La primera y segunda ley de la termodinámica y sus aplicaciones

1.                  PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Ej. 1

Al inicio un dispositivo de cilindro émbolo contiene 0.4 m³ de aire a 100kPa y 80°C. Se comprime el aire a 0.1 m³ de tal manera que la temperatura dentro del cilindro permanece constante. Determine el trabajo hecho durante este proceso.

1. Entender el problema

Tenemos un dispositivo cilindro embolo que comprime el aire (gas ideal), esto implica que se realiza un trabajo negativo de frontera móvil. La temperatura permanece constante por lo tanto es un proceso isotérmico.

Se quiere conocer el trabajo de frontera móvil.

Datos

V1= 0.4 m³

P = 100kPa

T = 80°C

V2 = 0.1 m³

2.- Configurar un Plan

Teniendo estos datos podemos encontrar el trabajo de frontera móvil en forma de la integral.

Tenemos que tener la presión en función del volumen. Para esto utilizamos la ecuación de estado de gas ideal.

3.- ejecutar el plan

Wb =⌠ Pd                                            n = (P1V1/RuT)

Aire→ gas ideal                      Wb = [(P1V1/RuT)]RuT ln[V₂/V₁]

                                                            Wb = P1V1ln[V2/V1]

PV= nRuT                                             = (100kPa)(0.4m³)ln[.1/.4]

                                                             = -55.45kJ

P = (nRuT/V)

Wb =⌠ [(nRuT/V)] dv

=(nRuT/V)lnV

Wb = nRuT ln[V2/V1]

4.- Resultado

Obtuvimos un resultado negativo esto comprueba de que se realizo un trabajo sobre el sistema.

Se obtuvo la formula Wb = nRuT ln[V2/V1], esta nos servirá para otros problemas en que se involucre el trabajo de frontera móvil, y se evitaran los pasos anteriores de plantear y resolver la integral.

Ej.2

Una olla gruesa de cobre de 2kg (incluida su tapa) está a una temperatura de 150°C. Usted vierte en ella 0.10kg de agua a 25°C y rápidamente tapa la olla para que no pueda escapar el vapor. Calcule la temperatura final del vapor y de su contenido y determine la fase líquido o gas del agua. Suponga que no se pierde calor al entorno.

Ccobre = 390 J/kg k

Cagua = 4190 J/kg k

Lv = 2.256 X 10⁶ J/kg

1.- Entender el problema

Se quiere saber la temperatura final del vapor

Al verter el agua en la olla el calor pasara hacia el agua.

Tenemos que se evapora el agua pero no sabemos qué tanta o si quedara en mezcla, podemos hacer las siguientes suposiciones sobre lo que podría pasar.

1) Nada del agua hierve y la temperatura será menor a 100°C

2) Una parte del agua hierve a 100°C

3) El agua se evapora a T = 100°C o más

Tenemos los siguientes datos

1) Masa de la olla de cobre = 2kg

2) Temperatura de la olla = 150°C

3) Masa del agua = 0.10kg

4) Temperatura del agua = 25°C

2.- Configurar un Plan

Se irán descartando una por una de las suposiciones para encontrar cual es la verdadera

Primero se calculará la temperatura final, para ver si pasa de los 100°C, si no llega a los 100°C entonces no habrá un cambio de fase. De darse un cambio de fase se tendrá que sumar también la energía necesaria para el cambio de fase.

3.- Ejecutar el plan

-QCu = QH2O

-mcu(Ccu)(T-Tcu) = mh2o(Ch2o)(T-Th2o)

-(2kg)(390J/kg°C)(T-150°C) = (0.10kg)(4190J/kg°C)(T-25°C)

-1.86157(T-150°C) = (T-25°C)

-1.86157T + 279.2355°C = T-25°C

2.86157T = 304.2355°C

T = 106.32°C

-mcu(Ccu)(T-Tcu) = mh2o(Ch2o)(T-Th2o) + Xmh2oLv

-(2kg)(390J/kg°C)(-50°C) = (0.10kg)(4190J/kg°C)(75°C) + X(0.10)(2.256J/kg)

X = 0.33577≈ 0.34

mvapor = (0.034)(100g) = 3.4g

T = 100°C

4.- Resultados

se descartó la suposición 1 debido a que si alcanzó los 100°C. también se descarta las suposición 3 porque solo una parte se evapora.

