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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Que cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico.

Que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse.

Que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse.

La dirección en que se lleva a cabo los procesos. Es decir en que dirección se transmite la energía

NOS INDICA:

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Expresiones de la segunda ley de la termodinámica:

Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura. (Enunciado de Clausius).

Es imposible todo proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de energía en forma de calor procedente de un depósito térmico, y la conversión de toda ésta energía en forma de trabajo (Enunciado de Kelvin-Planck).

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Se denomina depósito de energía térmica a todo cuerpo que posee una cantidad de energía térmica relativamente grande que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de temperatura.

Ejemplo: lagos, océanos, atmósfera, hornos industriales

DEPÓSITO DE ENERGÍA TÉRMICA

Cualquier cuerpo físico cuya capacidad de energía térmica es grande con respecto a la cantidad de energía que suministra o absorbe se puede considerar como DEPÓSITO

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aire habitaciónAire: depósito térmico

Un depósito que suministra energía en forma de calor se llama fuente y el otro que absorbe se llama sumidero

Fuente

Sumidero

calor

calor

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MÁQUINAS TERMICAS

œ

Al mover las paletas se aplica trabajo y se genera calor.

H2O calor

œ

Si se aplica calor al sistema se moverá las paletas?

H2O

calor

Rpta: NO

Pero para convertir calor en trabajo se hace uso de las denominadas MÁQUINAS TÉRMICAS

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MÁQUINAS TERMICAS

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica.

De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual:

1)se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2)la máquina realiza un trabajo y 3)libera calor a una fuente a temperatura más baja

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Ejemplo de máquinas térmicas:

1) El combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura,

2) luego se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y finalmente 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape.

Motor de gasolina:

Planta de potencia para producir electricidad:

1)El carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se usa para producir vapor de agua. 2)El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. 3)Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico.

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Fuente: alta temperatura

Sumidero: baja temperatura

Q entrada

trabajo

Q salida

Máquina térmica

Características de las máquinas térmicas:

•Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etc).

•Convierten parte de este calor en trabajo (en forma de flecha rotatoria: turbina)

•Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etc).

•Operan en un ciclo

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MÁQUINA DE CARNOT

Es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo.

Una máquina de Carnot es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura o depósitos de energía térmica.

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CICLO DE CARNOT

Es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo.

Trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por:

η =rendimiento o eficiencia térmica

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Si la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina se denomina máquina frigorífica.

El ciclo de Carnot se trata de un ciclo ideal reversible:

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EL CICLO DE CARNOT

Expansión isoterma: (proceso 1 → 2)

Temperatura T1 de la fuente caliente

Se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda.

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La expansión isoterma termina cuando esta no puede realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo.

Expansión adiabática: (2 → 3)

al no haber transferencia de calor, la entropía es constante:           

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Compresión isoterma: (3 → 4). Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye:

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•Compresión adiabática: (4→1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía:

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TEOREMAS DE CARNOT

1. No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot

2. Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.

nX= máquina térmica

nR= máquina de Carnot

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Si una máquina térmica con eficiencia (n ter) es:

< n ter rev. se trata de una máquina térmica irreversible

= n ter rev. se trata de una máquina térmica reversible

> n ter rev. se trata de una máquina térmica imposible

Proceso reversible: es un proceso que se puede invertir sin dejar rastros en los alrededores. Es decir tanto el sistema como sus alrededores vuelven a su estado inicial.

Estos procesos no ocurren en la naturaleza, son idealizaciones.

Proceso irreversible: cuando existe al menos una de las siguientes características:

FricciónExpansión libreMezclado de dos fluidos

Transferencia de calorReacciones químicas

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BOMBA DE CALOR

Es una máquina para transferir calor de un foco frío a un foco caliente.

Se utiliza en sistemas domésticos de aire acondicionado.

