Se presenta un resumen sencillo de estas leyes y de sus consecuencias energéticas y prácticas. Se establece las relaciones entre los flujos de energía que experimenta un sistema físico y la forma en que cambian sus propiedades Se establece que hay límites y direcciones a los procesos de intercambio energético, a través de la segunda ley. Se presenta el concepto de entropía. Se presentan algunos aspectos prácticos para aumentar la disponibilidad y disminuir la irreversibilidad de los procesos Reversibilidad, como sucesión de estados de orden y equilibrio. Irreversibilidad, como sucesión de estados de desorden y desequilibrio Para que un proceso esté exento de irreversibilidades, es decir sea ideal, se debe cumplir que: -La generación de trabajo y los movimientos ocurran sin presencia de fricción. -No ocurran mezclas de sustancias diferentes ni se dé lugar transformaciones radicales y reacciones químicas. -La transmisión de calor se dé a través de diferencias de calor infinitesimales (es decir, muy pequeñas). Como se aprecia siempre existirá irreversibilidad.

1. La entropía, las leyes de la
termodinámica y sus
aspectos prácticos
Un resumen sencillo de estas
leyes y de sus consecuencias
energéticas y prácticas
Enrique Posada

2. Primera Ley de la
termodinámica
Establece las relaciones entre
los flujos de energía que
experimenta un sistema físico y
la forma en que cambian sus
propiedades

3. Balance de Energía para un
Sistema
Es la aplicación práctica
de la primera ley.

4. Tipos de Energía que intervienen
en un balance de energía (I)
• Calor (Q) = Energía que entra o sale
de un sistema debido a las diferencias
de temperatura entre la pared del
sistema y el ambiente.
• Trabajo (W) = Energía que se entrega
o se retira por la acción de agitadores
y elementos que hacen que se muevan
los componentes del sistema o que
responden a sus movimientos.

5. Tipos de Energía que intervienen en
un balance de energía (II)
• Energía interna por unidad de masa (u) = La
que poseen las sustancias del sistema en virtud
de su movimiento molecular, es decir, de su
temperatura.
• Trabajo de flujo por unidad de masa (pv) = El
producto de la presión en los límites del sistema
por el volumen específico se denomina trabajo
de flujo. Es el trabajo que hace fluir las
sustancias en las zonas por las que ellas entran
o salen al sistema
• Entalpía ( h) = u + pv = Es la suma de la
energía interna más el trabajo de flujo.

6. Tipos de Energía que intervienen
en un balance de energía (III)
• Energía cinética por unidad de masa
(EC) = ½ V^2 = Es la energía que
tienen las sustancias en virtud de su
movimiento masivo.
• Energía potencial por unidad de
masa (EP) = g z = Es la energía que
tienen las sustancias en virtud de su
posición relativa vertical.

7. Expresión de la primera ley para un sistema
que fluye de manera uniforme y estable
Q-W = Σme (he+ECe+ EPe) -
Σmi (hi+ECi+ EPi) +
[m2(u2+EC2+EP2)- m1(u1+EC1+EP1)]
e= en las salidas de sustancias
i=en las entradas de sustancias
1= al inicio del proceso
2= al final del proceso

8. Expresión de la primera ley
para un sistema que está
sujeto a un ciclo cerrado
Q-W = 0

9. Sentido práctico de la primera ley
• Es posible convertir calor en trabajo mecánico útil
mediante máquinas térmicas.
• Las máquinas y turbinas de vapor, los motores de
combustión interna, las turbinas de gas y las
plantas térmicas son consecuencia práctica de esta
conversión.
• Esta conversión ha permitido el desarrollo industrial
y el desarrollo tecnológico con base en la utilización
de los combustibles fósiles.
• Antes de estos descubrimientos se dependía de las
energías humana, animal, eólica e hidráulica para
realizar trabajo mecánico útil.

