Lic. Fis. Carlos Levano Huamaccto CICLO 2012-II Módulo:I Unidad: IV Semana:7 FISICA II
CONTENIDO
• MAQUINAS TÉRMICAS• SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA• MAQUINAS TÉRMICAS• EFICIENCIA DE UNA MAQUINA
• Absorbe calor Qhot
• Realiza trabajo Wout
• Liberación de calor Qcold
Una máquina térmica es cualquier dispositivo que pasa por un proceso cíclico:
Dep. frío TC
Máquina
Dep. Caliente TH
Qhot Wout
Qcold
MÁQUINAS TÉRMICAS
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Es imposible construir una máquina que, al operar en un ciclo, no produzca efectos distintos a la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.
No sólo no puede ganar (1a ley); ¡ni siquiera puede empatar (2a ley)!
Wout
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
Qhot
Qcold
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Dep. frío TC
Máquina
Dep. caliente TH
400 J
300 J
100 J
• Máquina posible. • Máquina IMPOSIBLE.
Dep. frío TDep. frío TCC
Máquina
Dep. caliente TH
400 J 400 J
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA
Dep. frío TDep. frío TCC
Máquina
Dep. caliente TDep. caliente THH
QH W
QC
La eficiencia de una máquina La eficiencia de una máquina térmica es la razón del trabajo térmica es la razón del trabajo neto realizado W a la entrada neto realizado W a la entrada de calor Qde calor QHH..
e = 1 - QC
QH
e = = W
QH
QH- QC
QH
EJEMPLO DE EFICIENCIA
Dep. frío TDep. frío TCC
MáquinMáquinaa
Dep. caliente TDep. caliente THH
800 J W
600 J
Una máquina absorbe 800 J y Una máquina absorbe 800 J y desecha 600 J cada ciclo. desecha 600 J cada ciclo. ¿Cuál es la eficiencia?¿Cuál es la eficiencia?
e = 1 - 600 J
800 J
e = 1 - QC
QH
e = 25%
Pregunta: ¿Cuántos joules de trabajo se realizan?
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA IDEAL (máquina de Carnot)
Para una máquina perfecta, las cantidades Q de calor ganado y perdido son proporcionales a las temperaturas absolutas T.
e = 1 - TC
TH
e = TH- TC
THDep. frío TDep. frío TCC
MáquinMáquinaa
Dep. caliente TDep. caliente THH
QH W
QC
Ejemplo 3: Una máquina de vapor absorbe 600 J de calor a 500 K y la
temperatura de escape es 300 K. Si la eficiencia real sólo es la mitad de la eficiencia ideal, ¿cuánto trabajo se
realiza durante cada ciclo?
e = 1 - TC
TH
e = 1 - 300 K
500 K
e = 40%
e real = 0.5ei = 20%
e = W
QH
W = eQH = 0.20 (600 J)
Trabajo = 120 J
REFRIGERADORES
Un refrigerador es una Un refrigerador es una máquina que opera a la máquina que opera a la inversa: realiza trabajo inversa: realiza trabajo sobresobre gas que extrae calor gas que extrae calor deldel depósito frío y deposita calor depósito frío y deposita calor enen el depósito caliente.el depósito caliente.
Win + Qfrío = Qcaliente
WIN = Qcaliente - Qfrío
Dep. frío TDep. frío TCC
Máquina
Dep. caliente TDep. caliente THH
Qhot
Qcold
Win
LA SEGUNDA LEY PARA REFRIGERADORES
Es imposible construir un Es imposible construir un refrigerador que absorba calor refrigerador que absorba calor de un depósito frío y deposite de un depósito frío y deposite igual calor a un depósito igual calor a un depósito caliente con caliente con W = 0.W = 0.
Si fuese posible, ¡se podría establecer movimiento perpetuo!
Dep. frío TC
MáquinMáquinaa
Dep. caliente TH
Qhot
Qcold
COEFICIENTE DE RENDIMIENTO (COP)
Dep. frío TDep. frío TCC
MáquinaMáquina
Dep. caliente TH
QH W
QC
El El COP (K)COP (K) de una máquina de una máquina térmica es la razón del térmica es la razón del CALOR QCALOR Qcc extraído al extraído al
TRABAJOTRABAJO neto realizado neto realizado WW..
K = TH
TH- TC
Para un Para un refrigerador refrigerador
IDEAL:IDEAL:
QC
WK = =
QH
QH- QC
EJEMPLO DE COP
Un refrigerador de Carnot opera entre 500 K y 400 K. Extrae 800 J de un depósito frío cada ciclo. ¿Cuáles son COP, W y QH ?
Dep. frío TDep. frío TCC
Máquina
Dep. caliente TDep. caliente THH
800 J
WQH
500 K
400 K
K = 400 K400 K
500 K - 400 K500 K - 400 K
TC
TH- TC
=
COP (K) = 4.0
EJEMPLO DE COP (Cont.)
A continuación se encontrará A continuación se encontrará QQHH al suponer el mismo K al suponer el mismo K
para un refrigerador real para un refrigerador real (Carnot).(Carnot).
Dep. frío TDep. frío TCC
Máquina
Dep. caliente TDep. caliente THH
800 J
WQH
500 K
400 K
K =K = QC
QH- QC
QH = 1000 J
800 J800 J
QQHH - 800 J - 800 J=4.0