Rendimiento

La cantidad de calor que se puede bombear depende de la diferencia de temperatura entre los focos frío y caliente. Cuanto mayor sea ésta diferencia, menor será el rendimiento de la máquina.

El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio calentado a una temperatura alta.

Las bombas térmicas tienen un rendimiento, denominado COP (coefficient of performance, en castellano, CEE coeficiente de eficiencia energética) mayor que la unidad.

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BOMBA DE CALOR

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En toda bomba de calor se verifica que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más la potencia consumida por el compresor, que se transmite al fluido.

Dado que el efecto útil de una bomba de calor depende de su uso, hay dos expresiones distintas del COP. Si la máquina se está usando para refrigerar un ambiente, el efecto útil es el calor extraído del foco frío:

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Si la bomba de calor está usándose para calentar una zona, el efecto útil es el calor introducido:

Una bomba de calor típica tiene un COP de entre dos y seis, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos.

W

QC

QF

T° caliente

T° fria

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23

COMPONENTES DE UN REFRIGERADOR

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Representación esquemática de una

máquina térmica.

Representación esquemáticade una máquina térmicaimposible de construir

Representaciónesquemática de un

refrigerador.

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ENTROPÍA

La entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación.

La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos

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La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía

La entropía es la medida del desorden de un sistema. Una masa de una sustancia con sus moléculas regularmente ordenadas, formando un cristal, tiene entropía mucho menor que la misma sustancia en forma de gas con sus moléculas libres y en pleno desorden.

La variación de entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más ordenados.

27

27

I. Cambios de entropía de líquidos y sólidos

T

dTc

T

dudS

. 1

2

2

1

12 ln.)(T

Tc

T

dTvcSS v

Q = ΔU+W

T

dvP

T

dudS

.

En líquidos y sólidos el volumen permanece casi constante. Por tanto dv=0

RELACIONES MATEMÁTICAS DE LA ENTROPIA

T

dTvCmSS.

.12

12ln..12 T

TCmSS v

T

QS

ΔS=variación de la entropia

Δ Q= transferencia de calor

T=temperatura

1.1 Cambios de entropía a presión constante

T

dTpCmSS

..12 T1

2T.lnm.C1S2S p

1.2 Cambios de entropía a entropía constante = 0

1.3 Cambios de entropía a temperatura constante

1.4 Cambios de entropía en un proceso politrópico constante

12n T

T.lnm.C

T

.dTnCm.1S2S

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II. Cambios de entropía de gases ideales.

Sustituyendo:

v

dvR

T

dTvCds

du= Cv.dT

P=RT/v

1v2v

R.ln

1T2T

.ln,C1s

2s promv

1P2P

R.ln

1T2T

.ln,C1s

2s promp

T

dvP

T

dudS

. se obtiene:en

a “V” cte

a “P” cte

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TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas.

Al llegar al cero absoluto (0 K) cualquier proceso de un sistema se detiene.

Una consecuencia de la tercera ley es que el calor específico de todas las sustancias se anula al llegar su temperatura a ser cero grados absolutos, es decir a -273ºC.  

El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas.

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1

2

3

4

T1 > T2

T2

T1

EL CICLO DE CARNOT

Q1

Q2

2 isotermas2 isentrópicas

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CICLO DE CARNOT EN UN PLANO TEMPERATURA ENTROPIA

P. isotérmico

P. isotérmico

P, i

soen

tróp

ico

P, i

soen

tróp

ico

Tº alta

Tº alta

1 2

34

33

TURBINA DE VAPOR

EQUIPOS ANALIZADOS EN TERMODINÁMICA

Es una turbomáquina, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético

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CALDERAEs una máquina que está diseñada para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado

La presión de vapor se usa para mover una turbina u otras aplicaciones (calefacción, esterilización)

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COMPRESOR

Dispositivo empleado para comprimir aire u otro tipo de gases, elemento principal en algunos sistemas de refrigeración

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INTERCAMBIADOR DE CALOREs un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto.