sistema cerrado adiabático es cero La energía se transfiere por calor y trabajo, mientras que la entropía sólo se transfiere por calor y flujo masico. Para un proceso reversible (un proceso que no involucra irreversibilidades) la generación de entropía es cero y por lo tanto el cambio de entropía de un sistema es igual a la transferencia de entropía. Un proceso en el que S g e n = 0 es internamente reversible, pero no necesariamente será totalmente reversible. El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor tiene algunas irreversibilidades internas? Sí; el proceso de estrangulación es un proceso irreversible internamente ¿Por qué no se reemplaza la válvula de estrangulación por una turbina isentrópica en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor? Para hacer que el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor se aproxima más a la de ciclo real. Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor entre 0.12 y 0.7 MPa. El flujo másico del refrigerante es 0.05 kg/s. Muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación. Determine a) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la tasa de rechazo de calor al entorno y c) el coeficiente de desempeño. Respuestas: a) 7.41 kW, 18 3 kW, b) 9.2 3 kW, c) 4.0 6 Un proceso en el que la entropía se mantiene constante es un proceso isentrópico 11-19 Entra refrigerante 134a al compresor de un refrigerador como vapor sobrecalentado a 0.14 MPa y - 10°C a razón de 0.12 kg/s, y sale a 0.7 MPa y 50°C. El refrigerante se enfría en el condensador a 24°C y 0.65 MPa, y se estrangula a 0.15 MPa. Despreciando cualquier transferencia de calor y cualquier caída de presión en las líneas de conexión entre los componentes, muestre el ciclo en un diagrama T-s con respecto a las líneas de saturación, y determine a) la tasa de remoción de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la eficiencia isentrópica del compresor, y c) el COP del refrigerador. Respuestas: a) 19. 4 kW, 5.06 kW; b) 82. 5 por ciento; c) 3.8 3 En un ciclo reversible, la variación de entropía es cero. En todo proceso irreversible la variación de entropía es mayor que cero. Enunciado de Clausius No es posible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. Enunciado de Kelvin-Planck No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión de este calor en trabajo. tener dos o más ciclos de refrigeración que operan en serie. Tales procesos se denominan ciclos de refrigeración en cascada. Un ciclo de refrigeración en cascada de dos etapas. Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el ciclo inferior (ciclo B). 𝛿𝑄 Para ciclos internamente reversibles: ∮ ( ) = 0. 𝑇 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 > 0 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑟𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑆𝑔𝑒𝑛 { = 0 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 < 0 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 I. Ciclo de Rankine ideal simple 1-2 Compresión isentrópica de líquido saturado (1) en bomba. 2-3 Adición de calor a presión constante en caldera. Líquido comprimido (2) pasa a ser vapor sobrecalentado (3). 3-4 Expansión isentrópica en turbina. 4-1 Rechazo de calor a presión constante en condensador. Vapor húmedo (4) se condensa y pasa a ser líquido saturado (1). Fig. 3 - a) Esquema ciclo Rankine ideal simple. b) Diagrama T-s ciclo de Rankine ideal simple [1 ¿El área comprendida dentro de un ciclo en un diagrama T-s representa la entrada neta de trabajo para el ciclo de Carnot invertido? ¿Y para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor? El área comprendida dentro de un ciclo de Carnot invertido representa la entrada neta de trabajo. Para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el área bajo la curva del proceso es un diagrama T-S representado la transferencia de calor en proceso internamente reversible. El área bajo la curva del trazo 4-1 representa el calor absorbido por el refrigerante en el evaporador, y el área bajo la curva del proceso 2-3 representa el calor rechazado en el condensador. ¿Qué es una refrigeración en cascada? ¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de la refrigeración en cascada? En los casos en que el intervalo de temperatura que involucra es muy grande, lo que se hace es tener dos o más ciclos de refrigeración que opera en serie. Los dos ciclos se conectan por medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como el evaporador para el ciclo superior (ciclo A) y como el condensador en el ciclo inferior (ciclo B). Los refrigerantes con características más deseables pueden utilizarse en cada ciclo. • El trabajo del compresor disminuye • El calor absorbido del espacio refrigerado aumenta como resultado de las etapas en cascada ¿Cuál es la expresión de Kelvin – Planck de la segunda ley de la termodinámica? Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo. 2) En ausencia total de fricción y de otras irreversibilidades, ¿puede una máquina térmica tener una eficiencia del 100%? Explique No. La eficiencia máxima que puede alcanzar una maquina termina está determinada por la eficiencia de Carnot, la cual es independiente del modo en que se ejecute el proceso y del tipo del fluido. Además esta máquina requeriría que se violara la expresión de Kelvin – Planck. Aire húmedo La temperatura del aire en aplicaciones de acondicionamiento de aire varía de -1 0 a cerca de 50°C. En este intervalo, el aire seco puede tratarse como un gas ideal con un valor cp constante de 1.005 kJ/kg • K [0.240 Btu/lbm• R] con un error insignificante (menor a 0.2%) La entalpía del vapor de agua en el aire puede considerarse igual a la entalpia del vapor saturado a la misma temperatura El aire seco no contiene vapor de agua y, por ende, su humedad específica es cero. A medida que se añada más vapor o humedad, la humedad específica crecerá hasta que el aire ya no pueda contener más humedad. En este punto se dice que el aire estará saturado por humedad, y se le denomina aire saturado. Cualquier humedad agregada al aire saturado se condensará. La cantidad de humedad que el aire contiene (mv) respecto a la cantidad máxima de humedad que el aire puede contener a la misma temperatura (mg) Se conoce como humedad relativa La humedad relativa varía de 0 para aire seco a 100 para aire saturado. La cantidad de humedad que el aire puede contener depende de su temperatura. Por lo tanto, la humedad relativa del aire cambia con la temperatura aunque su humedad específica permanezca constante. El aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, por ello la entalpia del aire se expresa en términos de las entalpias del aire seco y del vapor de agua. La humedad específica es la cantidad real de vapor de agua por 1 kg de aire seco, mientras que la humedad relativa es la proporción entre la cantidad real de humedad en el aire y la cantidad máxima de humedad que el aire pudiera contener a esa temperatura. La entalpia total (una propiedad extensiva) del aire atmosférico es la suma de las entalpias del aire seco y del vapor de agua: h = ha+ whg, (kJ/kg aire seco) La temperatura ordinaria del aire atmosférico se conoce como la temperatura de bulbo seco El exceso de humedad en el aire se condensa en las superficies frías y forma el rocío. En el verano, una cantidad considerable de agua se evapora durante el día. En la noche, cuando la temperatura desciende, sucede lo mismo con la "capacidad de sostener la humedad" del aire, que es la cantidad máxima de humedad que el aire puede contener. (¿Qué ocurre con la humedad relativa durante este proceso?) Después de cierto tiempo, la capacidad del aire de sostener la humedad se iguala al contenido de humedad de éste. En este punto, el aire está saturado y su humedad relativa es de 100%. Cualquier descenso adicional en la temperatura del aire tiene como consecuencia la condensación de un poco de humedad, y esto es el inicio de la formación del rocío Es posible que en un día caliente y húmedo, al comprar un refresco de lata frío en una máquina expendedora, se advierta que se forma rocío sobre la lata. Esa formación de rocío indica que la temperatura de la bebida está por debajo de la Tpr del aire de los alrededores Cuando la temperatura de una lata de bebida fría está por debajo de la temperatura de punto de rocío del aire circundante, la lata "suda". La temperatura de punto de rocío tpr se define como la temperatura a la que se inicia la condensación si el aire se enfría a presión constante. En otras palabras Tpr es la temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor. Para aire saturado, las temperaturas de bulbo seco, de bulbo húmedo y de punto de rocío son idénticas La humedad relativa es una medida de la capacidad del aire para absorber más humedad. La humedad relativa alta retarda el rechazo de calor por evaporación, y la humedad relativa baja lo acelera. La humidificación (agregar humedad) y la des humidificación (eliminar humedad). El aire se calienta y humidifica en el invierno y se enfría y deshumidifica en el verano La humedad específica