Segunda Ley de la Termodinmica

La segunda ley de la termodinmica o segundo principio de la termodinmica expresa, en una forma concisa, que "La cantidad de entropa de cualquier sistema aislado termodinmicamente tiende a incrementarse con el tiempo".

ENUNCIADOS La segunda ley de la termodinmica ha sido expresada de muchas maneras

diferentes. Sucintamente, la Termodinmica clsica la ha expresado as:

Enunciado de Clausius:

Es imposible un proceso cuyo nico resultado sea la transferencia de

energa en forma de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de

mayor temperatura.

Enunciado de Kelvin-Planck:

Es imposible todo proceso cclico cuyo nico resultado sea la absorcin de

energa en forma de calor procedente de un foco trmico (o reservorio o

depsito trmico), y la conversin de toda sta energa en forma de calor

en energa en forma de trabajo.

Otra interpretacin:

Ningn proceso cclico es tal que el sistema en el que ocurre y su entorno

puedan volver a la vez al mismo estado del que partieron.

En un sistema aislado, ningn proceso puede ocurrir si a l se asocia una

disminucin de la entropa total del sistema.

Kelvin Planck

Es imposible construir una mquina trmica que, operando en un ciclo, no

tenga otro efecto que absorber la energa trmica de una fuente y realizar la

misma cantidad de trabajo

MAQUINAS TERMICAS Una Mquina Trmica es un dispositivo que convierte

energa trmica en otras formas tiles de energa, como la energa elctrica y/o mecnica. De manera explcita, una mquina trmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cclico durante el cual :

1) Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura

2) La mquina realiza un trabajo

3) Libera calor a una fuente a temperatura ms baja.

Por ejemplo, en un motor de gasolina.

1) el combustible que se quema en la cmara de combustin es el depsito de alta temperatura.

2) se realiza trabajo mecnico sobre el pistn

3) la energa de desecho sale por el tubo de escape.

Las mquinas trmicas son mquinas de fluido compresible:

En los motores trmicos, la energa del fluido que atraviesa la mquina disminuye, obtenindose energa mecnica.

En el caso de generadores trmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energa al atravesar la mquina.

Mquinas trmicas

Motoras Volumtricas

Alternativas (Mquina

de vapor)

Rotativas (Motor

rotativo de aire

caliente)

Turbomquinas Turbinas

Generadoras Volumtricas

Alternativas

(Compresor de

mbolo)

Rotativas (Compresor

rotativo)

Turbomquinas Turbocompresores

Ciclo Termodinmico

El ciclo termodinmico realizado en una mquina trmica consta de varios procesos, en los que se intercambia energa trmica o energa mecnica o ambos a la vez.

En el caso de una mquina trmica motora, los procesos en los que se intercambia energa trmica son: a) De absorcin de calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente. b) De cesin de calor a un foco externo a temperatura ms baja denominado foco fro.

En una mquina trmica generadora, el intercambio de energa trmica se realiza en el sentido opuesto al descrito anteriormente.

Una mquina trmica en particular, la mquina de Carnot, de construccin terica, establece los lmites tericos al rendimiento que cualquier mquina trmica real puede obtener al trabajar en funcin de las temperaturas del foco caliente y del foco fro entre los que trabaje.

BOMBA DE CALOR

Bomba de calor es una mquina trmica que permite transferir energa en forma de calor de un ambiente a otro, segn se requiera. Para lograr esta accin es necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinmica , segn la cual el calor se dirige de manera espontnea de un foco caliente a otro fro, y no al revs, hasta que sus temperaturas se igualan.

REVERSIBILIDAD La Reversibilidad es la capacidad de un sistema termodinmico macroscpico de

experimentar cambios de estado fsico, sin un aumento de la entropa, resultando posible volver al estado inicial cambiando las condiciones que provocaron dichos cambios.

Un ejemplo tpico de reversibilidad es el que se da en los materiales elsticos que pueden variar su estado de deformacin y tensin bajo la accin de ciertas fuerzas y volver a su estado inicial cuando las fuerzas dejan de actuar sobre el material.

Ejemplos de reversibilidad:

Fundir el hielo y luego volver a congelarlo

Evaporar el agua y volver a condensarla

Ejemplos de elasticidad:

Estirar un resorte una longitud corta (luego se recupera la forma del resorte)

Estirar un hule una longitud corta y tiempo corto (luego se recupera la forma del hule)

Ejemplos de irreversibilidad:

Envejecer

Estirar un hule por tiempos largos, de manera que la forma original no se recupere ms.

