Capitulo 6_a - 2da ley

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SEGUNDA LEY DE LA 
TERMODINÁMICA 
PARTE 1 
M.Sc. Ing. Raúl La Madrid Olivares 
raul.lamadrid@udep.pe 
SECCION FÍSICA 
www.udep.edu.pe 
Av Ramón Mugica 131. Piura. Perú 
073-284500 
INTRODUCCIÓN A LA SEGUNDA LEY 
2 
Entonces los procesos van en una cierta 
dirección y no en dirección contraria 
Una tasa de café no se pone más caliente 
en una habitación fría 
Transferir calor a un alambre no generará 
electricidad 
Transferir calor unas paletas causará que 
rote 
Un proceso debe satisfacer la primera y la 
segunda ley de la termodinámica para que se 
pueda llevar a cabo. 
3 
DEPÓSITO DE ENERGÍA TÉRMICA 
Son depósitos: 
• Grandes cuerpos de agua. 
• Sistema de dos fases. 
• Horno industrial. 
Un cuerpo no tiene que ser muy grande para considerarlo 
como depósito térmico. 
4 
Depósito de energía térmica es un 
cuerpo hipotético que posee una 
capacidad de energía térmica 
relativamente grande (masa * calor 
específico) que pueda suministrar o 
absorber cantidades finitas de calor sin 
experimentar ningún cambio de 
temperatura. 
5 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
Son los dispositivos que se requieren para convertir calor en 
trabajo 
El trabajo siempre puede convertirse directa y completamente en 
calor, pero no ocurre el fenómeno inverso. 
6 
7 
Características de las maquinas 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 
(normalmente en la forma de un eje en 
rotación). 
 
3. Rechazan el calor de desecho hacia un 
sumidero de calor de baja temperatura (la 
atmósfera, los ríos, etcétera). 
 
4. Operan en un ciclo. 
8 
Esquema de una central eléctrica de vapor 
9 
10 
Esquema de una central eléctrica de vapor 
11 
12 
13 
Esquema de una máquina térmica 
14 
Esquema de una central eléctrica de 
vapor 
Eficiencia térmica 
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Salida trabajoneto
Entrada decalor total
 
Es la fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto 
Eficiencia térmica 
Dispositivo Rendimiento 
Automóvil encendido por chispa 25 % 
Automóvil encendido por compresión 40 % 
Plantas de turbinas de gas 40 % 
Grandes Plantas de potencia de ciclo combinado 60 % 
Sistema de turbina de gas 
Sistema de cogeneración con turbina de gas 
Un ciclo de una máquina térmica no puede completarse sin desechar algo de 
calor en un sumidero de baja temperatura 
¿Es posible ahorrar Qsal? 
17 
La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-
Planck 
Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de 
un solo depósito y produzca una cantidad neta de trabajo 
El enunciado de Kelvin-Planck se puede 
expresar también como: 
 
ninguna máquina térmica puede tener una 
eficiencia térmica de 100 por ciento (100%) 
Máquina térmica que viola el enunciado de 
Kelvin-Planck de la segunda ley 
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REFRIGERADORES 
Refrigerador: es un 
dispositivo cíclico en el 
cual la transferencia de 
calor se da de un medio 
de baja temperatura a 
uno de alta temperatura. 
Esquema de una Máquina Térmica Esquema de un Refrigerador 
19 
REFRIGERADORES 
20 
120 kPa : 
-22.32 
800 kPa : 
31.32 
-25 -20 
30 60 
21 
Coeficiente de desempeño de un refrigerador 
,
Salida deseada
Entrada requerida
1
1
L
R
neto entrada
L
R
HH L
L
Q
COP
W
Q
COP
QQ Q
Q
 
 


Observe que el coeficiente de desempeño puede ser mayor que la 
unidad. 
22 
23 
BOMBAS DE CALOR 
24 
Esquema de un Refrigerador Esquema de un Bomba de calor: El objetivo de una bomba de calor es brindar 
un QH en un ambiente cálida 
Coeficiente de desempeño de una bomba de calor 
,
1
1
H
HP
neto entrada
H
HP
H L
HP
L
H
QSalida deseada
COP
Entrada requerida W
Q
COP
Q Q
COP
Q
Q
 




