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TEMA 5. LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CONTENIDOS:CONTENIDOS:

1. Depósitos de energía térmica

2. Máquinas térmicas. Enunciado de la segunda ley de la termodinámica Kelvin-Planck

3. Ciclos de refrigeración y bombas de calor. Enunciado de la segunda ley de la termodinámica de Clausius

4. Procesos reversible e irreversible

5. El ciclo de Carnot

6. Los principios de Carnot

7. La escala termodinámica de temperaturas

8. La máquina térmica de Carnot

9. El ciclo de refrigeración y bomba de calor de Carnot

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS:OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

El estudiante será capaz de describir las limitaciones de la Primera Ley de la Termodinámica

Enunciar la Segunda Ley según los enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius.

Demostrar la equivalencia de los enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius.

Describir el funcionamiento de una máquina térmica y una frigorífica

Conocer los principios de Carnot

Apreciar la importancia del Ciclo de Carnot como límite máximo para los rendimientos máximos de las máquinas térmicas, y de las máquinas frigoríficas y bombas de calor.

Considera el sistema mostrado en la figura que contienen sustancias incompresibles a 100ºC y –50ºC. Ambos tienen la misma masa y el calor específico del sistema A es la mitad del calor específico del B.

A BT=100°C T=−50°C

ESTADO 1

3

A y B se ponen en contacto y se les permite intercambiar energía entre ellos, pero no con los alrededores. Vuelves un rato después y encuentras que la temperatura de B es –100ºC. ¿Cuál es la temperatura de A?

A BT = ? T=−100°C

ESTADO 2

5.0 INTRODUCCIÓN

Procesos espontáneos

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5.0 INTRODUCCIÓN

Utilidad de la Segunda Ley:

1) Predecir dirección de los procesos.2) Establecer las condiciones de equilibrio.3) Determinar las mejores prestaciones teóricas de ciclos y motores térmicos.4) Cuantificar el alejamiento del óptimo en máquinas reales.5) Definir una escala absoluta de temperatura (independiente de la sustancia termométrica).6) Procedimiento de cálculo de u y h a partir de otras propiedades medibles.

1ª LEY de la Termodinámica CANTIDAD

2ª LEY de la Termodinámica CALIDAD

5.1 DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA

Depósito de Energía Térmica (también reservorio o foco térmico):= cuerpo hipotético con una capacidad de energía térmica (masa x calor específico) grande que puede absorber o suministrar cantidades finitas de calor sin que sufra ningún cambio. Ejemplos:

• Grandes masas de agua (lagos, ríos, mares, ...)• Aire atmosférico• Sistemas de dos fases• Cualquier sistema mucho mayor que el estudiado

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5.2 MÁQUINAS TÉRMICAS. ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA KELVIN-PLANCK

Se denomina Máquina Térmica a los dispositivos que convierten calor en trabajo.

Características:1) Reciben calor de una fuente a alta Tª2) Convierten parte de este calor en trabajo3) Liberan calor desecho remanente en un sumidero4) Operan en ciclo

5.2 MÁQUINAS TÉRMICAS. ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA KELVIN-PLANCK

Los dispositivos cíclicos de interés práctico, como las máquinas térmicas, los ciclos refrigeración y las bombas de calor, operan entre un medio de alta temperatura (TC) y un medio a baja temperatura (TF)

FCciclo QQW −=

C

F

C

FC

F

ciclo

QQ

QQQ

QW

−=−

== 1η

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5.2 MÁQUINAS TÉRMICAS. ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA KELVIN-PLANCK

¿Podemos ahorrar Qsal?

5.2 MÁQUINAS TÉRMICAS. ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA KELVIN-PLANCK

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

“Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor de un solo depósito y producir una cantidad neta de trabajo”

Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica del 100%

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5.3 CICLOS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBAS DE CALOR. ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA DE CLAUSIUS

Por la experiencia se sabe que el calor fluye en la dirección de la temperatura decreciente, de alta Tª a baja Tª. Sin embargo, el proceso inverso, no puede ocurrir por si solo. La transferencia de calor de un medio de baja Tª a uno de alta Tª requiere de dispositivos especiales llamados:

CICLOS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA DE CALOR.

es

e

ciclo

e

QQQ

WQ

−==β

es

s

ciclo

s

QQQ

WQ

−==γ

Ciclo de refrigeración

Bomba de calor

5.3 CICLOS DE REFRIGERACIÓN Y BOMBAS DE CALOR. ENUNCIADO DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA DE CLAUSIUS

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: ENUNCIADO DE CLAUSIUS

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

Nota: La 2ª Ley parte de observaciones experimentales que no se han contradicho hasta la fecha.

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EQUIVALENCIA DE LOS DOS ENUNCIADOS

NO Kelvin-Planck NO Clausius

EQUIVALENCIA DE LOS DOS ENUNCIADOS

NO Clausius NO Kelvin-Planck

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MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO

Todo dispositivo que viole cualquiera de las leyes de la termodinámica se denomina máquina de movimiento perpetuo.