Un proceso es reversible si su direccin puede invertirse

en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las

condiciones externas.

Una transformacin reversible se realiza mediante una

sucesin de estados de equilibrio del sistema con su entorno

y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial

por el mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por

tanto, equivalentes. Si un proceso real se produce en forma

cuasi esttica, es decir lo suficientemente lento como para

que cada estado se desvi en forma infinitesimal del

equilibrio, se puede considerar reversible. En los procesos

reversibles, el sistema nunca se desplaza ms que

diferencialmente de su equilibrio interno o de su equilibrio

con su entorno. Si una transformacin no cumple estas

condiciones es irreversible.

MAQUINA DE CARNOT

La mquina de Carnot es una mquina ideal que utiliza calor para

realizar un trabajo. En ella hay un gas sobre el que se ejerce un

proceso cclico de expansin y contraccin entre dos temperaturas.

Una mquina de Carnot es el procedimiento ms eficaz para

producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.

El teorema de Carnot se enuncia de la siguiente forma: ninguna mquina trmica real que opera entre dos fuentes de calor, puede

ser ms eficiente que una mquina de Carnot, operando entre las

dos mismas fuentes.

Funcionamiento de la Mquina

de Carnot Expansin Isotrmica:

Se parte de una situacin en que el gas ocupa el volumen mnimo Vmin a la temperatura T2 y a presin alta. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T2, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y mantiene su temperatura constante. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistn. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energa interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo:

dQ1 = dW1 > 0, dU1 = 0.

Expansin Adiabtica:

La expansin isotrmica termina en un punto tal que el resto de la expansin pueda realizarse sin intercambio de calor. Esta expansin adiabtica hace que el gas se enfre hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistn alcanza el punto mximo de su carrera y el gas alcanza su volumen mximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energa interna:

dQ2 = 0, dU2 = dW2 > 0.

Compresin Isotrmica:

Se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fra. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energa interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1:

dQ3 = dW3 < 0, dU3 = 0.

Compresin Adiabtica:

La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresin el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mnimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energa interna:

dQ4 = 0, dU4 = dW4 < = 0.

CICLO DE CARNOT

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

El Ciclo de Carnot

Diagrama del ciclo de Carnot en funcin de

la presin y el volumen.

Diagrama del ciclo de Carnot en funcin de

la temperatura y la entropa.

EFICIENCIA DE CARNOT

El trabajo neto realizado en el proceso cclico

reversible de Carnot es igual al rea encerrada

por la trayectoria ABCDA en el diagrama PV.

Este trabajo neto es igual al calor neto

transferido al sistema, QC QF, ya que el cambio de energa interna es cero. Adems la

eficiencia trmica de una mquina est dada

por la ecuacin:

La eficiencia trmica eC de una

mquina de Carnot, est dada

por la expresin:

Todas las mquinas de Carnot que operen entre

las dos mismas temperaturas de manera

reversible tienen la misma eficiencia.

A partir del ciclo de Carnot, se tiene que la

eficiencia de cualquier mquina reversible que

opere en un ciclo entre dos temperaturas, es

mayor que la eficiencia de cualquier mquina

irreversible (real) que opere entre las dos

mismas temperaturas.

ENTROPIA La entropa describe lo irreversible de los sistemas

termodinmicos. En termodinmica, la entropa (simbolizada como S) es la magnitud fsica que mide la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una funcin de estado de carcter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural.

La entropa puede interpretarse como una medida de la

distribucin aleatoria de un sistema. Puesto que un sistema

en una condicin improbable tendr una tendencia natural a

reorganizarse a una condicin ms probable, esta

reorganizacin resultar en un aumento de la entropa. La

entropa alcanzar un mximo cuando el sistema se acerque

al equilibrio, alcanzndose la configuracin de mayor

probabilidad.

La entropa fsica, en su forma clsica, est definida por la ecuacin

O

Las unidades de la entropa, en el

Sistema Internacional, son el J/K (o

Clausius) definido como la variacin de

entropa que experimenta un sistema

cuando absorbe el calor de 1 Julio

(unidad) a la temperatura de 1 Kelvin