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MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO 
Máquina térmica que CUMPLE con la primera y segunda ley 
26 
MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO 
Máquina de movimiento perpetuo que viola la primera ley de la 
termodinámica (MMP1) 
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Máquina de movimiento perpetuo que viola la segunda ley de la 
termodinámica (MMP2) 
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Un ciclo de una máquina térmica no puede completarse sin desechar algo de 
calor en un sumidero de baja temperatura 
RECORDAR : ¿Es posible ahorrar Qsal? 
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PROCESO REVERSIBLE E IRREVERSIBLE 
30 
Uno de los usos de la segunda ley de la termodinámica en ingeniería es 
determinar el rendimiento teórico de los sistemas. 
 
Mediante la comparación del proceso ideal y del real, se puede tomar 
decisiones para implementar mejoras a los sistemas. 
Se define como un proceso que se puede 
invertir sin dejar ningún rastro en los 
alrededores. Es decir, tanto el sistema como 
los alrededores vuelven a sus estados iniciales 
una vez finalizado el proceso inverso. 
 
Esto es posible sólo si el intercambio de calor 
y trabajo netos entre el sistema y los 
alrededores es cero para el proceso 
combinado (original e inverso) 
PROCESO REVERSIBLE 
31 
Proceso totalmente reversible 
proceso de cambio de fase 
PROCESO IRREVERSIBLE 
Proceso irreversible: son los procesos que ocurren en cierta dirección, y una 
vez ocurridos, no se pueden revertir por sí mismos de forma espontánea y 
restablecer el sistema a su estado inicial. 
Una taza de café, no se calentará 
al recuperar de los alrededores el 
calor que perdió 
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Tipos de Irreversibilidades 
Los factores que hacen que un proceso sea irreversible se llaman 
irreversibilidades, las que son: 
 
 La fricción 
 La expansión libre 
 El mezclado de dos fluidos 
 La transferencia de calor a través de una diferencia de 
temperatura finita. 
 La resistencia eléctrica 
 La deformación inelástica de sólidos 
 Las reacciones químicas. 
33 
Los ingenieros deben ser capaces de reconocer irreversibilidades, evaluar su 
influencia, y desarrollar medios prácticos para reducirlos. 
 
Sin embargo, algunos sistemas, como los frenos, se basan en la efecto de la 
fricción o irreversibilidades otros en su funcionamiento, para lograr rentables 
tasas de producción mediante: 
• Altas tasas de transferencia de calor 
• Aceleraciones rápidas 
• Otras irreversibilidades significativas. 
 
Es por esto que las irreversibilidades se toleran hasta cierto grado. 
 
En consecuencia 
Comentario 
34 
Si irreversiblidades  
Pero los pasos dados en este sentido están limitadas por un número de factores 
prácticos a menudo relacionadas con los costes. 
Si se tiene dos cuerpos con una diferencia 
finita de temperatura, ocurrirá una 
transferencia de calor lo que será una 
fuente de irreversibilidad. 
 
A medida que: 
Referencia: Moran,Shapiro - Fundamentals of 
Engineering Thermodynamics 
35 
Ejemplo 
T irreversiblidades  
Recordando 
A
Q qdA 
A partir del estudio de transferencia de calor, 
se sabe que la transferencia de una 
cantidad finita de energía por calor entre los 
cuerpos cuyas temperaturas difieren sólo 
ligeramente requeriría: 
• Un tiempo infinito 
• Un área infinita 
 
Lo cual incrementaría los costes 
36 
37 
Péndulo sin fricción 
Un péndulo que oscila en un espacio vacío. El movimiento del péndulo se acerca a 
la reversibilidad cuando la fricción en el punto de giro se reduce. El límite es cuando 
se elimina la fricción, los estados tanto del péndulo y su entorno sería 
completamente restaurado al final de cada período de movimiento. 
Referencia: Moran,Shapiro - Fundamentals of 
Engineering Thermodynamics 
Ejemplos procesos reversibles 
38 
Referencia: Moran,Shapiro - Fundamentals of 
Engineering Thermodynamics 
Sistema que consta de un gas comprimido y expandido adiabáticamente en un cilindro-
pistón sin fricción 
 