Ej. 3

En cierta estufa de gasolina para acampar 30% de la energía liberada al quemar el combustible calienta el agua de la olla en la estufa. Si calentamos 1 litro de agua de 20 a 100°C y evaporamos 0.25kg de ella, ¿cuánta gasolina hemos quemado? 1 gramo de gasolina libera 46000 J.

1. Entender el problema

Se tiene una estufa que está quemando gasolina para calentar agua pero solo el 30% del calor liberado por la gasolina calienta el agua. Para efectos prácticos tomaremos que 1L de agua = 1kg. Queremos saber cuánta gasolina en total hemos quemado no solamente la que se utilizó para calentar el agua.

2. Configurar un Plan

Primero se calculará el calor necesario para elevar la temperatura del agua hasta 100°C. Después debemos obtener el calor necesario para evaporar 0.25kg de agua. Teniendo estos dos calores podemos sumarlos para obtener un calor total transmitido al agua. Luego se calcula el calor liberado total por la gasolina. Para obtener la cantidad de gasolina utilizada se hace una regla de tres ya que tenemos el calor total y la energía que libera 1g de gasolina.

3. Ejecutar el plan

Q = mc∆T

=(1 kg)(4190 J/kg K)(100-20) = 335200J        

335200J = 30%

Lv

Q = mLv = (0.25kg)(2.256X10 ⁶J/kg) = 564000 J

Qt = 335200J + 564000J

= 899200J = 30%

2997333.333J = 100%

1g de gasolina = 46000J

            ?                   = 2997333.333J

Se queman 65.15942029 g de gasolina                      ρde la gasolina = 720 kg/m³

m = 0.06515942029 kg

ρ = m/V

V = m/ ρ = 0.06515942029 kg/ 720 kg/ m³

             = 9.049919485 X 10^-5m³

9.049919485 X 10 ^-5 m³X 1000 L /1 m^3 = 0.09049919485L = 90.49919485 mL

4. Resultados

Se obtuvo la cantidad de gasolina utilizada en kg, pero con la densidad pudimos obtener la cantidad en mL dividiendo la masa entre la densidad.

Ej. 4

Se condensa isotérmicamente vapor saturado a 200°C hasta liquido saturado en un dispositivo de cilindro embolo. Calcule el calor transferido y el trabajo efectuado durante este proceso en J/kg.

1.- Entender el Problema

Tenemos que se condensa vapor de agua, pasa de un estado de vapor saturado a líquido saturado a temperatura constante, si se condensa entonces está liberando calor. También puede estar involucrado un trabajo de frontera móvil.

2.- Configurar un Plan

Se hará un balance de energía para obtener el calor transferido. Pero antes de hacer el balance de energía debemos de obtener el trabajo de frontera móvil efectuado.

3.- Ejecutar el plan

Estado 1                  

Vapor saturado

Vol. Específico @200°C= 0.1272 m³/kg

Estado 2

Liquido saturado

Vol. Específico @200°C= 0.001157 m³/kg

Balance de energía

Wb-Q = ∆U

Wb–Q = Uf@200°C - Ug@200°C

Wb–Q = 850kJ/kg – 2594kJ/kg

P1 = P2 = 1554.9kPa

Wb = ⌠Pdv

Wb = mP(vol. especifico f – vol. especifico g)

Wb/m = 1554.9kPa(0.00157-0.12721) m³/kg

wb = -196kJ/kg

wb – q = u2 – u1

q = wb – u2 + u1

q = 196kJ/kg – 850.46 kJ/kg + 2594.2kJ/kg

q = 1940kJ/kg

4.- Resultados.-

            Se obtuvo que la energía liberada por unidad de masa sea de 1940kJ/kg y obtuvimos una nueva fórmula para el trabajo de frontera móvil de un proceso isotérmico.

Ej. 5

Un recipiente rígido de 1ft³contiene refrigerante 134a originalmente a -20°F y 27.7% de calidad. A continuación se calienta el refrigerante hasta que su temperatura es de 100°F calcule la transferencia de calor necesario para este proceso.

1.- Entender el problema

Se tiene un recipiente rígido por lo tanto no habrá ningún trabajo de frontera móvil, el recipiente contiene refrigerante a -20°F y un 27.7% de calidad, entonces tenemos una mezcla. Tenemos que calcular la transferencia de calor necesaria.

