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Diversas declaraciones de la ley

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.

• Declaración de Clausius
• Declaración de Kelvin-Planck
• La entropía y la segunda ley

Antes de estas declaraciones, debemos recordar el trabajo de  un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley formando un principio ( también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .

Diversas declaraciones de la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica se puede expresar de muchas maneras específicas. Cada declaración expresa la misma ley. A continuación se enumeran tres que a menudo se encuentran.

• Declaración de Clausius
• Declaración de Kelvin-Planck
• La entropía y la segunda ley

Antes de estas declaraciones, debemos recordar el trabajo de  un ingeniero y físico francés, Nicolas Léonard Sadi Carnot avanzó el estudio de la segunda ley formando un principio ( también llamado la regla de Carnot ) que especifica los límites de la máxima eficiencia que cualquier motor térmico puede obtener .

Declaración de Clausius de la segunda ley

Una de las primeras declaraciones de la Segunda Ley de la Termodinámica fue hecha por R. Clausius en 1850 . Él dijo lo siguiente.

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente”.

El calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. En un refrigerador, el calor fluye de frío a caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo, los refrigeradores son impulsados ​​por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar.

Las declaraciones de Clausius y Kelvin-Planck han demostrado ser equivalentes.

Declaración de Kelvin-Planck de la Segunda Ley

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca otro efecto que la producción de trabajo y la transferencia de calor de un solo cuerpo”.

Esta declaración opera con el término ” depósito térmico ” o ” depósito único “. Un depósito es un objeto grande, en el que la temperatura permanece constante mientras se extrae la energía. Tal sistema puede ser aproximado de varias maneras: por la atmósfera de la tierra, grandes cuerpos de agua como lagos, océanos, etc.

La declaración de Kelvin-Planck no excluye la existencia de un sistema, que desarrolla una cantidad neta de trabajo de una transferencia de calor extraída de un depósito térmico. Según esta declaración, un sistema que experimenta un ciclo no puede desarrollar una cantidad neta positiva de trabajo de una transferencia de calor extraída de un depósito térmico.

La entropía y la segunda ley

Una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica es el desarrollo de la propiedad física de la materia, que se conoce como entropía (S) . El cambio en esta propiedad se utiliza para determinar la dirección en la que procederá un proceso determinado. La entropía cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil . Esto se relaciona con la segunda ley, ya que la segunda ley predice que no todo el calor proporcionado a un ciclo puede transformarse en una cantidad igual de trabajo, debe producirse un cierto rechazo de calor.

Ver también: entropía

Según Clausius, la entropía se definió mediante el cambio en la entropía S de un sistema. El cambio en la entropía S, cuando se le agrega una cantidad de calor Q mediante un proceso reversible a temperatura constante, viene dado por:

Aquí Q es la energía transferida como calor hacia o desde el sistema durante el proceso, y T es la temperatura del sistema en grados Kelvin durante el proceso. La unidad SI de la entropía es J / K .

La segunda ley de la termodinámica también se puede expresar como ∆S≥0 para un ciclo cerrado.

En palabras:

La entropía de cualquier sistema aislado nunca disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.

≥S≥0

Debido a que la entropía dice mucho acerca de la utilidad de una cantidad de calor transferida en la realización del trabajo, las tablas de vapor incluyen valores de entropía específica (s = S / m) como parte de la información tabulada.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Dirección de Procesos Termodinámicos

Muchos procesos termodinámicos proceden naturalmente en una dirección pero no al contrario. Por ejemplo, cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío , nunca al revés. De hecho, dicho flujo de calor (de un cuerpo más frío a un sistema más cálido) no violaría la primera ley de la termodinámica , es decir, se conservaría la energía. Pero no sucede en la naturaleza.

Por ejemplo, quemar gasolina para impulsar automóviles es un proceso de conversión de energía en el que confiamos. La energía química en la gasolina se convierte en energía térmica , que luego se convierte en energía mecánica que hace que el automóvil se mueva. La energía mecánica se ha convertido en energía cinética . Cuando usamos los frenos para detener un automóvil, esa energía cinética se convierte por fricción en calor o energía térmica . En esta dirección inversa, hay muchos dispositivos que convierten el calor parcialmente en energía mecánica. Pero no se puede construir una máquina que convierta el calor por completo en energía mecánica. Siempre habrá pérdidas significativas de energía.

Las direcciones de los procesos termodinámicos están sujetas a la segunda ley de la termodinámica, especialmente a la Declaración de Clausius de la Segunda Ley .

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente”.

El calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. En un refrigerador, el calor fluye de frío a caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo, los refrigeradores son impulsados ​​por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar.

Las declaraciones de Clausius y Kelvin-Planck han demostrado ser equivalentes.

2da ley de la termodinámica

La entropía de cualquier sistema aislado nunca disminuye. En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan.

Esta ley indica la irreversibilidad de los procesos naturales . Los procesos reversibles son una ficción teórica útil y conveniente, pero no ocurren en la naturaleza. De esta ley se deduce que es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único efecto sea la transferencia de calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente. De ello se deduce que las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo son imposibles.

La  segunda ley de la termodinámica es un principio general, que va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica . La primera ley se usa para relacionar y evaluar las diversas energías involucradas en un proceso. Sin embargo, no se puede obtener información sobre la dirección del proceso mediante la aplicación de la primera ley. La segunda ley de la termodinámica impone restricciones sobre la dirección de la transferencia de calor y establece un límite superior para la eficiencia de la conversión de calor para trabajar en motores de calor . Entonces, la segunda ley es directamente relevante para muchos problemas prácticos importantes.

Una de las áreas de aplicación de la  segunda ley de la termodinámica es el estudio de los sistemas de conversión de energía. Por ejemplo, no es posible convertir toda la energía obtenida de un carbón en una central eléctrica a carbón o de un reactor nuclear en una central nuclear en energía eléctrica. Debe haber pérdidas en el proceso de conversión.

La energía no puede ser creada ni destruida

Es el principio de conservación de la energía , lo que significa que:

La energía no puede crearse ni destruirse , sino transformarse en varias formas.

En termodinámica, es la ley más importante para el análisis de la mayoría de los sistemas y la que cuantifica cómo se transforma la energía térmica en otras formas de energía . De ello se deduce que las máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo son imposibles.

La energía se puede definir como la capacidad de hacer trabajo . Puede existir en una variedad de formas y puede transformarse de un tipo de energía a otro de cientos de maneras.

Por ejemplo, quemar gasolina para impulsar automóviles es un proceso de conversión de energía en el que confiamos. La energía química en la gasolina se convierte en energía térmica , que luego se convierte en energía mecánica que hace que el automóvil se mueva. La energía mecánica se ha convertido en energía cinética . Cuando usamos los frenos para detener un automóvil, esa energía cinética se convierte por fricción en calor o energía térmica .

Una consecuencia de la ley de conservación de la energía es que una máquina de movimiento perpetuo de primer tipo, que produce trabajo sin la entrada de energía, no puede existir.

Durante la división nuclear o la fusión nuclear , parte de la masa del núcleo se convierte en grandes cantidades de energía y, por lo tanto, esta masa se elimina de la masa total de las partículas originales, y la masa falta en el núcleo resultante. Las energías de enlace nuclear son enormes, son del orden de un millón de veces mayores que las energías de enlace de electrones de los átomos.

En general, en las reacciones químicas y nucleares , se produce cierta conversión entre la masa en reposo y la energía, de modo que los productos generalmente tienen una masa menor o mayor que los reactivos. Por lo tanto, el nuevo principio de conservación es  la conservación de la energía de masas .

Ver también: Liberación de energía de la fisión

Cuatro casos especiales de la primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica encuentra aplicación en varios casos especiales:

Proceso adiabático:

Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor dentro o fuera del sistema. Ocurre muy rápidamente o un sistema está bien aislado de que no hay transferencia de energía a medida que se produce calor entre el sistema y su entorno. Por lo tanto, dQ = 0 en la primera ley de la termodinámica, que es entonces:

dQ = 0, dE _int = – dW

Proceso isocorico:

Un proceso isocrórico es aquel en el que no hay cambio en el volumen . Un proceso isocrórico es un proceso de volumen constante. Cuando el volumen de un sistema termodinámico es constante, no funciona en su entorno. Por lo tanto, dW = 0 en la primera ley de la termodinámica, que es entonces:

dW = 0, dE _int = dQ

En un proceso isocrórico , toda la energía añadida como calor (es decir, Q es positiva) permanece en el sistema como un aumento de la energía interna ( aumento de la temperatura ).

Proceso Cíclico:

Un proceso que finalmente devuelve un sistema a su estado inicial se denomina proceso cíclico . Al final de un ciclo, todas las propiedades tienen el mismo valor que tenían al principio.