del aire permanece constante (cu = constante) durante un proceso de calentamiento (o enfriamiento) sin humidificación o deshumidificación. La humedad relativa del aire disminuye durante un proceso de calentamiento, incluso si la humedad específica cu permanece constante. Esto se debe a que la humedad relativa es la relación entre el contenido de humedad y la capacidad del aire de sostener humedad a la misma temperatura, y la capacidad de sostener humedad aumenta con la temperatura Un proceso de enfriamiento a humedad específica constante es similar al proceso de calentamiento analizado antes, excepto que la temperatura de bulbo seco disminuye y la humedad relativa aumenta durante un proceso de este tipo, la humedad relativa del aire disminuye durante un proceso de calentamiento Donde h¡ y h: son las entalpias por unidad de masa de aire seco a la entrada y a la salida de la sección de calentamiento o enfriamiento, La humedad específica del aire permanece constante durante un proceso de enfriamiento simple, pero su humedad relativa aumenta. Si la humedad relativa alcanza niveles extremadamente altos, tal vez sea necesario eliminar algo de humedad en el aire, es decir, deshumidificarlo. Para esto es necesario enfriar el aire por debajo de su temperatura de punto de rocío. El enfriamiento evaporativo se basa en un sencillo principio: cuando se evapora el agua, el calor latente de vaporización se absorbe del cuerpo del agua y del aire de los alrededores. Como resultado, tanto el agua como el aire se enfrían durante el proceso. Transferencia de calor La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por convección k, es la conductividad térmica del material, la cual es una medida de la capacidad del material para conducir calor En el caso límite de Ax -h> 0, la ecuación anterior se reduce a la forma diferencial La relación antes dada indica que la razón de conducción del calor en una dirección es proporcional al gradiente de temperatura en esa dirección. El calor es conducido en la dirección de la temperatura decreciente y el gradiente de temperatura se vuelve negativo cuando esta última decrece al crecer x. La relación antes dada se conoce como ley de Fourier de conducción de calor, e indica que la tasa de conducción de calor en una dirección es proporcional al gradiente de temperatura en esa misma dirección La convección es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que está en movimiento, tiene que ver con los efectos combinados de conducción y movimiento del fluido: mientras más rápido sea éste mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de cualquier movimiento en masa del fluido, la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente es por conducción pura Hay convección forzada si el fluido es forzado a fluir en un tubo o sobre una superficie por medios extemos, como un ventilador, una bomba o el viento. En cambio, se trata de convección libre (o natural) si el movimiento del fluido es ocasionado por las fuerzas de flotación inducidas por diferencias de densidad debidas a la variación de temperatura en el fluido La tasa de transferencia de calor por convección Qconv se determina a partir de la ley de enfriamiento de Newton, expresada como: h es el coeficiente de transferencia de calor por convección, A es el área superficial en la cual tiene lugar la transferencia de calor, Ts es la temperatura de la superficie y Tf es la temperatura del fluido lejos de la superficie La conductividad térmica de un gas crece al aumentar la temperatura y al disminuir la masa molar. la razón total de transferencia de calor hacia una superficie, o desde ésta, por convección y radiación se expresa como Qtotal = h combinado A s (Ts - T∞ ) (W) la transferencia de calor a través del vacío sólo se produce por radiación, ya que la conducción o la convección requieren de la presencia de un medio material. Conductancia térmica, que se considera incluye el efecto del tamaño y la forma del cuerpo conductor. La conductancia es la intensidad de flujo de calor por grado de diferencia de temperatura, o sea, Q/ deltat. El recíproco de esta conductancia es la resistencia térmica, R = L/ (kA) = deltat/Q. En el caso de flujos paralelos, ambos fluidos entran por la sección A y sus temperaturas se acercan una a la otra a medida que pasan hasta la sección B. En la sección A y cerca de ella, figura 19/5(a), la diferencia de temperatura es máxima y, por consiguiente, la intensidad del flujo de calor y el grado de disminución de la diferencia de temperatura son máximos. Conforme