2.- Estrategia

Para calcular la transferencia de calor necesitamos obtener la energía interna en el estado 1. Después saber en qué estado está el refrigerante en el estado 2 para así obtener la energía interna 2. Ya obtenidos estos valores podemos calcular la transferencia de calor que sería igual al incremento de la energía interna multiplicada por la masa del refrigerante. La masa se obtiene dividiendo el volumen sobre el volumen específico.

3.- Ejecutar el plan

Q = ∆u m

u1 = uf + Xufg

u1 = 6.019Btu/lbm + 0.277(85.874Btu/lbm)

u1 = 29.806098Btu/lbm

Estado 2

Vol. Específico1 = Vol. Específico f + XVol. Específico fg

Vol. Específico1 = 0.01156 ft^3/lbm + 0.277(3.4426 – 0.01156) ft^3/lbm

Vol. Específico2 = Vol. Específico1 = 0.961958 ft^3/lbm

Vol. Específico f @100°F= 0.01386 ft ³/lbm

Vol. Específico g @100°F= 0.34045 ft³/lbm

Vol. Específico1 > Vol. Específico g → R134a sobrecalentado

U2@100°F = ?

Vol. Específico          U

1.1043	111.55
0.961958	u2
0.9072	111.16

u2 = 111.27 Btu/lbm

m = V/ Vol. Específico

= 1 ft³/0.961958 m³lbm

= 1.0395 lbm

Q = 1.0395lbm(111.27 – 29.81)Btu/lbm

Q = 84.68 Btu

4.- Resultados

Se tuvo que hacer uso de la interpolación para poder encontrar la energía interna 2 ya que no venia directamente en las tablas.

Ej. 6

En un dispositivo cilindro embolo se expande 25 gramos de agua saturada a una presión constante de 300kPa. Se enciende un calentador de resistencia eléctrica dentro del cilindro y pasa una corriente de 0.2 amperes durante 5 minutos desde una fuente de 120V. Al mismo tiempo ocurre una pérdida de 3.7kJ. Determine la temperatura final del vapor.

1. Entender el problema

El dispositivo se expande, por lo tanto sale trabajo de frontera móvil, entra trabajo eléctrico, y sale 3.7kJ de calor. Se debe determinar la temperatura final del vapor.

Tenemos los siguientes datos

H2O

Estado 1

Vapor saturado

P = 300kPa

m = 0.025 kg

I = 0.2 A

V = 120v

∆t = 300 s

Estado 2

P = 300kPa

T2 = ?

2.-Estrategia

Ya que tenemos identificados que energías entran y/o salen podemos hacer el balance de energía. Debemos de llegar a encontrar la entalpia final, con ésta propiedad ya se puede encontrar la temperatura final con ayuda de las tablas.

3.- Ejecutar el plan

Entrada→ We

Salida→ Q, Wb

Balance de energía

We– Q – Wb = ∆U

VI∆t– 3.7kJ – Wb = u2 – u1

(120V)(0.2A)(300s)(1kJ/s/1000VA)– Wb = u2 –u1

7.2kJ– 3.7kJ – Wb = u2 – u1

                                  ↓

                                 P(V2-V1)

                                    ↓

                                 Vol. Específico @300kPa

3.5kJ– P(V2-V1) = U2-U1

3.5kJ– P2V2+P1V1 = U2-U1

3.5kJ = (U2 + P2V2) – (U1+ P1V1)

3.5kJ = H2 – H1

H2 = 3.5kJ + H1

H2 = 3.5kJ + 0.025kg(hg@300kPa)

H2 = 3.5kJ + 0.025(2724.9kJ)

= 68.12kJ + 3.5kJ

= 71.62kJ

h2 = 71.62kJ/0.025kg = 2864.9kJ

hf@300kPa = 561.43kJ/kg

hg@300kPa = 2724.9kJ/kg

h2 > hg , entonces es vapor sobrecalentado

Tabla A-6

0.3MPa

h2 = 2724.9kJ/kg T2 = 200°C

4.- Resultados

            Debido a que la entalpia 2 era mayor que la entalpia de saturación, el estado 2 o final era el de vapor sobrecalentado, entonces procedimos a buscarla temperatura final en la tabla A-6, para así obtener la temperatura de 200°C.