Para tal proceso, el estado final es el mismo que el estado inicial, por lo que el cambio total de energía interna debe ser cero . El vapor (agua) que circula a través de un circuito cerrado de enfriamiento experimenta un ciclo. La primera ley de la termodinámica es entonces:

dE _int = 0, dQ = dW

Por lo tanto, el trabajo neto realizado durante el proceso debe ser exactamente igual a la cantidad neta de energía transferida como calor.

Expansión gratis:

Este es un  proceso adiabático en el que no se produce transferencia de calor entre el sistema y su entorno y no se realiza ningún trabajo en el sistema. Estos tipos de procesos adiabáticos se denominan expansión libre . Es un proceso irreversible en el que un gas se expande en una cámara de evacuación aislada. También se llama expansión Joule . Para un gas ideal, la temperatura no cambia (ver: Segunda Ley de Joule ), sin embargo, los gases reales experimentan un cambio de temperatura durante la expansión libre. En expansión libre, Q = W = 0, y la primera ley requiere que:

dE _int = 0

No se puede trazar una expansión libre en un diagrama PV, porque el proceso es rápido, no cuasiestático. Los estados intermedios no son estados de equilibrio y, por lo tanto, la presión no está claramente definida.

pΔV Trabajar en el diagrama pV

El trabajo de presión-volumen (o trabajo pΔV ) ocurre cuando cambia el volumen V de un sistema. El trabajo pΔV es igual al área bajo la curva de proceso trazada en el diagrama de presión-volumen. También se conoce como el trabajo de límites . El trabajo de límite  ocurre porque la masa de la sustancia contenida dentro del límite del sistema causa una fuerza, la presión multiplicada por el área de superficie, para actuar sobre la superficie del límite y hacer que se mueva. El trabajo de límite  (o  pΔV Work ) ocurre cuando el  volumen V de un sistema cambia . Se utiliza para calcular el trabajo de desplazamiento del pistón en un  sistema cerrado.    . Esto es lo que sucede cuando el  vapor o el gas contenido en un dispositivo de pistón-cilindro se expande contra el pistón y lo obliga a moverse.

———–

Durante el cambio de volumen , la presión y la temperatura también pueden cambiar. Para calcular tales procesos, necesitaríamos saber cómo varía la presión con el volumen para el proceso real por el cual el sistema cambia del estado i al estado f . La primera ley de la termodinámica y el trabajo se pueden expresar como:

Cuando un sistema termodinámico cambia de un estado inicial a un estado final , pasa a través de una serie de estados intermedios . Llamamos a esta serie de estados un camino . Siempre hay infinitas posibilidades diferentes para estos estados intermedios. Cuando todos son estados de equilibrio, la ruta se puede trazar en un diagrama pV . Una de las conclusiones más importantes es que:

El trabajo realizado por el sistema depende no solo de los estados inicial y final, sino también de los estados intermedios, es decir, de la ruta.

Q y W dependen de la ruta, mientras que ΔE _int es independiente de la ruta. Como se puede ver en la imagen (diagrama pV), el trabajo es una variable dependiente de la ruta. El área azul representa el trabajo pΔV realizado por un sistema a medida que pasa de un estado inicial i a un estado final f. El trabajo W es positivo porque aumenta el volumen del sistema. El segundo proceso muestra que el trabajo es mayor y que depende de la ruta del proceso.

Además, podemos llevar el sistema a través de una serie de estados que forman un circuito cerrado , como i ⇒ f ⇒ i . En este caso, el estado final es el mismo que el estado inicial , pero el trabajo total realizado por el sistema no es cero . Un valor positivo para el trabajo indica que el trabajo lo realiza el sistema en su entorno. Un valor negativo indica que el trabajo se realiza en el sistema por su entorno.

Ejemplo: primera ley de termodinámica y ciclo de Brayton

Supongamos el ciclo Brayton ideal que describe el funcionamiento de un motor de calor a presión constante . Los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también siguen el ciclo de Brayton. Este ciclo consta de cuatro procesos termodinámicos:

1. 

   Compresión isentrópica : el aire ambiente ingresa al compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adición de calor isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. Expansión isentrópica : el aire calentado y presurizado se expande en la turbina y entrega su energía. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rechazo de calor isobárico : el calor residual debe rechazarse para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como se puede ver, podemos describir y calcular (por ejemplo, eficiencia termodinámica) tales ciclos (de manera similar para el ciclo de Rankine ) usando entalpías .