las temperaturas de los fluidos se aproximan entre sí, disminuye la tasa de cambio de las temperaturas y las curvas se aplanan. En la figura 19/5(b), el caso de circulación contraria o a contraflujo, el fluido calentado entra por la sección B y sale por la A. Al contrario de los flujos paralelos, la transferencia de calor se produce entre los fluidos en el momento en que cada uno se encuentra en su estado de menor temperatura, así como cuando cada cual se halla en su estado de mayor temperatura. La transferencia térmica en un cambiador de circulación a contraflujo tiende a conservar energía disponible y posibilita alcanzar una temperatura final superior en el fluido que se calienta, que la que podría obtenerse con un cambiador de circulación paralela. La ecuación del flujo de calor unidimensional: Cilindro: cilindro 3 capas Esfera: A veces resulta conveniente expresar la transferencia de calor a través de un medio de una manera análoga a la ley de Newton del enfriamiento, como U es el coeficiente de transferencia de calor total. La distribución de temperatura en la pared, en condiciones estacionarias, es una línea recta Se sabe que al agregar más aislamiento a una pared siempre disminuye la transferencia de calor. Entre más grueso sea el aislamiento, más baja es la razón de la transferencia de calor. Agregar aislamiento a un tubo cilíndrico o a una capa esférica es un asunto diferente. El aislamiento adicional incrementa la resistencia a la conducción de la capa de aislamiento pero disminuye la resistencia a la convección de la superficie debido al incremento en el área exterior. La transferencia de calor del tubo puede aumentar o disminuir, dependiendo de cuál sea el efecto que domine. Existen dos maneras de incrementar la razón de la transferencia de calor: aumentar el coeficiente de transferencia de calor por convección, h, o aumentar el área superficial As Cuando se tiene una superficie plana, se sabe que si se recubre con un material aislante, disminuye su transferencia de calor. Porque entre más grueso es el aislante más baja es la velocidad de transferencia de calor. Ya que el área de la pared es constante y al aislarla aumenta la resistencia térmica sin aumentar la resistencia de la convección. Para r2 menor que el radio critico de aislamiento el aumento del espesor de aislante mejorara la transferencia de calor del cilindro. Para r2 igual a rcr se alcanza la máxima transferencia, y disminuye con r2 es mayor que rcr. El radio crítico para un casco esférico es: rcr, esfera = 2k/h rcr, cilindro = k/h The steady rate of heat transfer through window glass then becomes T T [24 (5)]C Q 1 2 114 W Rtotal 0.2539 C/W The inner surface temperature of the window glass can be determined from T T Q 1 1 T1 T1 Q Rconv,1 24 o C (114 W)(0.0417 C/W) = 19.2C Rconv,1 Podemos, pues. imaginarnos la entropía como una "sustancia", como un fluido que, aparte de poder atravesar los límites de un sistema, posee manantiales en los cuales se puede generar nueva entropía, cuando el proceso que tenga lugar sea irreversible. Se entiende por Máquina térmica todo equipo que transforma calor en trabajo mecanico operando cíclicamente Una trasferencia de calor sólo será reveníble si el que cede calor y el que Recibe calor están a la misma temperatura Todo ciclo revenlble de una maquina térmica que Intercambia, calor con ·dos fuentes, debe tener entre las transformaciones que lo, Integran una transformación .isotérmica realizada a la temperatura de lo fuente Caliente, En sistemas adiabáticos, el proceso reversible es el que mayor trabajo suministra El flujo de radiación incidente sobre una superficie desde todas direcciones se llama irradiación G = pi*I radiosidad J: Las superficies emiten radiación y la reflejan, por tanto, la radiación que sale de una superficie consta de componentes emitidas y reflejadas en donde le+r es la suma de las intensidades emitida y reflejada. los materiales pueden exhibir un comportamiento diferente a longitudes de onda diferentes y la dependencia con respecto a la longitud de onda La emisividad de una superficie representa la razón entre la radiación emitida por la superficie a una temperatura dada y la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. La emisividad es una medida de cuán cerca se aproxima una superficie a un cuerpo negro, La emisividad de una superficie real no es constante. Más bien, varía con la temperatura de la superficie, así como con la longitud de onda y la dirección de la radiación emitida La fracción de irradiación absorbida