10. Segunda ley de la termodinámica
Establece límites y
direcciones a los
procesos de
intercambio energético

11. Expresión de la segunda ley
• Es imposible construir un aparato que opere
en un ciclo y cuyo único efecto sea generar
trabajo a partir del intercambio de calor
con una única fuente de calor.
• Es imposible construir un aparato que opere
en un ciclo y cuyo único efecto sea
transmitir calor de fuente fría a una
fuente caliente.

12. Consecuencias prácticas de la
segunda ley
• Las máquinas que generan potencia
mecánica a partir del calor recibido de una
fuente caliente, generan calor de desecho y
deben contar con una fuente fría que
reciba ese calor.
• Los equipos de refigeración necesitan
potencia mecánica y por ello entregan a la
fuente caliente mayor calor que el que
extraen al refrigerar la fuente fría.

13. Maquina térmica para
generar trabajo
Bomba Turbina W
Caldera
Qh
Condensador
Ql

14. Eficiencia térmica de una
máquina para generar trabajo
η = W / Qh
η =1 – Ql/Qh

15. Eficiencia térmica de una máquina
para generar trabajo
Una máquina reversible permite
lograr la máxima eficiencia al
trabajar entre dos fuentes dadas de
temperatura Th y Tl. Esta máquina
se llama de Carnot. Para ella :
η =1 – Tl/Th

16. Condiciones de Reversebilidad en
un proceso térmico
• Transmisión de calor a través de
diferencias de calor infinitesimales
(muy pequeñas).
• Generación de trabajo sin presencia
de fricción.
• No ocurren mezclas de sustancias
diferentes

17. Entropía (1)
• Es una propiedad de las sustancias
que permite determinar la
reversibilidad de los procesos.
• Se define mediante la siguiente
expresión:
dS = (δQ/T) rev

18. Entropía (2)
Para los procesos reales, que son
irreversibles, la segunda ley
conduce a que
dS > (δQ/T)
Por ello, los cambios de entropía
permiten determinar si un proceso
es reversible o no.

19. Comparación de procesos reversibles e irreversibles
[m2(u2+EC2+EP2)-
m1(u1+EC1+EP1)]
W Q
Σme (he+ECe+ EPe)
Σmi (hi+ECi+ EPi)
[m2(u2+EC2+EP2)-
m1(u1+EC1+EP1)]
Wrevs Qrevs
Σmi (hi+ECi+ EPi) Σme (he+ECe+ EPe)
Qo a To
Wc
Wrev

20. ¿Cómo se logra la Transmisión de calor reversible
cuando hay diferencias de temperatura finita
entre el sistema y la fuente de calor ?
Se logra esta transmisión de calor Qrev
colocando una máquina térmica reversible entre el
sistema y la fuente externa a temperatura To,
que aproveche la diferencia de temperatura .
Esto permite obtener más trabajo neto en el caso
de la máquina reversible.
La irreversibilidad equivale entonces a un trabajo
perdido

21. Irreversibilidad
• El trabajo neto que se obtiene para el
caso de la máquina reversible es
Wrev = Wrevs + Wc
• Al comparar los trabajos obtenidos en
ambos sistemas se obtiene la
irreversibilidad I como
I = Wrev - W

22. Se obtiene un trabajo Wc reversible , con
eliminación de calor a la fuente Qo, de tal
manera que
Wc = Qo – Qrevs (primera ley)
Qo/To = integral de (dS= (δQ/T)rev)
(segunda ley)
Al integrar, se obtiene, para un sistema que fluye
de manera uniforme y estable
Wc = To (m2s2 – m1s1 + Σmese – Σmisi) –
Qrevs
Transmisión de calor reversible cuando hay
diferencias de temperatura finita entre el sistema
y la fuente de calor

23. Trabajo reversible
Al combinar las expresiones
anteriores, se obtiene :
Wrev = Σme (he-Tose+ECe+
EPe) - Σmi (hi+ Tosi+ ECi+ EPi)
+ [m2(u2-Tos2+EC2+EP2)-
m1(u1 – Tos1+EC1+EP1)]