Ej.7

Un dispositivo de cilindro embolo contiene 0.5lbm de agua a 120psia y 2ft^3, entonces se transmiten 200Btu de calor al agua, manteniendo constante la presión. Determine la temperatura final del agua.

1. Entender el problema

El dispositivo es de cilindro embolo entonces tendremos un trabajo de frontera móvil, se le agregan 200 Btu de calor, y se quiere conocer la temperatura final del agua.

Se tienen los siguientes datos

2. Configurar un plan

Se debe encontrar primero la fase en la que se encuentra el agua. Después hacer un balance de energía, entra calor y sale trabajo de frontera móvil. Como se tiene que el proceso ocurre a presión constante se puede sustituir convenientemente para obtener la entalpia en el estado 2, obteniendo la entalpia 2 se puede encontrar la temperatura en la tabla.

3.- Ejecutar el plan

Vol. Específico = 2ft³/0.5lbm = 4ft³/lbm

Estado 1                                                          Estado 2

P = constante                                                  P2 = P T = ?

= 120psia

Vol. Específico f@120psia = 0.01789 ft^3/lbm

Vol. Específico g@120psia = 3.7289 ft^3/lbm

Vol. Específico > Vol. Específico g , vapor sobrecalentado

Wb = P(V2-V1)

Balance de energía

Q-Wb = ∆U

Q– P(V2-V1) = U2-U1

Q + P1V1 + U1 = U2 +P2V2

Q + H1 = H2

T °F	Vol. Específico ft3lbm
360	3.8446
T	4
400	4.0799

T = 386.417°F

T °F	h Btu/lbm
360	1201.1
386.417	h1
400	1224.6

h1 = 1216.9595 Btu/lbm

H1 = 1216.9595 Btu/lbm( 0.5lbm)

= 608.47978 Btu

H2 = 200 Btu + 608.47978 Btu

= 808.47978 Btu

h2 = 808.47978 Btu/0.5lbm

= 1616.9595 Btu/lbm

T °F	h Btu/lbm
1000	1531.8
Tf	1616.9595
1200	1637.7

Tf = 1160.83 °F

4.- resultados

Se tuvo que interpolar para encontrar la entalpia en el estado 1 ya que no se encontraba directamente en las tablas. También se realizó interpolación para encontrar la temperatura final.

Ej. 8

Un dispositivo que consta de cilindro embolo contiene inicialmente 0.5 m³ de gas nitrógeno a 400kPa y 27°C. Dentro del dispositivo se enciende un calentador eléctrico con el cual pasa una corriente de 2 amperes durante 5 minutos. Desde una fuente de 120V. El nitrógeno se expande a presión constante y ocurre una pérdida de calor de 2800J durante el proceso. Determine la temperatura final del nitrógeno.

1. Entender el problema

El dispositivo contiene nitrógeno por lo tanto estamos hablando de gas ideal. Luego se enciende un calentador eléctrico, hay una entrada de trabajo eléctrico durante 5 minutos o 300 segundos. El nitrógeno se expande a presión constante, hay una salida de trabajo de frontera móvil. Y además ocurre una pérdida de calor de 2800J, una salida de calor.

Tenemos los siguientes datos

Estado 1                      Estado 2

P = 400kPa                  P = 400kPa

T1 = 27°C                     T2 = ?

V = 0.5 m³

I = 2A

∆t = 300s

V = 120V

Q = 2800J

2.- Configurar un plan

Primero se obtiene el trabajo eléctrico. Después se hace un balance de energía. Se sustituye convenientemente la presión al multiplicarla por el volumen 2 y 1 respectivamente en presión 1 y 2 para poder obtener entalpias y así encontrar la temperatura final en las tablas.

