Práctica 9: Segunda Ley de La Termodinámica [PDF]

Zitiervorschau

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica.

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO.

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ARAGÓN. Laboratorio de Termodinámica

Práctica numero 9: “Segunda ley de la termodinámica.”

Alumno: Fernández Cano Veronico David Ricardo.

No. de cuenta: 41205778-6.

Grupo: lunes 4:00-5:30

Ciclo escolar: 2014-1

Fecha de realización: 28\10\2013.

Fecha de entrega: 04/11/2013.

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Objetivo. Se obtendrá el coeficiente de realización en la unidad de refrigeración. Actividades. 1. Determine el coeficiente de realización ideal de una unidad de refrigeración. 2. Determine el coeficiente de realización real de refrigeración. 3. Determine la entropía en el evaporador y en el condensador. Material y equipo: Unidad de demostración de refrigeración “Hilton”.

Aspectos teóricos. Entropía. Cantidad de energía que durante los procesos termodinámicos es imposible de ser aprovechada por una maquina, es la medida de la energía inutilizable. A nivel molecular, estado en el cual las moléculas de una sustancia están en igualdad de velocidades.

( ⁄ )

( ⁄ )

( ⁄ )

( ⁄ )

Segunda ley de la termodinámica. Pronostica el aumento de entropía en el universo, mediante la estadística. La magnitud llamada entropía que se mantiene constante en algunas transformaciones, aumenta en otras, pero jamás disminuye. En realidad la segunda ley se convierte en cuestión de elevada probabilidad, es el pronóstico de configuraciones moleculares cada vez más probables a medida que pasa el tiempo. Según la mecánica estadística, no es imposible que un sistema aislado (tal como se ha considerado al universo) disminuya su entropía; en el choque de una molécula rápida contra una molécula lenta, cabe la posibilidad de que la molécula rápida adquiera mayor velocidad y que la molécula lenta se haga más lenta.

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Según la concepción de Boltzmann, en un sistema aislado se presentarían todas las configuraciones energéticamente posibles de adoptar por parte de las partículas, si se espera el tiempo necesario. El estado de neguentropía, según la “ley de los grandes números”; sería una excepción (a la configuración predominante), que se pierde en un conjunto inmensamente superior. Las implicaciones de la Segunda Ley de la Termodinámica son considerables. El universo está perdiendo constantemente energía utilizable y nunca ganándola. Por lo que muchos concluyen que el universo tuvo un comienzo finito el momento en que tuvo una entropía igual a cero. Estado de equilibrio termodinámico o de máxima entropía. De acuerdo con la teoría cinética de los gases, las moléculas más rápidas que el promedio, pierden velocidad con cada choque; mientras que las moléculas más lentas que el promedio ganan velocidad al chocar con las moléculas más rápidas. Esta igualación de velocidades es lo que se conoce como el estado de máxima entropía o de equilibrio termodinámico, porque una vez que ha sido alcanzado permanece estacionario. La mecánica estadística muestra que las distribuciones en el espacio de velocidades (de las moléculas) cercanas a la velocidad promedio están en un numero inmensamente superior a aquellas velocidades alejadas del promedio. Es por esto que el estado de máxima entropía es considerado como el estado de máxima probabilidad. En el siguiente esquema se representa el estado de máxima entropía a la derecha, y el estado más alejado del equilibrio térmico, a la izquierda:

Procesos irreversibles. Son aquellos en los cuales, la entropía aumenta y se conocen también como procesos reales. Procesos reversibles. Aquellos en los que la entropía permanece constante o que incluso disminuye, conocidos también como procesos ideales. Es decir que en estos procesos el cálculo de la entropía daría como resultado un número negativo, lo cual indicaría que la entropía va en decremento. Este fenómeno que es conocido como neguentropía. Se trata de una posibilidad improbable, mas no quiere decir que sea algo imposible.

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Conductividad térmica “k”. Medida de la capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. A partir de la conductividad térmica se puede calcular el flujo del calor que atraviesa un cuerpo, mediante la llamada “ley de Fourier de la conducción”

Donde:

Desarrollo de la práctica. Actividad I: “Coeficiente de realización ideal.” 1. El profesor pondrá en funcionamiento el equipo. 2. Espere a que se estabilice el sistema. 3. Efectué la lectura de la temperatura de saturación del refrigerante. Anótelo en la tabla 9.1A 4. Tome las lecturas de las temperaturas en la entrada del condensador y del evaporador. Anote las medidas en la tabla 9.1A 5. Efectué las lecturas de la temperatura a la salida del evaporador y del condensador. Anote las medidas en la tabla 9.1A 6. Mida la temperatura ambiente. Anote la medida en la tabla 9.1A 7. Determine el coeficiente de realización ideal, mediante las siguientes ecuaciones.