24. Irreversibilidad
I = ΣmeTose - Σmi Tosi +
m2Tos2- m1Tos1 - Q

25. Disponibilidad
Es el trabajo reversible que se puede lograr
llevando la sustancia hasta el equilibrio con el
ambiente ( el cual está a To, ho, So, EPo y sin
EC). Para sistema estable y de flujo estable:
Disponibilidad =
(h-Tos+EC+ EP) - (ho +Toso+ EPo) =
Dh – To Ds + DEC + DEP

26. Algunos aspectos prácticos
Veamos algunos aspectos prácticos para aumentar
la disponibilidad y disminuir la irreversabilidad de
los procesos
Reversibilidad sucesión de estados de orden y
equilibrio.
Irreversibilidad, sucesión de estados de
desorden y desequilibrio

27. Algunos aspectos prácticos
El desequilibrio es deseable en los procesos de
transferencia pues se desean aumentar las
velocidades de proceso, y ellas en general
dependen de diferencias de temperatura, de
concentraciones, de niveles.
Es por ello un arte generar reversibilidades,
sucesiones de estados de orden y equilibrio, en
medio del ambiente de irreversibilidades y
sucesión de estados de desorden y desequilibrio
necesarios.

28. Algunos aspectos prácticos
Para que un proceso esté exento de irreversibilidades, es
decir sea ideal, se debe cumplir que:
• La generación de trabajo y los movimientos ocurran sin
presencia de fricción.
• No ocurran mezclas de sustancias diferentes ni se dé
lugar transformaciones radicales y reacciones químicas.
• La transmisión de calor se dé a través de diferencias de
calor infinitesimales (es decir, muy pequeñas).
Como se aprecia siempre existirá irreversibilidad.

29. Algunos aspectos prácticos
En la práctica, estas características son inalcanzables, Sin
embargo, cuando se trabaja en esa dirección, se logra
aumentar las eficiencias de los procesos, con acciones como
las siguientes:
Ciclos combinados y sistemas de recuperación de calor. Buscan
interponer un elemento aprovechador de la energía entre una
fuente caliente y el ambiente, buscando la transmisión de
calor a través de diferencias pequeñas.
Recirculaciones de energía. Buscan disminuir los flujos netos
que van al ambiente, rebajando la posibilidad de mezclas e
irreversibilidades. Lo que se hace es retornar a las entradas
del equipo parte de los flujos de salida. Otra posibilidad es la
de extraer energía a la corriente de desecho, para reemplazar
energía suministrada.

30. Algunos aspectos prácticos
Combustiones completas con menores excesos de aire. Buscan
disminuir los flujos netos que van al ambiente, rebajando la
posibilidad de mezclas e irreversibilidades.
Aislantes térmicos. Buscan interponer un elemento que evite
el flujo de la energía entre una fuente caliente y el ambiente,
buscando la transmisión de calor a través de diferencias
pequeñas, ya que la pared del aislante trabaja a temperaturas
muy cercanas a las del ambiente.
Utilización de lubricantes de alta calidad y diseño correcto de
los sistemas de lubricación para rebajar las fricciones. Lo que
ocurre con esto es que se rebajan las generaciones de
calentamiento por fricción y se disminuyen los daños de los
materiales al trabajar bajo condiciones menos sometidas a
rozamientos y desgates.

31. Algunos aspectos prácticos
Catalizadores. Son sustancias que facilitan los procesos
químicos, sin que se vean alteradas por el proceso como tal,
Su presencia contribuye a que ocurran menos mezclas de
sustancias diferentes y a que no haya niveles extremos de
transformaciones radicales de las sustancias.
Construir los equipos con elegancia, con mecanizados y
ajustes de alta calidad. En esta forma se lograr trabajar con
menos fricción y con mayor simetría en los flujos, lo cual da
lugar a menores disipaciones y pérdidas y a mayor facilidad
de balance y control.

32. Algunos aspectos prácticos
En lo anterior es clave entender y manejar
bien todo lo que tiene que ver con el análisis
y mejora de la infraestructura

33. Para una excelente Gestión
Energética es fundamental
incluir dentro de las políticas
de manejo la infraestructura
de la Organización
En estas estrategias se
deben incluir, entre otros,
los siguientes aspectos:
La infraestructura en la Gestión Energética (GE)
Revisión.
Vigilancia y
actualización
tecnológica.
Verificación de estado.
Certificaciones.
Permisos.