por la superficie se llama absortividad a, la fracción reflejada por la superficie recibe el nombre de reflectividad p, y la fracción transmitida es la transmisividad t; es deci Es decir, la emisividad hemisférica total de una superficie a la temperatura T es igual a su absortividad hemisférica total para la radiación que proviene de un cuerpo negro a la misma temperatura. Esta relación, se le conoce como ley de Kirchhoff ¿?????? Esta relación es válida cuando la irradiación o la radiación emitida son independientes de la dirección. Para tomar en cuenta los efectos de la orientación sobre la transferencia de calor por radiación entre dos superficies, definimos un nuevo parámetro llamado factor de visión, el cual es una cantidad puramente geométrica independiente de las propiedades de la superficie y de la temperatura. F¡ --> ¡ = la fracción de radiación que sale de la superficie i y que choca directamente consigo misma Las relaciones del factor de visión antes desarrolladas son aplicables a cualesquiera dos superficies i y j, siempre que ambas sean emisoras y reflectoras difusas El otro caso límite F¡ ~ j = 1 indica que la superficie j rodea por completo a la i, de modo que toda la radiación que sale de esta última es interceptada por aquélla la suma de los factores de visión desde la superficie i de un recinto cerrado hacia todas las supeificies del propio recinto, incluso hacia símisma, debe ser igual a la unidad Durante una interacción por radiación, una superficie pierde energía por emisión y gana energía al absorber la emitida por otras superficies. Una superficie experimenta una ganancia neta o una pérdida neta de energía, dependiendo de cuál de las dos cantidades es la mayor. La dirección de la transferencia neta de calor por radiación depende de las magnitudes relativas de J; (la radiosidad) y Eh; (el poder de emisión de un cuerpo negro a la temperatura de la superficie). Es desde la superficie si E h; > J; y hacia la superficie si J; > Eh¡' Un valor negativo para Q; indica que la transferencia de calor es hacia la superficie. Toda esta energía de radiación ganada debe ser eliminada desde el otro lado de la superficie a través de algún mecanismo si la temperatura superficial debe permanecer constante. La resistencia superficial a la radiación para un cuerpo negro es cero, puesto que S ; = 1 YJ¡ = Eh;' La transferencia de calor por radiación entre dos superficies cualesquiera, se calcula determinando el factor de forma F12, que se interpreta como la fracción de energía radiante total que abandona la superficie A1, (q1→ semiesfera) y llega directamente a una segunda superficie A2, (q1→2) Por ser la entropía una variable de estado. es indiferente el cambio de estado cuasi-estático que se escoja, del estado 1 al estado 2, para calcular su diferencia de entropías. El cambio de estado que el sistema sigue realmente y el cambio de estado escogido para calcular su variación de entropía no es, pues. necesario que coincidan El cambio de estado cuasi-estático de un proceso adiabático reversible recibe el nombre de ·isoentrópico (a entropía constante) En los procesos adiabáticos irreversibles, la entropía del estado final es mayor que la entropía del estado inicial: S2 > S1 La entropía de un sistema adiabático no puede disminuir nunca. En cualquier proceso natural (irreversible), la entropía del sistema aumenta. En procesos reversibles permanece constante Esta variable de estado es una variable extensiva, o sea, proporcional a la cantidad de materia del sistema Transferencia de calor en sistemas revesiblas las tempreraturas permanecen constante Podemos, pues. imaginarnos la entropía como una "sustancia", como un fluido que, aparte de poder atravesar los límites de un sistema, posee manantiales en los cuales se puede generar nueva entropía, cuando el proceso que tenga lugar sea irreversible .cuanto mayor es la entropía generada, tanto más rápido es el proceso irreversible. la entropía de un gas ideal disminuye al aumentar la presión, las isóbaras correspondientes a presiones elevadas se hallarán, en el- diagrama T, s considerado, a la izquierda de las isobaras correspondientes a presiones más bajas. Por el contrario, las isométricas se encuentran tanto más desplazadas hacia la derecha, cuanto mayor es el volumen específico, ya que la entropía aumenta al aumentar el volumen específico La energía interna es una forma de la energía de inferior calidad que el trabajo o la energía mecánica (potencial. o cinética) ya que no es completamente c0nvertible en otras formas