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CAPÍTULO
5
La segunda ley de la
termodinámica
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FIGURA 5-9
Una parte del calor que
recibe una máquina de calor
se convierte en trabajo,
mientras que el resto pasa a
un sumidero.
Alta temperatura
FUENTE
Qen
MÁQUINA
TÉRMICA
Qsal
Baja temperatura
SUMIDERO
5-1
Wneto, sal
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FIGURA 5-10
Esquema de una planta de
vapor para generar energía.
Fuente de energía
(como un horno)
Frontera del sistema
Caldera
Wen
Bomba
Turbina
Condensador
Sumidero de energía
(como en la atmósfera)
5-2
Wsal
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FIGURA 5-14
Esquema de una
máquina de calor.
Depósito de alta
temperatura a TH
QH
Wneto, sal
MT
QL
Depósito de baja
temperatura a TL
5-3
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FIGURA 5-16
El ciclo de una máqina de calor
no puede completarse sin
rechazar algo de calor hacia un
sumidero de baja temperatura.
CARGA
CARGA
Depósito
a 100°C
5-4
Entrada de calor
a (100 kJ)
Salida de calor
a (85 kJ)
Depósito
a 20°C
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FIGURA 5-23
La eficiencia de un
equipo de cocina
representa una fracción
de la energía que se le
suministra y que se
transfiere a la comida.
Eficiencia
5-5
Energía utilizada
Energía suministrada
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FIGURA 5-25
Componente
s básicos de
un sistema
de
refrigeración
y sus
condiciones
típicas de
operación.
Medio circundante
como
el aire de la cocina
CONDENSADOR
Wneto, ent
VÁLVULA DE
EXPANSIÓN
COMPRESO
R
EVAPORADOR
Espacio
refrigerado
5-6
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FIGURA 5-26
El objetivo de un
refrigerador es extraer
calor QL de un espacio
enfriado.
Ambiente caliente
a TH > TL
Entrada
requerida
neto, en
Salida
deseada
Espacio refrigerado
frío a TL
5-7
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FIGURA 5-27
El objetivo de una
bomba de calor es
suministrar calor QH
en un espacio más
caliente
Espacio calentado
más
caliente a TH > TL
Salida
deseada
neto, sal
Entrada
requerida
Ambiente frío
a TL
5-8
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FIGURA 5-33
Prueba de que la violación del
enunciado de Kelvin-Planck
conduce a la violación del de
Clausius.
Depósito de alta
temperatura
a TH
QH
MÁQUINA
TÉRMICA
t = 100%
Depósito de alta
temperatura
a TH
QH + QL
QL
W neto
= QH
REFRIGERADOR
REFRIGERADOR
QL
Depósito de baja
temperatura
a TL
5-9
a) Un refrigerador que es accionado por
una
máquina térmica 100% eficiente
QL
Depósito de baja
temperatura
a TL
b) El refrigerador
equivalente
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FIGURA 5-34
Máquina de movimiento perpetuo que
viola la primera ley de la termodinámica
(MMP1).
neto, sal
Frontera del sistema
CALDERA
Calentador
eléctrico
TURBINA
BOMBA
CONDENSADO
R
5-10
sal
GENERADO
R
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FIGURA 5-43
Ejecución del ciclo de
Carnot en un sistema
cerrado.
(1)  (2)
QH
TH =
const.
Sumidero
de energía
a TL
TH =
const.
Fuente
de energía
a TH
(4)  (3)
QL
a) Proceso 1-2
a) Proceso 3-4
(2)  (3)
TH
TH
TL
a) Proceso 2-3
5-11
(1)  (4)
TL
a) Proceso 4-1
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FIGURA 5-44
Diagrama
P-V del ciclo
de Carnot.
neto,
en
5-12
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FIGURA 5-45
Diagrama P-V
del ciclo inverso
de Carnot.
5-13
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FIGURA 5-46
Los principios de
Carnot.
Depósito de alta
temperatura
a TH
MT
irrev.
1
MT
rev. 2
t,1 < t,2, 2
MT
rev. 3
t,2 < t3, 3
Depósito de baja
temperatura
a TL
5-14
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FIGURA 5-47
Demostración
del primer
principio de
Depósito de alta temperatura a
Carnot.
T
H
MT
irreversible
MT (o R)
reversible
MT + R
combinado
(supuesto
)
Depósito de baja temperatura a
TL
5-15
a) Una máquina térmica reversible y una
irreversible que operan entre los mismos dos
depósitos (la máquina térmica reversible se
invierten después para funcionar como un
refrigerador)
Depósito de baja temperatura a
TL
b) El sistema combinado
equivalente
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FIGURA 5-49
Arreglo de
máquinas de
calor que se usa
para desarrollar
la escala de
temperatura
termodinámica.
Depósito de energía
térmica
a T1
MT
reversibl
e
A
MT
reversibl
e
C
MT
reversibl
e
B
5-16
Depósito de energía
térmica
a T3
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FIGURA 5-55
Fracción de calor que
puede convertirse en
trabajo como función
de la temperatura
fuente (para TL = 303
K).
Depósito de alta temperatura a
TH
MT
reversible
t
Depósito de baja temperatura a TL = 303 K
5-17
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FIGURA 5-57
Ningún
refrigerador
puede tener un
COP más
elevado que un
refrigerador
reversible que
opere entre los
mismos límites
de temperatura.Refrigerador
reversible
COPR = 11
Ambiente
caliente
a TH = 300 K
Refrigerador
irreversible
COPR = 7
Espacio refrigerado frío
a TL = 275 K
5-18
Refrigerador
imposible
COPR = 13
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FIGURA 5-63
Las bobinas condensadoras
de un refrigerador deben
limpiarse periódicamente, y
los conductos de aire no
deben bloquearse para
mantener un elevado
rendimiento.
Gabinete
Aire
caliente
Refrigerador
Bobinas
condensadoras
Aire
frío
5-19