CONTENIDO

1. Segunda ley de la termodinámica.

2. Entropía. Calculo de entropía según el tipo de proceso. Entropía de un gas ideal. Procesos reversibles Procesos irreversibles

3. Enunciado de Kelvin.

4. Enunciado de Clausius.

5. Relación de ambos enunciados.

Principio básico de refrigeración. Máquina de vapor.

6. Tipos de máquinas térmicas. Combustión interna. Combustión externa.

7. Ciclo de Carnot. Expansión exotérmica reversible. Expansión adiabática reversible. Compresión exotérmica reversible. Compresión adiabática reversible.

8. Tercera ley de la termodinámica. Teorema del calor. Entropías absolutas.

9. Entropía química.

FORMULACION SIMPLIFICADA DE LAS LEYES TERMODINAMICAS PARA SISTEMAS PURAMENTE TERMICOS

LEY DE LA CONSERVACION DE ENERGIAUN FLUJO DE CALOR AUMENTA LA ENERGIA DE EL CUERPO QUE LO ABSORBE EN LA MISMA

MEDIDA QUE DISMINUYE LA ENERGIA DEL CUERPO QUE LIBERA EL CALOR.

LEY DE TENDENCIA AL EQUILIBRIOEL CALOR SIEMPRE FLUYE NATURALMENTE DEL CUERPO CALIENTE AL CUERPO FRIO HASTA ALCANZAR UN

EQUILIBRIO

SEGUNDA Y TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Restringe la conversión de calor en trabajo y la dirección del flujo de calor de un sistema a otro.

POR EJEMPLO, si un fluido a temperatura ambiente le colocamos hielo, después de un tiempo el fluido que inicialmente estaba a temperatura ambiente, ahora se encontrara a una menor temperatura, ya que hubo un flujo de calor de fluido a los cubos de hielo, disminuyendo así su temperatura.

Energía de cuerpo caliente

Energía de cuerpo frioFlujo de calor

En la naturaleza, todo tiende a desordenarse, es decir pasar de un estado menos estable a uno más estable.

Por ejemplo un helado tenderá a derretirse a temperatura ambiente y no a congelarse, siendo así aval de la segunda ley de la termodinámica.

FORMULACION GENERAL DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA LEY DE CRECIMIENTO DE LA ENTROPIA

UNIVERSO = SISTEMA + AMBIENTE

TODO SISTEMA MACROSCOPICO TIENE UNA PROPIEDAD, LA ENTROPIA, TAL QUE EN TODO PROCESO NATURAL SU VALOR

PARA EL UNIVERSO CRECE (PROCESO IRREVERSIBLE) O PERMANECE IGUAL (PROCESO REVERSIBLE).

LA ENTROPIA, IGUAL QUE LA ENERGIA SE DEFINE POR SU CAMBIA EN UN PROCESO DEL SIGUIENTE MODO:

Unidades de S = cal / K

Q>0 si sistema absorbe calor y Q

LA ENTROPÍA

Es la magnitud que determina aquella porción de la energía que no puede usarse para producir trabajo. También se puede definir, como la cuantificación de desorden en el sistema.

La palabra entropía viene del griego “em” que significa en, sobre y cerca de;

y “sqopg” que significa cambio, evolución o transformación.

En todos los casos aumenta el desorden, por tanto:

MATEMÁTICA

Matemáticamente, la entropía es una función de estado, se denota comúnmente con una letra “S” y se define como el cambio infinitesimal de entropía durante un proceso reversible:

Es una función de estado, es decir no depende de la trayectoria, sino más bien del estado final y el estado inicial-

Calculo de entropía según el tipo de proceso:

Concepto

Inicialmente se aplicó la entropía como cantidad de calor liberado por un sistema cuando se producía un choque de partículas, así mismo, si le suministramos calor al sistema, aumentara el choque particular, y a su vez, la entropía de este.

En procesos aislados, la entropía del universo jamás será negativa solo puede ser positiva o igual a cero, sin embargo, el signo del valor de la entropía del entorno y del sistema, dependerá del carácter de la reacción química, (si es exotérmica o endotérmica). También es una función extensiva, ya que se puede cuantificar y es aditiva.

Entropía de un gas ideal

La variación de la entropía de un gas ideal en función de la temperatura y el volumen es

y, en función de la temperatura y la presión.

Si tenemos un conjunto de moles de un gas que se expande de un volumen V a un volumen 2V, siendo la temperatura final la misma que la inicial, la variación en la entropía del gas es

Si usamos como variables la temperatura y la presión (que tienen la ventaja de ser ambas variables intensivas), lo que vemos es que la presión se reduce a la mitad

que naturalmente coincide con el resultado anterior.

Procesos reversibles

La entropía en estos tipos de procesos, será igual a cero y constante, debido a que durante la reacción no existe un intercambio de calor.

Procesos irreversibles

En estos procesos, la reacción se produce en una sola dirección y a partir de una serie de procesos la entropía puede aumentar o disminuir, pero jamás será negativa.

