aplicación de la segunda ley a maquinas termicas

1. 0
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
INGENIERÍA MECÁNICA
TERMODINÁMICA I
ING. ORLANDO PINEDA
JOSÉ CASTRO RUEDA
23/01/2018

2. 1
Tabla de contenido
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y SU APLICACIÓN EN MÁQUINAS TÉRMICAS ......2
Objetivos generales ..............................................................................................................2
Objetivos específicos ............................................................................................................2
Segunda ley de la termodinámica ..........................................................................................2
Máquinas Térmicas ..............................................................................................................3
Refrigeración y bomba de calor .............................................................................................6
Procesos reversibles..............................................................................................................6
Procesos Irreversibles ...........................................................................................................8
Ciclo de Carnot....................................................................................................................9
Conclusiones y recomendaciones ........................................................................................12
Bibliografía........................................................................................................................12

3. 2
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y SU APLICACIÓN EN
MÁQUINAS TÉRMICAS
Objetivos generales
 Conocer el concepto de la segunda ley de la termodinámica y sus diferentes
aplicaciones como son las maquinas térmicas
Objetivos específicos
 Conocer el campo de aplicación de la segunda ley de la termodinámica.
 Aprender el funcionamiento de las maquinas térmicas como bombas de calor,
refrigeradores, etc.
Segunda ley de la termodinámica
Los procesos que ocurren en la naturaleza tienden al estado de equilibrio. Hay muchos
ejemplos de esto a nuestro alrededor: el agua fluye de niveles altos a niveles bajos, el
calor fluye de altas a bajas temperaturas, los gases se expanden de altas a bajas presiones,
etc. Los procesos que ocurren de manera espontánea en la naturaleza pueden revertirse;
sin embargo, no lo hacen en forma espontánea, aunque se satisfaga la Primera Ley de la
Termodinámica. Para que un proceso que no es espontáneo ocurra, es necesario
suministrar energía; por ejemplo, para que el agua vaya de un nivel bajo a uno más alto
es necesario suministrar energía al fluido mediante una bomba; y para aumentar la presión
de un gas es necesario comprimirlo.
Un proceso espontáneo puede ocurrir sólo en una dirección, pero la Primera Ley de la
Termodinámica no da información acerca de la dirección de un proceso, únicamente
establece que cuando una forma de energía es convertida en otra, cantidades de energía
idénticas están involucradas sin importar la factibilidad del proceso. Por tanto, la Primera
Ley de la Termodinámica es insuficiente para describir de manera completa los procesos
de transferencia de energía.
La Segunda Ley de la Termodinámica, en cambio, establece la diferencia en calidad entre
las diferentes formas de energía y explica por qué algunos procesos pueden ocurrir de

4. 3
manera espontánea mientras que otros no lo logran. Como otras leyes físicas en la
naturaleza, existe evidencia experimental que confirma a la Segunda Ley de la
Termodinámica.
Máquinas Térmicas
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en un trabajo
mecánico; es decir, se alimenta energía térmica a la máquina en forma de calor y se
obtiene como resultado trabajo mecánico. Las máquinas térmicas funcionan siguiendo un
ciclo termodinámico.
En ingeniería, una máquina térmica realiza la conversión de calor en trabajo mecánico
mediante un gradiente de temperatura entre una fuente caliente y un sumidero frío. El
calor es transferido desde la fuente a través de un “medio de trabajo” hasta el sumidero.
En este proceso, el calor se convierte en trabajo gracias a las propiedades de la “sustancia
de trabajo”, que generalmente es un gas o un líquido. En la figura 1. se presenta un
diagrama de una máquina térmica.
Tanto la fuente como el sumidero son depósitos térmicos, o sea, sistemas lo
suficientemente grandes y en equilibrio estable al cual, y desde el cual, pueden
transferirse cantidades finitas de calor sin que se produzca ningún cambio en su
temperatura.
Las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas a todas
de la siguiente manera:
• Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo,
reactor nuclear, etcétera).
• Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha
rotatoria).
• Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la
atmósfera, los ríos, etcétera).
• Operan en un ciclo.

