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Las leyes de la
termodinámica
Un resumen sencillo de estas
leyes y de sus consecuencias
energéticas
Enrique Posada
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
Balance de Energía para un
Sistema
Es la aplicación práctica
de la primera ley.
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.
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.
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.
Expresión de la primera ley para un sistema
que fluye de manera uniforme y estable
Q-W = Σms (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
Expresión de la primera ley
para un sistema que está
sujeto a un ciclo cerrado
Q-W = 0
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.
Segunda ley de la termodinámica
Establece límites y
direcciones a los
procesos de
intercambio energético
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.
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.
Maquina térmica para
generar trabajo
Qh
Caldera
Bomba
Turbina
Condensador
Ql
W
Eficiencia térmica de una
máquina para generar trabajo
η = W / Qh
η =1 – Ql/Qh
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
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
Entropía (1)
• Es una propiedad de las sustancias
que permite determinar la
reversabilidad de los procesos.
• Se define mediante la siguiente
expresión:
dS = (δQ/T) rev
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.
Comparación de procesos reversibles e irreversibles
W
Σme (hi+ECi+ EPi)
Wrev
Q
[m2(u2+EC2+EP2)m1(u1+EC1+EP1)]
Wc
Wrevs
Σmi (hi+ECi+ EPi)
[m2(u2+EC2+EP2)m1(u1+EC1+EP1)]
Σms (he+ECe+ EPe)
Qo a To
Qrevs
Σme (he+ECe+ EPe)
¿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 irreversabilidad equivale entonces a un trabajo
perdido
Irreversabilidad
• 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
irreversabilidad I como
I = Wrev - W
Transmisión de calor reversible cuando hay
diferencias de temperatura finita entre el sistema
y la fuente de calor
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 + Σms – Σme) –Qrevs
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)]
Irreversabilidad
I = ΣmeTose - Σmi Tosi +
m2Tos2- m1Tos1 - Q
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