Si viola la 1ª LeyMáquina de movimiento perpetuo de 1ª especie

(MMP1)

Si viola la 2ª LeyMáquina de movimiento perpetuo de 2ª especie

(MMP2)

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5.4 PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

¿Cuál es la eficiencia máxima que puede tener una máquina térmica?

PROCESO REVERSIBLETodos los procesos en la naturaleza son irrevesibles, entonces, ¿por qué se

estudian los procesos reversibles?1. Son fáciles de analizar, gracias a que un sistema pasa por una serie de

estados de equilibrio durante un proceso reversible.2. Sirven como modelos ideales con los cuales pueden compararse los

procesos reales.

Se dice que un proceso es REVERSIBLE si el sistema y todas las partes del entorno pueden devolverse exactamente a sus estados iniciales después de que el proceso haya tenido lugar. Los que no son reversibles son IRREVERIBLES

5.4 PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

IRREVERSIBILIDADES

1. FRICCIÓN2. EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE NO CUASIEQUILIBRIO 3. TRANSFERENCIA DE CALOR A TRAVÉS DE UNA DIFERENCIA FINITA DE

TEMPERATURAS4. Reacción química espontánea5. Mezcla espontánea de sustancias con diferente composición y estado6. Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia7. Deformación inelástica

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5.4 PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

PROCESOS INTERNA Y EXTERNAMENTE REVERSIBLES

1) Se dice que un proceso es internamente reversible si no hay irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema durante el proceso.2) Se dice que un proceso es externamente reversible si no hay irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso.3) Se dice que un proceso es totalmente reversible si no hay irreversibilidades ni fuera ni dentro de las fronteras del sistema durante el proceso.

totalmente reversible internamente reversible

5.5 EL CICLO DE CARNOT

La eficiencia de una máquina térmica depende de cómo se ejecutan los procesos individuales

El trabajo neto, por consiguiente la eficiencia térmica del ciclo, puede maximizarse al utilizar procesos que requieran la menor cantidad de trabajo y entreguen la mayor, es decir, empleando procesos reversibles.

Los ciclos más eficientes son los ciclos reversibles!!

CICLO DE CARNOT (1824) Sadi Carnot

DIAGRAMA p-v CICLO DE CARNOT

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5.5 EL CICLO DE CARNOT

CICLO DE POTENCIA DE CARNOT REALIZADO POR UNA SUSTANCIA QUE CAMBIA DE FASE

5.5 EL CICLO DE CARNOT

CICLO DE CARNOT INVERSO

Como el ciclo de Carnot es reversible, los procesos que comprende pueden invertirseCiclo de refrigeración de Carnot

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5.6 LOS PRINCIPIOS DE CARNOT

1. “La eficiencia de una máquina térmica irreversible siempre es menor que la eficiencia de una reversible que opera entre los mismo dos depósitos”

2. “Las eficiencias de todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los dos mismos depósitos son iguales”

Dem: La violación de un principio de Carnot implica la violación de la 2ª Ley

5.7 LA ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURAS

Escala termodinámica de temperaturas: aquella que es independiente de la sustancia que se emplea para medir.

2º principio de Carnot ),( Lrev TTg Η=ηΗ

−=QQL1η ),( L

L TTfQQ

ΗΗ

=

Lord Kelvin propone

),( FCC

F TTfQQ

= ),( 212

1 TTfQQ

= ),( 323

2 TTfQQ

= ),( 313

1 TTfQQ

=

3

2

2

1

3

1

QQ

QQ

QQ

⋅= ),(),(),( 322131 TTfTTfTTf ⋅=

)()(),(

2

121 T

TTTfΦΦ

=)()(),(

3

232 T

TTTfΦΦ

=)()(),(

3

131

3

1

TTTTf

QQ

ΦΦ

==

TT =Φ )(C

F

revC

F

TT

QQ

=

revptQQ

T

⋅= 16.273

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5.8 LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT

Marca la máxima eficiencia que puede tener una máquina térmica que opere entre los dos depósitos de energía térmica a temperaturas TF y TC.

C

Ft Q

Q−= 1η

C

Ft T

T−= 1η

Imp: Las Máquinas Térmicas reales pueden maximizar su eficiencia alsuministrar calor a la máquina a la temperatura más alta posible ydesechando calor de la máquina a la temperatura más baja posible

< Maq. Térmica Irreversible= Maq. Térmica Reversible> Maq. Térmica Imposiblerevt ,η

revt ,η

revt ,ηtη

5.9 EL CICLO DE REFRIGERACIÓN Y BOMBA DE CALOR DE CARNOT

Ciclo de refrigeración

FC

F

TTT−

=maxβFC

C

TTT−

=maxγ

Bomba de calor

< Refrigerador Irreversible= Refrigerador Reversible> Refrigerador Imposible

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