Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
COP = 2.5
Casa
20 °C
BC
Q H
Q·
L = ?
Aire del exterior a –2 °C
·
W neto,entrada = ?
FIGURA 6-25
Esquema para el ejemplo 6-4.
·
Pérdida de calor
80 000 kJ/h
Solución Se conoce el COP de una bomba de calor. Se determinará el consumo
de potencia y la tasa de absorción de calor.
Suposición Existen condiciones operativas estacionarias.
Análisis a) El consumo de potencia de esta bomba de calor, mostrado en la
figura 6-25, se determina a partir de la definición del coeficiente de desempeño
como
#
Q
# H 80 000 kJ >h
W neto,entrada 32 000 kJ/h 1u 8.9 kW 2
COP HP 2.5
b) La casa pierde calor a una tasa de 80 000 kJ/h, pero si se va a mantener a
una temperatura constante de 20 °C, la bomba de calor debe entregarle calor
a la misma tasa, es decir, a una de 80 000 kJ/h. Entonces la tasa de transferencia
de calor desde el exterior se convierte en
Q
# L Q
# #
H W neto, entrada 180 000 32 0002 kJ >h 48 000 kJ/h
Comentario Como en realidad 48 000 de los 80 000 kJ/h entregados a la
casa se extraen del aire frío exterior, por lo tanto sólo se costean los 32 000
kJ/h suministrados como trabajo eléctrico a la bomba de calor. Si en cambio
se usara un calentador de resistencia eléctrica, sería necesario suministrar los
80 000 kJ/h al calentador de resistencia como energía eléctrica. Esto significaría
un costo por calefacción 2.5 veces mayor, lo cual explica la popularidad
de las bombas de calor como sistemas de calefacción y por qué se prefieren
en lugar de los calentadores de resistencia eléctrica a pesar de su costo inicial
considerablemente mayor.
Ambiente caliente
R
Q H = 5 kJ
Q L = 5 kJ
Espacio refrigerado frío
W neto,entrada = 0
FIGURA 6-26
Éste es un refrigerador que viola el enunciado
de Clausius de la segunda ley.
La segunda ley de la termodinámica:
enunciado de Clausius
Hay dos enunciados clásicos de la segunda ley, el de Kelvin-Planck que se
relaciona con las máquinas térmicas y analizado en la sección precedente, y
el de Clausius, relacionado con refrigeradores o bombas de calor. El enunciado
de Clausius se expresa como sigue:
Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca
ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura
a otro de mayor temperatura.
Se sabe bien que el calor, por sí solo, no se transfiere de un medio frío
a uno más caliente. El enunciado de Clausius no significa que sea imposible
construir un dispositivo cíclico que transfiera calor de un medio frío a
otro más caliente. De hecho, esto es precisamente lo que hace un refrigerador
doméstico común. El enunciado establece simplemente que un refrigerador no
puede operar a menos que su compresor sea propulsado mediante una fuente
de energía externa, como un motor eléctrico (Fig. 6-26). De este modo, el
efecto neto sobre los alrededores tiene que ver con el consumo de cierta energía
en la forma de trabajo, además de la transferencia de calor de un cuerpo
más frío a otro más caliente; es decir, deja un rastro en los alrededores. Por lo
tanto, un refrigerador doméstico concuerda por completo con el enunciado de
Clausius de la segunda ley.
Ambos enunciados de la segunda ley, el de Kelvin-Planck y el de Clausius,
son negativos, y un enunciado de este tipo no se puede comprobar. Como
cualquier otra ley física, la segunda ley de la termodinámica está basada en