5. 4
fig1. Máquina térmica
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. Al fluido se le
conoce como fluido de trabajo.
El término máquina térmica se usa con frecuencia en un sentido más amplio que incluye
dispositivos que producen trabajo que no operan en un ciclo termodinámico. Las
máquinas relacionadas con la combustión interna, como las turbinas de gas y los motores
de automóviles, entran en esta categoría. Estos dispositivos operan en un ciclo mecánico
pero no en un ciclo termodinámico, porque el fluido de trabajo (los gases de combustión)
no experimenta un ciclo completo. En lugar de ser enfriados a la temperatura inicial, los
gases de escape se purgan y se reemplazan por una mezcla fresca de aire y combustible
al final de ciclo.
El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una máquina
térmica es la central eléctrica de vapor, la cual es una máquina de combustión externa, es
decir, la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina y la energía térmica liberada
durante este proceso se transfiere al vapor como calor. El esquema de una central eléctrica
de vapor se muestra en la figura 2. Éste es un diagrama bastante simplificado y el análisis
de la central eléctrica de vapor real se da en capítulos posteriores. Las distintas cantidades
mostradas en esta figura son:

6. 5
 Qentrada= cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una
fuente de temperatura alta (horno).
 Qsalida= cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un
sumidero de temperatura baja (atmósfera, río, etcétera).
 Wsalida = cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una
turbina.
 Wentrada = cantidad de trabajo requerida para comprimir agua a la presión de la
caldera.
fig2. Esquema de una central eléctrica a vapor.
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)
El trabajo neto también se puede determinar de los datos de transferencia de calor
solamente. Los cuatro componentes de la central eléctrica de vapor tienen que ver con
flujo másico que entra y sale, por lo tanto se deben considerar como sistemas abiertos.
Sin embargo, estos componentes junto con las tuberías de conexión siempre contienen el
mismo fluido (sin contar el vapor que pudiera escapar, por supuesto). No entra ni sale
masa de este sistema de combinación, así, se puede analizar como un sistema cerrado.
Recuerde que para que un sistema cerrado experimente un ciclo, el cambio de energía
interna U es cero y, en consecuencia, la salida de trabajo neto del sistema también es igual
a la transferencia neta de calor hacia el sistema:
Wneto,salida = Qentrada + Qsalida (kJ)

7. 6
Refrigeración y bomba de calor
El refrigerador y la bomba de calor son sistemas termodinámicos que operan en un ciclo
donde se transfiere calor desde un cuerpo de baja temperatura hasta uno de alta
temperatura. Para que esta transferencia de energía sea posible, es necesario suministrar
trabajo. El resultado de estos procesos es que la temperatura del cuerpo de baja
temperatura disminuye y la del cuerpo de alta temperatura aumenta. En la figura 3 se
muestra un esquema de la operación de los refrigeradores y las bombas de calor.
fig3. Refrigerador o bomba de calor.
Procesos reversibles
Los procesos reversibles son procesos ideales. Un proceso reversible para un sistema se
define como un proceso que una vez efectuado puede revertirse y no producir ningún
cambio en el sistema o en los alrededores.
Un proceso reversible, o ciclo reversible si el proceso es cíclico, puede revertirse
mediante cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema sin que existan
pérdidas o disipación de energía.
Debido a los cambios infinitesimales, el sistema puede considerarse en reposo durante el
proceso. Como este tipo de procesos tomarían un tiempo infinito para llevarse a cabo, un
proceso perfectamente reversible es imposible.
Se debe señalar que es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un
proceso, sin importar si éste es reversible o irreversible. Pero para procesos reversibles,