de la energía. Asimismo, el calor es otra forma de la energía incapaz de sufrir una transformación completa en otras formas de energía. PLAXCK formuló el Segundo Principio en forma análoga, diciendo que era imposible construir una máquina de funcionamiento periódico que absorbiese calor de una fuente y lo transformase completamente en trabajo. A una máquina de este tipo, le dio el nombre de perpetua Mobile de segunda especie. El rendimiento de una máquina térmica alcanza su máximo valor cuando todos los procesos que tienen lugar en el sistema integrado por la máquina térmica, la fuente caliente y la fuente fría, son reversibles. De ellos se deduce que, cuanto más alta es la temperatura de la fuente caliente, tanto mayor es Nc. El calor es, pues, tanto más aprovechable cuanto mayor sea la temperatura a la cual se pueda disponer de él. Por otro lado, Nc 0 se hace mayor al disminuir la temperatura T0 de la fuente fría. Se intentará, pues, en cada ciclo de trabajo de una máquina térmica, ceder el calor a una fuente fría cuya temperatura sea lo más baja posible. Prácticamente ésta será la temperatura Tu del medio ambiente. El vapor húmedo es una mezcla de líquido en ebullición y de vapor saturado (gas) en equilibrio termodinámico, o sea, a la misma presión y temperatura. Titulo. Indicando la masa del líquido en ebullición como m´ y como m" la masa del vapor saturado en equilibrio termodinámico con el líquido, el título será En el caso de realizar el proceso con un gas ideal, al no depender su entalpía más que de su temperatura, ésta no sufrirá variación alguna. Por el contrario, si el experimento lo realizamos empleando un gas real, como que su entalpía también depende de la presión, la temperatura no permanecerá constante. A este fenómeno se lo denomina efecto JouleThomson. El sobrecalentamiento implica agregar al ciclo la zona que hemos Indicado como C. El agregado del sobrecalentamiento produce un aumento en el rendimiento Es decir. Que cuanto mayor sea la temperatura final de sobrecalentamiento mejor sería el rendimiento Al trabajo constantemente realizado por un sistema abierto y en proceso continuo se le denomina trabajo técnico o trabajo en el eje. (Movimiento del fluido) La diferencia (P2 v 2 - P1 v1) recibe el nombre de trabajo de desplazamiento. El trabajo técnico es, pues, igual a los trabajos de expansión y rozamiento (w12) disminuíos en el trabajo de desplazamiento (P2 V2 -- P1 v1) y en la variación de la energía cinética y potencial Un tipo particular de procesos adiabáticos lo forman los procesos de derrame. Los definimos por la condición de que q12 = O y wu2 = O. Así, por ejemplo, una tubería o una tobera no poseen ninguna instalación especial para la absorción o cesión de trabajo técnico. Son procesos de derrame puros. Los procesos de derrame adiabático se discutirán en detalle en el epígrafe 5-2. Ahora sólo nos referiremos a uno de ellos: el estrangulamiento adiabático En caso de que el cambio de estado del ciclo.. Sistemas abiertos Sistemas abiertos En estos procesos, el trabajo no depende del tiempo, y a tiempos iguales se proporciona igual trabajo. A este trabajo constantemente realizado por un sistema abierto y en proceso continuo se le denomina trabajo técnico o trabajo en el eje, el trabajo técnico Wti2 y está ligado con el movimiento del medio que fluye. Espacio nocivo: Ranking supercrítico: Ciclo supercrítico se refiere a que el calentamiento, ebullición del agua se hace a temperatura y presión por encima del punto crítico del agua, prácticamente se lo conoce este proceso como ebullición instantánea (no hay cambio de fase por dentro de la campana la misma no se ubica dentro de las líneas de saturación sino que va por fuera de dichas líneas) Consiste en aumentar la presión en la caldera y con esto la temperatura, pasar la temperatura del punto crítico obteniéndose gas completamente y luego se expande en la turbina en el estado 3 (tengo gas todo gas) La eficiencia térmica de este ciclo viene dada por: La eficiencia de este ciclo es de un 44,8%, mucho más grande que las plantas que trabajan con un ciclo de Rankine normal, en donde la eficiencia alcanza un 33%. También trabaja por sobre la T° crítica, por lo tanto no hay cambio de fase. CICLO FRIGORÍFICO A GAS Durante el proceso 1·2 el gas absorbe calor a presión constante, realizando el efecto frigorífico. Luego es comprimido adiabáticamente, proceso 2·3, mediante un compresor; a continuación se le quita calor a presión constante, proceso 3-4 y se cierra el c1clo expandiéndolo en una turbina