Ejemplo: trabajo específico de turbina

Una etapa de alta presión de la turbina de vapor funciona en estado estacionario con condiciones de entrada de   6 MPa , t = 275.6 ° C , x = 1 (punto C). El vapor sale de esta etapa de la turbina a una presión de 1,15 MPa , 186 ° C y x = 0,87 (punto D). Calcule la diferencia de entalpía entre estos dos estados. Determinar la transferencia de trabajo específica.

La entalpía para el estado C puede seleccionarse directamente de las tablas de vapor , mientras que la entalpía para el estado D debe calcularse utilizando la calidad del vapor :

h _{1, húmedo} = 2785 kJ / kg

h _{2, húmedo} = h _{2, s} x + (1 – x) h _{2, l}  = 2782. 0.87 + (1 – 0.87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg

Δh = 262 kJ / kg

Dado que en el proceso adiabático dh = dw , Δh = 262 kJ / kg es el trabajo específico de la turbina .

pΔV trabajo

El trabajo de presión-volumen (o trabajo pΔV ) ocurre cuando cambia el volumen V de un sistema. El trabajo pΔV es igual al área bajo la curva de proceso trazada en el diagrama de presión-volumen. También se conoce como el trabajo de límites . El trabajo de límite  ocurre porque la masa de la sustancia contenida dentro del límite del sistema causa una fuerza, la presión multiplicada por el área de superficie, para actuar sobre la superficie del límite y hacer que se mueva. El trabajo de límite  (o  pΔV Work ) ocurre cuando el  volumen V de un sistema cambia . Se utiliza para calcular el trabajo de desplazamiento del pistón en un  sistema cerrado.. Esto es lo que sucede cuando el  vapor o el gas contenido en un dispositivo de pistón-cilindro se expande contra el pistón y lo obliga a moverse.

Ejemplo:

Considere un pistón sin fricción que se utiliza para proporcionar una presión constante de 500 kPa en un vapor cilindro que contiene ( vapor sobrecalentado ) de un volumen de 2 m ³  a 500 K .

Calcule la temperatura final, si se agregan 3000 kJ de calor .

Solución:

Usando tablas de vapor , sabemos que la entalpía específica de dicho vapor (500 kPa; 500 K) es de aproximadamente 2912 kJ / kg . Dado que en esta condición el vapor tiene una densidad de 2.2 kg / m ³ , entonces sabemos que hay alrededor de 4.4 kg de vapor en el pistón a una entalpía de 2912 kJ / kg x 4.4 kg = 12812 kJ .

Cuando usamos simplemente Q = H ₂ – H ₁ , la entalpía de vapor resultante será:

H ₂ = H ₁ + Q = 15812 kJ

De las mesas de vapor , dicho vapor sobrecalentado (15812 / 4.4 = 3593 kJ / kg) tendrá una temperatura de 828 K (555 ° C) . Como en esta entalpía el vapor tiene una densidad de 1,31 kg / m ³ , es obvio que se ha expandido aproximadamente 2,2 / 1,31 = 1,67 (+ 67%). Por lo tanto, el volumen resultante es 2 m ³ x 1.67 = 3.34 m ³ y ∆V = 3.34 m ³ – 2 m ³ = 1.34 m ³ .

La parte p∆V de la entalpía, es decir, el trabajo realizado es:

W = p∆V = 500 000 Pa x 1.34 m ³ = 670 kJ

———–

Durante el cambio de volumen , la presión y la temperatura también pueden cambiar. Para calcular tales procesos, necesitaríamos saber cómo la presión varía con el volumen para el proceso real por el cual el sistema cambia del estado i al estado f . La primera ley de la termodinámica y el trabajo se pueden expresar como:

Cuando un sistema termodinámico cambia de un estado inicial a un estado final , pasa a través de una serie de estados intermedios . Llamamos a esta serie de estados un camino . Siempre hay infinitas posibilidades diferentes para estos estados intermedios. Cuando todos son estados de equilibrio, la ruta se puede trazar en un diagrama pV . Una de las conclusiones más importantes es que:

El trabajo realizado por el sistema depende no solo de los estados inicial y final, sino también de los estados intermedios, es decir, de la ruta.

Q y W dependen de la ruta, mientras que ΔE _int es independiente de la ruta. Como se puede ver en la imagen (diagrama pV), el trabajo es una variable dependiente de la ruta. El área azul representa el trabajo pΔV realizado por un sistema a medida que pasa de un estado inicial i a un estado final f. El trabajo W es positivo porque aumenta el volumen del sistema. El segundo proceso muestra que el trabajo es mayor y que depende de la ruta del proceso.