Aplicando el concepto de entropía, podemos resumir la segunda Ley de la Termodinámica como:

Para ejemplificar, podemos decir que el hielo a temperatura ambiente tiene un mayor grado de entropía que el agua a medio ambiente. Por tanto, el hielo tendera a derretirse y pasar a un estado más probable (liquido).

El calor que se transfiere gracias a un desnivel de temperatura, se puede transformar en trabajo siempre y cuando se cumplan ciertas reglas enunciadas por los siguientes enunciados:

Enunciado de KELVIN

Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.

Le entropía de un sistema, al sufrir cambios irreversibles aumenta. Cuando el proceso es reversible, esta se mantiene constante y hay que dejar en claro que la entropía jamás disminuye.

Maquina térmica:

Por contra parte, es posible obtener trabajo de un flujo de calor siempre y cuando existan 2 reservorios de temperatura con un desnivel de por medio.

Cuando la temperatura de un sistema permanece constante, la entropía del sistema puede aumentar o permanecer igual. Pero jamás disminuirá.

Enunciado de CLAUSIUS

Es imposible transferir calor de un reservorio de menor temperatura a uno de mayor temperatura.

Enunciado de Clausius: No hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea transferir calor de un foco frío a otro caliente.

Maquina térmica:

Sin embargo, es factible traspasar calor de una fuente de poca temperatura a una de mayor temperatura, ejerciendo un trabajo sobre este proceso con una maquina térmica que haga esta función.

Este es el principio básico de todos los sistemas de refrigeración actuales.

Principio básico de la refrigeración:

Máquina de vapor

Fue la primera máquina que pudo convertir el calor en trabajo, y así el primer motor que movió la industria mundial.

Tipos de máquinas térmicas

Combustión interna: Es cuando la fuente térmica pertenece a la máquina.

MOTOR DE EXPLOSION Y MOTORES DIESEL.

Combustión externa: Son aquellas que obtienen el calor de una fuente externa a la máquina.

Ciclo de CARNOT

También conocido como el ciclo perfecto consiste en el detalle, proceso a proceso, de

cómo es posible que pueda existir la maquina propuesta por Carnot.

El ciclo de Carnot se demostró matemáticamente, aplicando respectiva al tema, se logra demostrar que el trabajo total del proceso es igual a la cantidad de energía requerida por el mismo, dándonos

a entender así, que este proceso tiene una eficiencia del 100%, donde no existe ningún tipo de perdida de energía.

MATEMÁTICA

El trabajo total del ciclo de Carnot está dado por:

Rendimiento:

TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Se basa primordialmente en el postulado de Walther Nernst, quien gracias a este teorema, gano el premio nobel en 1920.

Teorema de Nerst: Una reacción química entre fases puras cristalinas que ocurre en el cero absoluto no produce ningún cambio de entropía.

Teorema del Calor

“La entropía de una materia tiende a anularse cuando su temperatura se acerca al cero absoluto, constituyendo la tercera Ley de la termodinámica. El máximo trabjo que se puede obtener de un proceso podría ser calculado por el calor generado a temperaturas cercanas al cero absoluto”.

(Nernst, 1906)

Entropías absolutas

La tercera Ley de la Termodinámica que más bien es el postulado de Nernst, quien señala lo siguiente: “La entropía de un sistema a la temperatura de 0°K, será 0” (Nernst, 1906)

Esto se debe a que a esa temperatura el orden es tal y la energía tan baja, que las partículas dejan de moverse.

Podemos definir entropía absoluta como el valor de la entropía cuando la temperatura tiende a los 0° K.

La tercera Ley permite conocer las entropías absolutas de cualquier sustancia debido a que estas están tabuladas y determinadas.

Los sistemas podemos agruparlos como sistemas macroscópicos y estos están formados por sistemas microscópicos. A su vez un sistema macroscópico puede estar ordenado o desordenado.

Teniendo en cuenta la tercera ley de la termodinámica y suponiendo que el “0°K” es alcanzable, se alcanzaría un orden máximo de los sistemas microscópicos, existiendo solo una disposición posible.

Podemos finalmente establecer una relación entre la temperatura (quien le da energía a las moléculas y así mismo la capacidad para moverse y vibrar. Es decir, a mayor temperatura mayor entropía (mayor desorden molecular) y a la inversa a menor temperatura menor entropía (mas

orden molecular).

La tercera ley permita conocer la entropía de cualquier sustancia en el limite de 0°K (imaginando una reacción química, a P=1 bar, entre elementos a T°K, se obtendría cualquier compuesto a T°K, y P = 1bar y su S seria 0J/°K).

Entropía Química

Habla sobre la entropía según la naturaleza química de las sustancias.

Por ejemplo, la entropía de un gas será mucho mayor a la entropía de un sólido. A nivel particular, las partículas de un gas están mucho más desordenadas que las partículas de un sustancia en estado sólido.

También existe una relación directa entre la entropía y los tamaños y estructuras de las moléculas.

Si los tamaños y estructuras moleculares son parecidos, sus entropías también deben serlo.