8. 7
esta restauración se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores, mientras que
para procesos irreversibles los alrededores normalmente hacen algún trabajo sobre el
sistema, por lo tanto no vuelven a su estado original.
Los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se pueden
lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles.
Entonces, quizá se pregunte por qué preocuparse de esta clase de procesos ficticios. Hay
dos razones: una es que son fáciles de analizar, puesto que un sistema pasa por una serie
de estados de equilibrio durante un proceso reversible; y otra es que sirven como modelos
idealizados con los que es posible comparar los procesos reales.
En la vida diaria, el concepto de una “persona correcta” es también una idealización, tal
como el concepto de un proceso reversible (perfecto). Quienes insisten en hallar a esa
persona correcta para establecerse están condenados a permanecer solos el resto de sus
vidas. La posibilidad de hallar la pareja ideal no es mayor que la de hallar un proceso
perfecto (reversible). Del mismo modo, una persona que insiste en tener amigos perfectos
seguramente no tiene amigos.
Los ingenieros están interesados en procesos reversibles porque los dispositivos que
producen trabajo, como motores de automóviles y turbinas de gas o vapor, entregan el
máximo de trabajo, y los dispositivos que consumen trabajo, como compresores,
ventiladores y bombas, consumen el mínimo de trabajo cuando se usan procesos
reversibles en lugar de irreversibles. Los procesos reversibles pueden ser considerados
como límites teóricos para los irreversibles correspondientes. Algunos procesos son más
irreversibles que otros. Quizá nunca se tenga un proceso reversible, pero es posible
aproximarse. A medida que se tiende hacia un proceso reversible, un dispositivo entrega
mas trabajo o requiere menos trabajo. Figura 4.
El concepto de proceso reversible conduce a la definición de eficiencia según la segunda
ley para procesos reales, que es el grado de aproximación al proceso reversible
correspondiente. Esto permite comparar el desempeño de diferentes dispositivos
diseñados para hacer la misma tarea con base en sus eficiencias. Mientras mejor sea el
diseño, menores son las irreversibilidades y mayor es la eficiencia según la segunda ley.

9. 8
fig4. Procesos reversible e irreversible
Procesos Irreversibles
Un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado
inicial después de que el proceso tuvo lugar.
Un proceso que involucra la transferencia de calor espontánea de un cuerpo caliente a
otro de menor temperatura es irreversible. Si no fuese así, sería posible regresar esta
energía desde el cuerpo de menor temperatura hacia el cuerpo caliente sin ningún efecto
sobre los dos cuerpos o en sus alrededores.
Además del proceso de transferencia de calor espontánea, otros procesos que ocurren de
manera espontánea en la naturaleza son irreversibles. Existen otros efectos que hacen que
un proceso sea irreversible. En general, los procesos irreversibles incluyen una o más de
las siguientes irreversibilidades:
• Transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperaturas.
• Expansión irrestricta de un gas o líquido a una presión más baja.
• Reacción química espontánea.
• Fricción.
• Mezcla de sustancias.
• Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia.
• Deformaciones inelásticas.
• Magnetización o polarización con histéresis.
Aunque en la lista no se incluyen todos los procesos, se observa la tendencia de que todos
los procesos reales son irreversibles. El término irreversibilidad es utilizado para
identificar a cualquiera de estos efectos. En un sistema que pasa por un proceso, las
irreversibilidades pueden ocurrir dentro del sistema o en sus alrededores. Cuando las

10. 9
irreversibilidades suceden dentro del sistema se denominan irreversibilidades internas.
Cuando se dan en los alrededores se conocen como irreversibilidades externas.
Ciclo de Carnot
La figura 5 muestra un sistema que ejecuta un ciclo entre dos depósitos térmicos, uno de
alta temperatura y otro de baja temperatura mientras produce un trabajo neto denominado
Wciclo.
fig5. Ciclo de potencia entre dos depósitos.
La eficiencia térmica del ciclo es:
η=Wciclo/QA =1−QB/QA
donde QA es la cantidad de energía recibida por el sistema desde el depósito de alta
temperatura y QB es la cantidad de energía desechada por el sistema en el depósito de
baja temperatura por transferencia de calor.
Si QB fuera igual a cero, el sistema de la figura 5. extraería la energía en forma de calor
(QA) del depósito de alta temperatura y la transformaría totalmente en trabajo a través
del ciclo. En ese caso, la eficiencia térmica del ciclo sería de 100%.
Sin embargo, esto violaría la Segunda Ley de la Termodinámica por lo que una operación
así de una máquina térmica no es posible. Por ello, para cualquier sistema que opera entre
dos depósitos térmicos, solamente una porción del calor transferido desde el depósito de
alta temperatura (QA) puede ser transformado en trabajo, el resto (QB) debe ser
desechado mediante transferencia de calor al depósito de baja temperatura.