Además, podemos llevar el sistema a través de una serie de estados que forman un circuito cerrado , como i ⇒ f ⇒ i . En este caso, el estado final es el mismo que el estado inicial , pero el trabajo total realizado por el sistema no es cero . Un valor positivo para el trabajo indica que el trabajo lo realiza el sistema en su entorno. Un valor negativo indica que el trabajo se realiza en el sistema por su entorno.

Trabajar en termodinámica

En termodinámica, el trabajo realizado por un sistema es la energía transferida por el sistema a su entorno. La energía cinética, la energía potencial y la energía interna son formas de energía que son propiedades de un sistema. El trabajo es una forma de energía , pero es energía en tránsito . Un sistema no contiene trabajo, el trabajo es un proceso realizado por o en un sistema. En general, el trabajo se define para sistemas mecánicos como la acción de una fuerza sobre un objeto a través de una distancia.

W = F. re

dónde:

W = trabajo (J)

F = fuerza (N)

d = desplazamiento (m)

pΔV trabajo

El trabajo de presión-volumen (o trabajo pΔV ) ocurre cuando cambia el volumen V de un sistema. El trabajo pΔV es igual al área bajo la curva de proceso trazada en el diagrama de presión-volumen. También se conoce como el trabajo de límites . El trabajo de límite  ocurre porque la masa de la sustancia contenida dentro del límite del sistema causa una fuerza, la presión multiplicada por el área de superficie, para actuar sobre la superficie del límite y hacer que se mueva. El trabajo de límite  (o  pΔV Work ) ocurre cuando el  volumen V de un sistema cambia . Se utiliza para calcular el trabajo de desplazamiento del pistón en un  sistema cerrado.. Esto es lo que sucede cuando el  vapor o el gas contenido en un dispositivo de pistón-cilindro se expande contra el pistón y lo obliga a moverse.

Ejemplo:

Considere un pistón sin fricción que se utiliza para proporcionar una presión constante de 500 kPa en un vapor cilindro que contiene ( vapor sobrecalentado ) de un volumen de 2 m ³  a 500 K .

Calcule la temperatura final, si se agregan 3000 kJ de calor .

Solución:

Usando tablas de vapor , sabemos que la entalpía específica de dicho vapor (500 kPa; 500 K) es de aproximadamente 2912 kJ / kg . Como en esta condición el vapor tiene una densidad de 2.2 kg / m ³ , entonces sabemos que hay alrededor de 4.4 kg de vapor en el pistón a una entalpía de 2912 kJ / kg x 4.4 kg = 12812 kJ .

Cuando usamos simplemente Q = H ₂ – H ₁ , la entalpía de vapor resultante será:

H ₂ = H ₁ + Q = 15812 kJ

De las mesas de vapor , dicho vapor sobrecalentado (15812 / 4.4 = 3593 kJ / kg) tendrá una temperatura de 828 K (555 ° C) . Dado que en esta entalpía el vapor tiene una densidad de 1.31 kg / m ³ , es obvio que se ha expandido aproximadamente 2.2 / 1.31 = 1.67 (+ 67%). Por lo tanto, el volumen resultante es 2 m ³ x 1.67 = 3.34 m ³ y ∆V = 3.34 m ³ – 2 m ³ = 1.34 m ³ .

La parte p∆V de la entalpía, es decir, el trabajo realizado es:

W = p∆V = 500 000 Pa x 1.34 m ³ = 670 kJ

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Durante el cambio de volumen , la presión y la temperatura también pueden cambiar. Para calcular tales procesos, necesitaríamos saber cómo la presión varía con el volumen para el proceso real por el cual el sistema cambia del estado i al estado f . La primera ley de la termodinámica y el trabajo se pueden expresar como:

Cuando un sistema termodinámico cambia de un estado inicial a un estado final , pasa a través de una serie de estados intermedios . Llamamos a esta serie de estados un camino . Siempre hay infinitas posibilidades diferentes para estos estados intermedios. Cuando todos son estados de equilibrio, la ruta se puede trazar en un diagrama pV . Una de las conclusiones más importantes es que:

El trabajo realizado por el sistema depende no solo de los estados inicial y final, sino también de los estados intermedios, es decir, de la ruta.