Actividad II: “Coeficiente de realización real.” 1. Con las lecturas obtenidas, determine el coeficiente real, mediante las ecuaciones antes expuestas.

Actividad III: “Determinación de la entropía en el evaporador y en el condensador.” 1. Dadas las ecuaciones correspondientes y con los valores obtenidos, determinar la entropía.

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Tablas de lecturas. Tabla 9.1A Concepto Temperatura de saturación del refrigerante Temperatura de entrada del agua Temperatura de salida del agua Caudal de agua

símbolo Tc

Condensador (c) unidad ᴼC

lectura 36

símbolo Te

Evaporador (e) unidad ᴼC

lectura 16

Tw

ᴼC

24

Tv

ᴼC

24

Tx

ᴼC

31

Tu

ᴼC

24

kg/h

20

kg/h

40

Tabla 9.2A concepto Temperatura ambiente

símbolo Ta

unidad ᴼC

resultados 23

Memoria de cálculos. La transferencia de calor para el condensador será dada por la ecuación que sigue: Qc=

Cp(Tx-Tw)+(.8watts/°C)(Tc-Ta)

Donde el valor de 0.8watts/°C, es el valor obtenido experimentalmente del índice de transferencia de calor. Para realizar este cálculo se debe de convertir las unidades del flujo de agua en el condensador: (

)(

)

Sustituyendo en la formula los valores medidos, teniendo en cuenta que el valor del calor específico del agua a presión constante es: Cp=4.186kJ/kg°C Qc=

(4.186kJ/kg°C)(31°C-24°C)+(.8 watts/°C)(36°C-23°C)= 104.163watts

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Para calcular el calor transferido en el evaporador, de igual manera se convierten las unidades del flujo másico de agua: ,ahora se procede a sustituir en la formula que se muestra a continuación: Qc= Qe=

Cp(Tu-Tv)+(.8watts/°C)(Ta-Te) (4.186kJ/kg°C)(24°C-24°C)+(.8 watts/°C)(23°C-16°C)= 56watts

Para calcular la entropía en el condensador se ve que las temperaturas queden en grados Kelvin:

Para calcular la entropía en el evaporador:

Para el cálculo del trabajo realizado se saca la diferencia entre los calores transferidos:

Se obtiene el valor del coeficiente de realización ideal:

Por último se calcula el valor del coeficiente de realización real:

Tablas de resultados. Tabla 9.1B Concepto Trabajo del compresor Coeficiente de realización ideal Coeficiente de realización real

Símbolo

Unidad watts (adimensional) (adimensional)

Resultado 48.163

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Tabla 9.2B Concepto Calor Entropía

Símbolo Qc Sc

Condensador Unidad watts watts/°K

Resultado 104.163 .337

Símbolo Qe Se

Evaporador Unidad watts watts/°K

Resultado 56 .1937

Cuestionario. 1. ¿Por qué las entropías calculadas no son iguales? Porque las temperaturas de entrada y salida son diferentes. 2. ¿Porque se considera que esta práctica es un proceso real? Porque la entropía calculada va en aumento. 3. ¿Qué requisitos debe satisfacer un sistema para que se encuentre en equilibrio térmico? Que los cuerpos presentes en este sistema deben de tener igual temperatura. 4. ¿Una cantidad dada de energía mecánica se puede convertir en energía calorífica completamente? No de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, aunque en teoría esta posibilidad existe. 5. Existe un proceso reversible mediante el cual se pueda agregar calor a un sistema. No porque en este caso estaría perdiendo energía y por consiguiente ya no sería reversible. 6. Explique 3 procesos irreversibles en la naturaleza. El envejecimiento, el movimiento de un cuerpo considerando la fricción, las reacciones químicas espontaneas. 7. Investigar en qué consiste el principio de Carnot y cite en que maquinas se aplica. No sé ha construido una máquina capaz de llevar a cabo el ciclo de Carnot. El ciclo de Carnot consiste en 2 procesos isotérmicos y 2 adiabáticos, su rendimiento viene dado por:

Donde:

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Procesos del ciclo de Carnot. Primer proceso: expansión isotérmica. Segundo proceso: expansión adiabática. Tercer proceso: comprensión isotérmica. Cuarto proceso: comprensión adiabática. Los ciclos de Carnot operando entre 2 temperaturas dadas tienen un rendimiento

Lo que conlleva al teorema del ciclo de Carnot: “el rendimiento de un ciclo cualquiera es inferior al ciclo de Carnot”, ósea:

Donde:

Para el ciclo de Carnot, el trabajo realizado a lo largo de un tramo cualquiera comprendido entre los puntos A y B, se calcula mediante la integral de línea: ∫ Como ejemplos del ciclo de Carnot se tiene una pila eléctrica reversible, en diagrama carga-fuerza; o una sustancia paramagnética, en un diagrama imantación-campo magnético. Por consiguiente, cualquier ciclo reversible puede descomponerse en un número suficientemente elevado de ciclos de Carnot. Este último enunciado lleva al teorema de Clasius, donde se enuncia que el trabajo calculado a lo largo de cualquier trayectoria cerrada del ciclo de Carnot, si se consideran las adiabáticas infinitamente próximas, será igual a cero: ∮ 8. ¿Qué factores producen la eficiencia de una maquina térmica con respecto a su valor ideal? Se considera como parámetro el rendimiento del ciclo de Carnot, debido a que el rendimiento de una maquina térmica no puede ser mayor que aquella que funciona con el ciclo de Carnot.los parámetros que intervienen son la temperatura, el trabajo realizado, y el calor cedido. 9. ¿Para aumentar la eficiencia de una maquina de Carnot en forma más efectiva, aumentaría la temperatura inicial conservando constante la temperatura final, o disminuiría la temperatura final conservando constante la temperatura inicial? No se puede aumentar la eficiencia de la máquina de Carnot, puesto que esta es la maquina con mayor eficacia posible. 10. ¿Se puede enfriar una cocina dejando abierta la puerta del refrigerador eléctrico? Debido a que la cocina es un sistema mucho más amplio que el refrigerador solo se podría enfriar el ambiente próximo al refrigerador, por medio de que este último le cediera calor al refrigerador

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. hasta que llagasen al equilibrio termodinámico, porque antes de enfriar toda la cocina el refrigerador se descompondría.

Conclusiones. Con las medidas que fueron corregidas se pudieron obtener cálculos más coherentes con la teoría, ya que las medidas tomadas al principio resultaron muy contradictorias con lo que se supone debe de ocurrir en un experimento como este. Desde luego que en lo que respecta a las mediciones siempre ocurren errores al momento de tomarlas pero generalmente no contrastan con la teoría, como en este caso. Se puede ver que las entropías calculadas no son iguales y esto se debe a que los calores calculados fueron dispares al igual que las temperaturas medidas entre el evaporador y el condensador. Lo que resulta algo extraño es que el cálculo de la eficiencia ideal es menor que la real, y a este respecto puedo decir que la maquina realizo un trabajo por encima de la eficiencia esperada. Debido a que estos temas no han sido explicados ampliamente por el profesor no me es posible llegar a conclusiones más definitivas acerca de lo ocurrido en la práctica. Se observa que las 3 primeras leyes de la termodinámica están estrechamente ligadas en la comprensión de los procesos físicos que ocurren en la naturaleza, el equilibrio térmico que es expuesto por la “ley cero” nos conduce a la “ley de la conservación de la energía”, según la cual la energía no se pierde. Ósea que esta magnitud nunca varia en todas las transformaciones. Si bien la energía no se pierde, lo que si sucede es que se degrada al intervenir en un proceso no se puede transformar toda esta energía en trabajo útil, esta es la “2ª ley de la termodinámica”, y su máximo valor se da exactamente cuando el sistema está en equilibrio térmico. Sin embargo cabe la posibilidad (con una probabilidad muy baja), de que la entropía disminuya o que se mantenga constante y que si bien esto contradice las 3 leyes de la termodinámica anteriormente mencionadas, debe de recordarse de que estas son solo un pronóstico con base en elevada probabilidad. Existe también una “tercera ley de la termodinámica”, que afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto de temperatura (0 °K) en un número finito de etapas. Al llegar al cero absoluto cualquier proceso de un sistema se detiene. La entropía de un sistema dado en el cero absoluto tiene un valor constante (S=0). En términos simples, la tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura en el cero absoluto es cero. Por consiguiente, la tercera ley provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.

PRACTICA 9: Segunda ley de la termodinámica. Bibliografía. Encyclopedia of Energy´Daniel N. Lapedes Editor en Jefe McGraw-Hill Book Company, USA 1976 Steam / ist generation and use´The Babcock & Wilcox Companythirty-ninth edition, USA 1978 Virgil Moring Faires Termodinámica´4ª edición, México, 1982 W.H. Severns, H.E. Degler, J.C. Miles La producción de energía mediante vapor, aire, o gas´Editorial Reverte mexicana S.A., México D.F. 1991 Francis F Huang Ingeniería Termodinámica´Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., 2ª Edición,México 1994 M.J. Moran, H.N. Shapiro Fundamentos de termodinámica técnica´,Editorial Reverté S.A., Tomos 1 y 2, España, 1993M. Lucini. "Turbomáquinas de vapor y de gas", Editorial Labor, 3° Edición, Barcelona 15España.