11. 10
Esto significa que la eficiencia térmica debe ser menor a 100%, sin importar los detalles
de la operación del ciclo de una máquina térmica que opera entre dos depósitos térmicos.
Como no existe ningún ciclo de potencia que tenga una eficiencia térmica de 100% es
necesario saber cuál es la máxima eficiencia teórica para sistemas siguiendo ciclos de
potencia entre dos depósitos térmicos. Esto puede expresarse como:
• La eficiencia térmica de un ciclo de potencia irreversible siempre es menor a la
eficiencia térmica de un ciclo de potencia reversible cuando ambos operan entre
los mismos depósitos térmicos.
• Todos los ciclos de potencia reversibles que operan entre los mismos depósitos
térmicos tienen la misma eficiencia térmica.
Depósito de alta temperatura
Un ciclo es considerado reversible cuando no existen irreversibilidades dentro del sistema
y la transferencia de calor entre el sistema y sus alrededores se da de manera reversible.
La idea de que la eficiencia de un ciclo irreversible será siempre menor que la de un ciclo
reversible cuando ambos operen entre los mismos depósitos tiene lógica, ya que el hecho
de que existan irreversibilidades hace que el trabajo producido por el ciclo sea menor y,
por tanto, la eficiencia térmica también lo será.
La Segunda Ley de la Termodinámica limita también la operación de los ciclos de
refrigeración y de bomba de calor, tal y como lo hace para los ciclos de potencia.
Considere la figura 6., donde se muestra un sistema que sigue un ciclo entre dos depósitos
térmicos, uno de alta temperatura y otro de baja temperatura.

12. 11
fig6. Ciclo de refrigeración o de bomba de calor entre dos depósitos
De acuerdo con el principio de conservación de la energía, el ciclo descarga energía QA
por transferencia de calor al depósito de alta temperatura igual a la suma de la energía
QB recibida por transferencia de calor del depósito de baja temperatura y el trabajo neto
suministrado. Este ciclo puede ser un ciclo de refrigeración o de una bomba de calor
dependiendo si la función es remover energía QB del depósito de baja temperatura o
suministrar energía QA al depósito de alta temperatura.
La operación de los ciclos de refrigeración o de bomba de calor no se evalúa utilizando
la eficiencia térmica, para ello se utiliza el coeficiente de operación COP por sus siglas
en inglés (coefficient of performance).
Para un ciclo de refrigeración el coeficiente de operación se calcula así:
COP = QB/ Wciclo = QB/(QA - QB),
Mientras que para un ciclo de bomba de calor se calcula:
COPbc=QA/ Wciclo =QA/(QA - QB)
Si el trabajo neto suministrado al ciclo tiende a cero, los coeficientes de operación para
los ciclos de refrigeración y de bomba de calor tienden a infinito. Si el trabajo neto
suministra- do fuera cero, entonces el sistema tomaría energía del depósito de baja
temperatura QB y la suministraría directamente al depósito de alta temperatura en forma
de transferencia de calor QA. Esto es una violación directa a la Segunda Ley de la
Termodinámica, por lo que no es posible.

13. 12
Así como es de interés saber cuál es la eficiencia máxima teórica que puede tener un ciclo
de potencia que opera entre dos depósitos térmicos, es también necesario conocer el
máximo coeficiente de operación de los ciclos de refrigeración o de bomba de calor que
opera entre dos depósitos térmicos.
• El coeficiente de operación de un ciclo de refrigeración irreversible es siempre
menor que el coeficiente de operación de un ciclo de refrigeración reversible
cuando ambos operan entre los mismos depósitos térmicos.
• Todos los ciclos de refrigeración reversibles que operan entre los mismos
depósitos térmicos tienen el mismo coeficiente de operación.
Conclusiones y recomendaciones
• Es importante conocer la segunda ley de la termodinámica ya que rige la
mayoría de comportamientos de las maquinas térmicas.
• Las maquinas térmicas tienen muchas aplicaciones. Es necesario conocer el
funcionamiento y las leyes que rigen estas maquinas térmicas para efectuar un
diseño exitoso en cuanto a ingeniería.
Bibliografía
Zemansky, Mark W. (1985). Calor y termodinámica. Madrid: McGraw-Hill.
José A. Jimenez, Claudia Gutierrez, Juan G. Barbosa.(2014). Termodinámica. 1era
edición, Grupo editorial patria.
Yunus A, Çengel (2009). Termodinámica, 6ta edición. Mc Graw Hill.
John R. Howell, Richard O. Buckius. Principios de termodinámica para ingeniería.
McGraw Hill.
Erich A. Müller. Termodinámica básica. 2da edición. Editorial equinoccio.