Con un ↑dP → ↓dV (compresión) 
39 
P 
 
El trabajo realizado sobre el gas durante la compresión sería igual el trabajorealizado por el gas durante la expansión. 
En cada intervalo de tiempo se miden las 
propiedades intensivas T, P, V, que serían 
uniformes a través de todo el sistema. 
Con un ↓dP → ↑dV (expansión) 
PROCESO REVERSIBLE E IRREVERSIBLE 
Los procesos reversibles en el caso de dispositivos que producen trabajo, como 
motores de automóvil y turbinas de gas o vapor entregan más trabajo, y los 
dispositivos que consumen trabajo como los compresores, los ventiladores y las 
bombas requieren menos trabajo cuando se utilizan los procesos reversibles en 
vez de los irreversibles. 
(a) Proceso lento (reversible) (b) Proceso rápido (irreversible) 
40 
Irreversibilidades 
La fricción 
La energía suministrada como trabajo se convierte 
en calor durante el proceso y se transfiere hacia 
lo cuerpos en contacto, como lo evidencia un 
aumento de temperatura en la interfase. 
 
 Cuando se invierte la dirección del movimiento, 
los cuerpos se restablecen a su posición original, 
pero la interfase no se enfría y el calor no se 
convierte de nuevo en trabajo. 
41 
Irreversibilidades 
La transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita. 
La TR puede ocurrir sólo cuando hay una ΔT 
entre un sistema y sus alrededores. 
 
Por lo tanto, es físicamente imposible para 
tener un proceso de TR reversible. 
 
Pero la irreversibilidad ↓↓↓ a medida que 
ΔT→0. 
 
Entonces la TR a través de un dT se puede 
considerar reversible. 
 
Cuanto dT→0, el proceso puede ser invertido 
en la dirección (al menos teóricamente) sin 
requerir ningún tipo de refrigeración. 
 
Observe que la transferencia de calor 
reversible es un proceso conceptual y no 
puede ser duplicada en el mundo real. 
Proceso de transferencia de calor 
irreversible 
Irreversibilidades 
Otros ejemplos 
Tomado de: http://www.engineeringarchives.com/les_thermo_irreversibleprocess.html 
Alta presión 
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PROCESO INTERNAMENTE Y EXTERNAMENTE REVERSIBLE 
Internamente reversible: si no ocurren irreversibilidades dentro de las 
fronteras del sistema durante el proceso. 
Externamente reversible: si no ocurren irreversibilidades fuera de las 
fronteras del sistema durante el proceso. 
Sistema reversible 
44 
Proceso totalmente reversible 
proceso de cambio de fase 
Sistema internamente reversible 
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Recordar: Tipos de procesos termodinámicos 
Proceso Adiabático (Q=0) 
Proceso Isócoro (volumen constante) 
Proceso Isobárico (presión constante) 
Proceso Isotérmico (temperatura constante) 
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EL CICLO DE CARNOT 
Expansión isotérmica reversible (1 a 2) 
47 
Expansión adiabática reversible (2 a 3) 
48 
Compresión isotérmica reversible (3 a 4) 
49 
Compresión adiabática reversible ( 4 a 1) 
50 
EL CICLO DE CARNOT 
1-2 Expansión isotérmica reversible 
2-3 Expansión adiabática reversible 
3-4 Compresión isotérmica reversible 
4-1 Compresión adiabática reversible 
 
Diagrama P-V del ciclo de Carnot 
51 
Principios de Carnot 
1. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor 
que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos 
dos depósitos. 
 
2. Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre 
los mismos depósitos son las mismas. 
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ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURA 
Arreglo de máquinas térmicas utilizadas 
en el desarrollo de la escala de 
termodinámica de temperatura. 
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LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT 
1 Lter
H
Q
Q
  
Para máquinas reversibles 
, 1
L
ter rev
H
T
T
  
La eficiencia térmica de cualquier máquina térmica, reversible o irreversible, se 
determina mediante la ecuación: 
,
, ,
,
para una máquina térmica irreversible
para una máquina térmica reversible
para una máquina térmica imposible
ter rev
ter máquina ter rev
ter rev

 




 
Las eficiencia térmicas de las máquinas térmicas reales y reversibles que operan 
entre los mismos límites de temperatura se comparan. 
54 
55