Q y W dependen de la ruta, mientras que ΔE _int es independiente de la ruta. Como se puede ver en la imagen (diagrama pV), el trabajo es una variable dependiente de la ruta. El área azul representa el trabajo pΔV realizado por un sistema a medida que pasa de un estado inicial i a un estado final f. El trabajo W es positivo porque aumenta el volumen del sistema. El segundo proceso muestra que el trabajo es mayor y que depende de la ruta del proceso.

Además, podemos llevar el sistema a través de una serie de estados que forman un circuito cerrado , como i ⇒ f ⇒ i . En este caso, el estado final es el mismo que el estado inicial , pero el trabajo total realizado por el sistema no es cero . Un valor positivo para el trabajo indica que el trabajo lo realiza el sistema en su entorno. Un valor negativo indica que el trabajo se realiza en el sistema por su entorno.

Ejemplo: trabajo específico de turbina

Una etapa de alta presión de la turbina de vapor funciona en estado estable con condiciones de entrada de   6 MPa , t = 275.6 ° C , x = 1 (punto C). Vapor hojas esta etapa de la turbina a una presión de 1,15 MPa , 186 ° C y x = 0,87 (punto D). Calcule la diferencia de entalpía entre estos dos estados. Determinar la transferencia de trabajo específica.

La entalpía para el estado C puede seleccionarse directamente de las tablas de vapor , mientras que la entalpía para el estado D debe calcularse utilizando la calidad del vapor :

h _{1, húmedo} = 2785 kJ / kg

h _{2, húmedo} = h _{2, s} x + (1 – x) h _{2, l}  = 2782. 0.87 + (1 – 0.87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg

Δh = 262 kJ / kg

Dado que en el proceso adiabático dh = dw , Δh = 262 kJ / kg es el trabajo específico de la turbina .

Primera ley en términos de entalpía dH = dQ + Vdp

La entalpía se define para ser la suma de la energía interna E más el producto de la presión p y el volumen V . En muchos análisis termodinámicos aparece la suma de la energía interna U y el producto de la presión py el volumen V, por lo tanto, es conveniente dar a la combinación un nombre, entalpía y un símbolo distintivo, H.

H = U + pV

Ver también: entalpía

La primera ley de la termodinámica en términos de entalpía nos muestra por qué los ingenieros usan la entalpía en ciclos termodinámicos (por ejemplo, el ciclo de Brayton o el ciclo de Rankine ).

La forma clásica de la ley es la siguiente ecuación:

dU = dQ – dW

En esta ecuación, dW es igual a dW = pdV y se conoce como el trabajo límite .

Obtenemos la ley en términos de entalpía:

dH = dQ + Vdp

o

dH = TdS + Vdp

En esta ecuación, el término Vdp es un proceso de flujo de trabajo. Este trabajo,   Vdp , se utiliza para sistemas de flujo abierto como una turbina o una bomba en la que hay un “dp” , es decir, un cambio de presión. No hay cambios en el volumen de control . Como puede verse, esta forma de ley simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante , el cambio de entalpía es igual a la energía transferida del ambiente a través del calentamiento:

Proceso isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ      →      Q = H ₂ – H ₁

En una entropía constante , es decir, en un proceso isentrópico, el cambio de entalpía es igual al trabajo del proceso de flujo realizado en o por el sistema:

Proceso isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp      →      W = H ₂ – H ₁

Es obvio, será muy útil en el análisis de los dos ciclos termodinámicos utilizados en la ingeniería de energía, es decir, en el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine.

Ejemplo: primera ley de termodinámica y ciclo de Brayton

Supongamos el ciclo Brayton ideal que describe el funcionamiento de un motor de calor a presión constante . Los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también siguen el ciclo de Brayton. Este ciclo consta de cuatro procesos termodinámicos:

1. 

   Compresión isentrópica : el aire ambiente ingresa al compresor, donde se presuriza (1 → 2). El trabajo requerido para el compresor viene dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adición de calor isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible y se calienta el aire u otro medio (2 → 3). Es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para fluir hacia adentro y hacia afuera. El calor neto agregado viene dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. Expansión isentrópica : el aire calentado y presurizado se expande en la turbina y entrega su energía. El trabajo realizado por la turbina viene dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rechazo de calor isobárico : el calor residual debe rechazarse para cerrar el ciclo. El calor neto rechazado viene dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como se puede ver, podemos describir y calcular (por ejemplo, eficiencia termodinámica) tales ciclos (de manera similar para el ciclo de Rankine ) usando entalpías .