34. Es importante tener en cuenta que la
infraestructura en una Organización está
integrada, entre otras, por:
Software.
Equipos de medición.
Equipos de proceso.
Sistemas de interconexión.
Sistemas de transporte y almacenamiento.
Edificaciones y planta física.
Cada elemento puede ser origen de
irreversibilidad es

35. Aspectos
1. Documentación sobre los equipos, los servicios
y la infraestructura.
1. Documentación sobre los equipos, los servicios
y la infraestructura.
2. Conocimiento de la calidad de la energía y de
los servicios asociados.
2. Conocimiento de la calidad de la energía y de
los servicios asociados.
3. Conocimiento de la calidad medio ambiental y
de la calidad de la gestión humana.
3. Conocimiento de la calidad medio ambiental y
de la calidad de la gestión humana.
4. Conocimiento de los flujos de proceso y de los
flujos de energía.
4. Conocimiento de los flujos de proceso y de los
flujos de energía.
5. Análisis de la cultura energética y ambiental.
5. Análisis de la cultura energética y ambiental.

36. Dentro del estado del arte.
Equipos modernos con alto nivel de tecnología, controles e instrumentación,
dotados de cuartos de control con elementos de diagnóstico e indicación que
facilitan el análisis energético, ambiental y de producción. Con información
actualizada y completa. Operados por personal entrenado y motivado.
Este es el estado ideal al cual debe aproximarse la organización, además de
contar con los elementos para llevarlos a lo óptimo
En buen estado de funcionamiento.
Equipos con muchos años de funcionamiento, pero que se tienen en buenas
condiciones. Razonablemente dotados con instrumentos e información suficiente
para logar buenas productividades y buen manejo ambiental y energético.
Operados por personas entrenadas y motivadas.
Este es un estado razonable que se puede completar con algunas acciones
para modernizar, instrumentar y controlar, con base en análisis de costo
beneficio.

37. Este es un estado que debe ser gestionado deliberadamente para llevar
los equipos y procesos a situaciones de buen estado o a cambios de la
tecnología.
Deteriorados y con necesidad de mejoras técnicas.
Equipos con cierto nivel de deterioro y con claros aspectos por mejorar. Equipos
que por su naturaleza, por el tipo de productos que manejan, por el ambiente de
trabajo o por su antigüedad exhiben evidencias de problemas operativos,
energéticos y ambientales (fugas, aires falsos, ruido, vibraciones, inseguridad,
deterioro superficial, elementos hechizos, desniveles, corrosión, instrumentos y
elementos de control dañados, entre otros). Con problemas operativos y con
carencias de entrenamiento del personal.

38. Mantenimiento de equipos e infraestructura
El mantenimiento es muy importante, pues de su buen estado o
funcionamiento depende en gran parte que se puedan alcanzar
las metas planteadas para disminuir la irreversibilidad
Mantenimiento correctivo: es el que lleva a intervenir los
equipos una vez estos han mostrado indicaciones de falla o
funcionamiento defectuoso.
Mantenimiento preventivo: es el que se planifica o programa
con el fin de evitar daños en los equipos, y está coordinado
con la producción.
Mantenimiento predictivo: es el que se adentra en la
simulación de las variables de los procesos, con base en el
conocimiento, la modelación y el manejo de datos e
información

39. Seguimiento a consumos, cálculos de eficiencias
e indicadores
Aplicado especialmente a los equipos de procesos que
hacen parte del plan de gestión energética, pues requieren
algún tipo de energía para su funcionamiento, ya que estos
generan un mayor impacto en los consumos de energía y
por lo tanto deben ser discriminados en los programas
ambientales. Acá están buena parte de las fuentes de la
irreversibilidad . Acá se requiere ingeniería y conocimientos
de termodinámica y de las leyes de la naturaleza.
Todos los seguimientos que se realicen en estos sistemas
deberán ser documentados, pues permiten en el futuro
conocer el historial de acciones e intervenciones al
sistema.