3.- Ejecutar el plan

Nitrógeno N2

Gas ideal

Entrada We

Salida Wb, Q

Balance de energía

We – Q – Wb = ∆U

We – Q – P(V2-V1) = U2-U1

(We – Q)/n = (H2-H1)/n

We/n – Q/n = ħ2- ħ1

We = (2A)(120V)(300s)(1kJ/s/1000VA)

= 72kJ

N2 gas ideal

PV = nRuT

n = (400kPa)(0.5m^3)/(8.314kPa m^3/kmol K)(300K) = 0.08 kmol

Tabla A-18

T1 = 300K → ħ1 = 8723 kJ/kmol

ħ2 = (72kJ-2.8kJ)/(0.08kmol) + 8723 kJ/kmol

ħ2 = 9588 kJ/kmol

Tabla A-18

T K	H kJ/kmol
320	9306
T2	9588
330	9597

T2 = 329.7K = 56.7°C

4.- resultados

            Esta vez se manejaron entalpias por unidades de kmol debido a que así lo manejaba la tabla A-18 a diferencia de los ejemplos anteriores en los cuales habíamos utilizado entalpias por unidad de kg.

Se interpoló en la tabla A-18 porque no se encontraba directamente el valor de la temperatura final.

Ej. 9

Un recipiente rígido contiene 20 lbm de aire a 50psia y 80°F. El aire se calienta hasta duplicar su presión. Determine a) el volumen del recipiente. b) la cantidad de transferencia de calor.

1. Entender el problema

Tenemos un recipiente rígido por lo tanto no habrá un trabajo de frontera móvil, con aire, un gas ideal. Y tenemos que calcular cuánto calor se transfiere al aire.

2.-Configurar un plan

Ya que solamente entra calor y no sale ningún tipo de trabajo, podemos decir que la transferencia de calor va a ser igual al incremento de la energía interna. Y la temperatura hay que convertirla a la escala Rankine. La temperatura final la podemos obtener con la ecuación general de los gases a volumen constante. Para sacar el volumen se usará la ecuación de estado de los gases.

3.- Ejecutar el plan

Aire → gas ideal

m = 20 lbm                                                      Estado 2

                                                                        P2 = 2(50psia) = 100psia

P1 = 50psia

T = 80°F + 459.67 = 539.67 R

V1 =?

Balance de energía

Q = ∆U

Q = U₂-U₁

u@539R = 91.785 Btu                                           lbm

T2 = P2T1/P1

= 100psia(539.67R)/50psia = 1079.34 R

T R
1040	179.66
1079.34	u2
1080	186.93

u2 = 186.81 Btu/lbm

a) V = mRT/P

V= (20lbm)(0.3704 psia ft^3/lbm R)(539.67 R)/ (50 psia)

= 79.9575072 ft^3

b)

Q = (186.81 Btu/lbm – 91.785 Btu/lbm)(20 lbm)

Q = 1895.63 Btu

           

4.- resultados

Con la ecuación de los gases se obtuvo el volumen que resultó ser de 79.9575072 ft³

Se obtuvo una transferencia de calor de 1895.63 Btu interpolando la energía interna en el estado 2.

SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA.

El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio.


En la primera ley de la termodinámica se establece que la conservación de la energía, una experiencia común es que una taza de café caliente dejada en una habitación que esta mas fría termine por enfriarse.

Este proceso satisface la primera ley de la termodinámica porque la cantidad de energía que pierde el cafe es igual a la cantidad que gana el aire circundante. considere ahora este proceso inverso: cafe caliente que se vuelve incluso mas caliente en una habitación fría como resultado de la transferencia de calor desde el aire. Se sabe que este proceso nunca se lleva a cabo; sin embargo, hacerlo no violaría la primera ley siempre y cuando la cantidad de energía que pierde el aire sea igual a la cantidad que gana el café.

A partir de esto resulta claro que los procesos van en cierta dirección y no en la dirección contraria

La primera ley de la termodinámica restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que en realidad ocurra el proceso. Esta falta de adecuación de la primera ley para identificar si un proceso puede tener lugar se remedia introduciendo otro principio general, la segunda ley de la termodinámica.

Existen varios enunciados validos cion con algunos dispositivos de ingeniería que operan en ciclos. Sin embargo, el uso de las de la segunda ley de la termodinámica. Dos de ellos se presentan y analizan posteriormente, en la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene calidad asi como cantidad, La primera ley se relaciona con la cantidad de energía y las transformaciones de energía de una forma a otra sin considerar su calidad. Conservar la calidad de la energía es una cuestion importante para los ingenieros, y la segunda ley provee los medios necesarios para determinarla, así como el grado de degradación que sufre la energía durante un proceso. Segun una explicación idad mayposterior de este capitulo, mayor cantidad de energía a alta tempratura se puertir en trabajo, por lo tanto tiene una calor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor.