40. Sistema de auditorías
Las auditorías del sistema de gestión son realizadas por
una persona externa al equipo de trabajo, para permitir
que tenga una visión objetiva de cada etapa del proceso.
En esta evaluación se verifica si se está haciendo el
tratamiento correcto a la información de la GE, por
ejemplo: si están correctamente documentadas las
medidas correctivas que toman en los procesos y si las
responsabilidades se están cumpliendo por parte de la
persona designada en la estructuración del plan
energético.
La irreversibilidad es uno de los resultados del deterioro y
de la falta de atención.

41. ¿Qué tener en cuenta para una auditoría?
• Conocer y describir detalladamente el proceso.
• Contar con diagramas de flujo.
• Conocer la información sobre consumos.
• Hacer reuniones previas con los responsables de los
procesos.
• Tener mentalidad de identificar oportunidades.
• Definir objetivos de la auditoría.
• Preparar formatos para la recolección de datos.
• Reportar para el logro de las buenas prácticas

42. Pura física aplicada: Conocimiento de la calidad
de la energía, de los servicios asociados y de las
fuentes de irreversibilidad que tienen
Cuando se habla de calidad de la energía es importante
examinar los diferentes tipos de energéticos y de usos y flujos
de energía, entre los que se cuentan:
Combustibles
fósiles
Energía
eléctrica
Biomasas
Vapor
Aire
comprimido
Agua
caliente
Agua a
presión
Calor Refrigeración
Trabajo
mecánico
Fuentes
Acondicionamientos

43. Tiempo de residencia en los hogares y cámaras de
combustión.
Turbulencia resultante de la buena mezcla con aire u
oxígeno comburentes, a velocidades de llama apropiadas,
con excelente contacto y tamaño del combustible, sea
atomizado, molido o dispersado.
Temperatura que debe ser la suficiente para garantizar
combustión completa y excelente transferencia de calor
a los medios que se van a calentar. De las combustiones
se puede extraer energía para la realización de múltiples
procesos.
LAS TRES T

44. Frontera Se refiere a los límites de los sistemas. Tiene
que ver con aislamientos, calidad, irregularidad, escapes
y sellos, esquinas y discontinuidades, fricción,
inyecciones, válvulas, entradas y salidas.
Contaminación y agentes externos Impurezas,
desequilibrios en las reacciones, catalizadores positivos
y negativos, reacciones secundarias, hollines, depósitos y
suciedades.
Desajustes y faltas de control Irregularidades en las
presiones y temperaturas, problemas de dosificación,
explosiones, apagones, suspensión de flujos y de energía,
variaciones en las ratas y flujos.
El IMPACTO DE LAS FRONTERAS Y LOS AGENTES
EXTERNOS EN LA IRREVERSIBILIDAD

45. Los tres
elementos
básicos y
los
múltiples
aspectos
de la
sostenibili
dad
Industria
Investigación
Educación

46. Tema Factor Espacio tecnológico
Duración y ciclo de vida Propiedades de los materiales Laboratorios – Entes reguladores
Detalles de diseño Comportamiento Diseño - Consultoría
Corrosión, erosión, desgaste Naturaleza del ambiente Mantenimiento - Administración
Impacto y riesgos Circunstancias mitigantes o
adversas
Consultoría - evaluación de
riesgos
Interacción de los materiales Tamaños, superficies, energías
disponibles, propiedades
Análisis de comportamientos
biológicos, ecológicos,
estructurales y superficiales
Niveles visibles de comportamiento
Niveles ocultos de comportamiento
Niveles potenciales de
comportamiento
Estudio y observación
Descubrimientos e
investigación
Creatividad e innovación
Investigación y el desarrollo
Estudios, estadística, registros.
Ecología, economía, costo-
beneficio
Tecnología aplicable Disponibilidad, inversiones,
costos, riesgos , diseño
Gestión de la tecnología -
Planeación
La tecnología y los grandes retos

47. MUCHAS GRACIAS
ENRIQUE POSADA RESTREPO
eposadar@yahoo.com