La segunda ley de la termodinámica se usa también para determinar los limites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como maquinas terminas y refrigeradores, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas.

Depósitos de energía térmica

En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente tener un hipotético cuerpo que posee una capacidad de energía térmica relativamente grande que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura. Tal cuerpo se llama deposito de energía térmica,  o solo deposito.

También es posible modelar un sistema de dos fases como un deposito, ya que puede absorber y liberar grandes cantidades de calor mientras permanece a temperatura constante. Un ejemplo común de un deposito de energía térmica es el horno industrial, Las temperaturas de la mayoría de los hornos se controlan con cuidado, por lo que son capaces de suministrar de una manera esencialmente isotérmica grandes cantidades de energía térmica en forma de calor por lo tanto, se puede modelar como depósitos.

Un deposito que suministra energía en la forma de calor se llama fuente, y otro que absorbe energía en la forma de calor se llama sumidero.

Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor.

Maquinas Térmicas 

Como se señalo antes, el trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, pero convertir estas en trabajo no es fácil. el trabajo mecánico que realiza una flecha dentro de una cubeta de agua, que gira, se convierte primero en la energía interna del agua, energía que puede entonces salir del agua como calor, Se sabe por experiencia que cualquier intento por revertir este proceso fallara, es decir, transferir calor al agua no causa que la flecha gire. De esta y otras observaciones se concluye que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman maquinas térmicas.

Las maquinas térmicas difieren bastante entre si, pero es posible caracterizarlas a todas mediante la siguiente figura.

Las maquinas térmicas se pueden caracterizar por los siguientes 4 puntos:

1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta.
2. Convierten parte de este calor en trabajo.
3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura.
4. Operan en un ciclo.

Las maquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras experimenta un ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo.

El dispositivo productor de trabajo que mejor se ajusta a la definición de una maquina térmica es la central eléctrica de vapor, la cual es una maquina de combustión externa, es decir, la combustión se lleva acabo fuera de la maquina y la energía liberada durante el proceso se transfiere al vapor como calor, El siguiente esquema de una central eléctrica de vapor se muestra con sus siguientes componentes de una forma simplificada.

Las distintas cantidades mostradas en este esquema son:

Q entrada: Cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de temperatura alta.

Q salida: Cantidad de calor rechazada del vapor en el condensador hacia un sumidero de temperatura baja.

W salida: Cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina.

W entrada: Cantidad de trabajo requerida para consumir agua a la presión de la caldera.

La salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total:

W neto, salida = W salida - W entrada           (kJ)

O También: 

W neto, salida = Q entrada - Q salida           (kJ)

Eficiencia Térmica

En la ecuación:

 neto, salida = Q entrada - Q salida           (kJ)

Q salida, representa la magnitud de la energía que se desperdicia con la finalidad de completar el ciclo. Pero Q salida, nunca es cero; de esta manera, la salida neta de trabajo de una maquina térmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor. Es decir, solo parte del calor transferido a la maquina térmica se convierte en trabajo, La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una maquina térmica y se llama eficiencia térmica.

 = Eficiencia Térmica 

Para las maquinas térmicas, la salida deseada es la del trabajo neto, mientras que la entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido de trabajo. Entonces la eficiencia térmica de una maquina térmica se puede expresar como:

O bien:

También es posible expresarla así:

Dado que:       W neto, salida = Q entrada - Q salida           (kJ)

Los dispositivos cíclicos de interés practico como las maquinas térmicas, los refrigeradores y las bombas de calor operan entre un medio de alta temperatura a temperatura TH y otro de baja temperatura a temperatura TL. Para uniformar el tratamiento de maquinas térmicas, refrigeradores y bombas de calor, se definen estas dos cantidades:

QH= magnitud de transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TH.

QL=magnitud de transferencia de calor entre el dispositivo cíclico y el medio de alta temperatura a temperatura TL.

Observe que QL y QH están definidas como magnitudes, por lo tanto son cantidades positivas. La dirección de QH y QL se determina fácilmente mediante inspección. Entonces el trabajo neto y las relaciones de eficiencia térmica para cualquier maquina térmica. 

También se pueden expresar como: