Cuaderno de Actividades: Fsica I

2da Ley de la Termodinmica. EntropaElsegundo principio de la termodinmicao segunda ley de la termodinmica expresa que:

La cantidad deentropadeluniverso tiende a incrementarse en el tiempoLa 1ra Ley muestra la conservacin de la energa, la equivalencia entre W y Q para cambiar U, o sea, son indistinguibles, en ese sentido para un observador dentro del sistema. Sin embargo, el conocimiento de W y Q demanda MAS, por ejemplo, la 2da Ley de la Termodinmica nos indicar que no ser siempre posible convertir todo el Q en W, siendo esto un comportamiento natural de nuestro universo. Definiremos la funcin de estado S, entropa, para describir la 2da Ley de la Termodinmica.

Enunciados clsicos

La segunda ley de la termodinmica ha sido expresada de muchas maneras diferentes.Clausius fue el primero, basndose en los resultados de Carnot:

Es imposible que una mquina, sin ayuda mecnica externa,transfiera calor de un cuerpo a otro ms caliente.

Desechada la teora delcalrico, en1851,Kelvin ofrece un nuevo enunciado:

Es imposible construir un dispositivo que, utilizando un fluido inerte,pueda producir trabajo efectivo causado por el enfriamiento del cuerpo ms fro de que se disponga..

Ms tardePlanck, basndose en los estudios deKelvinestablece un enunciado muy sencillo:

Es imposible construir una mquina que no haga otra cosa que elevar un pesoy causar el correspondiente enfriamiento en una fuente trmica.

.

Finalmente, en1909, el enunciado ms formal sera el del matemticoConstantin CarathodoryEn cada vecindad arbitrariamente prxima a un estado inicial dado, existen estados a los que,mediante procesos adiabticos, no se pueden acercar tanto como se quiera.

Algunoscorolariosdel principio, a veces empleados como enunciados alternativos, seran:

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.

Corolario del principio, debido a Clausius.

Visualmente, el segundo principio se puede expresar imaginando una caldera de unbarco de vapor. sta no podra producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presin elevadas comparadas con el medio que la rodea.

Matemticamente, se expresa as:

DondeSes laentropay el smbolo de igualdad slo existe cuando la entropa se encuentra en su valor mximo (en equilibrio).

7,1) Mquinas Trmicas y la 2da Ley de la TermodinmicaUna mquina trmica, MT, es un dispositivo capaz de convertir energa trmica (calor) en otras formas de energa: Energa elctrica o mecnica, por ejemplo.Podemos esquematizar una MT de la siguiente forma,

Tc Qc En un ciclo: (U ( O ( W ( Qneto( Qn W ( W ( Qc - Qf

MT

Qf

Tf Como indica la figura, la MT toma energa del foco caliente, Qc, en un ciclo realiza trabajo W, entregando energa al foco fro Qf, esto es, recibe por ciclo la cantidad de energa Qn ( Qc Qf realizando W.

La eficiencia, (, de la MT se define de la siguiente forma,

De la 2da ley se desprende que, debido a que Qf ( Qc, entonces, ( < 1, esto es, no todo el Q se puede transformar en W. Esta es la llamada forma de Kelvin Planck para la 2da Ley.

? Determine la eficiencia de diversas MT, motor de auto, diesel, OTTO, STIRLING, etc.

? Que variedad de MT existen.? Cul es el enunciado de R. Clausius de la 2da Ley.CLASIFICACIN Segn el sentido de transferencia de energa

Las mquinas trmicas pueden clasificarse, segn el sentido de transferencia de energa, en:

Mquinas trmicas motoras, en las cuales la energa del fluido disminuye al atravesar la mquina, obtenindoseenerga mecnica en el eje.

Mquinas trmicas generadoras, en las cuales la energa del fluido aumenta al atravesar la mquina, precisndose energa mecnica en el eje.

Segn el principio de funcionamiento

Atendiendo al principio de funcionamiento, las mquinas trmicas se clasifican en:

Mquinas volumtricas o mquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento est basado en principios mecnicos e hidrostticos, de manera que el fluido en algn instante est contenido en un volumen limitado por los elementos de la mquina. En este tipo de mquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos segn el movimiento del rgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento esrectilneo; y rotativas, cuyo movimiento escircular.

Turbomquinas, cuyo funcionamiento est basado en el intercambio decantidad de movimientoentre el fluido y unrodete. En estas mquinas el flujo es continuo.

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las mquinas trmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

7,2) Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso es reversible cuando un sistema termodinmico y los exteriores retornan a sus condiciones iniciales al final del proceso. Un proceso es irreversible, esto es, una vez terminado el proceso el sistema o los exteriores no regirn sus condiciones iniciales.En la naturaleza todos los procesos son irreversibles.

? Porqu la naturaleza permite procesos irreversibles.? Conoce algunos procesos aproximadamente reversibles.? En las MT los procesos son reversibles o irreversibles.7,3) La mquina de CarnotEs una MT ideal basada en un ciclo reversible ideal de tal forma que su eficiencia delimita la eficiencia de una MT real, trabajando entre los mismos focos de temperatura,

El ciclo reversible ideal que usa la MT de Carnot se denomina ciclo de Carnot y esta constituido por dos procesos adiabticos y 2 isotrmicos, tal como la representa el diagrama p-V siguiente,

p A

D

Qf V La eficiencia de la mquina de Carnot es,

? Como se puede mostrar que la MT ideal de Carnot corresponde el caso ideal de mquina trmica.

? Porqu los calores son proporcionales a las temperaturas absolutas de los focos.? Existen otras MT con eficiencia comparable a la MT ideal de Carnot.? Ser posible usar la MT ideal de Carnot para definir escalas absolutas de Ts.? En que consiste la 3ra Ley de la Termodinmica.MOTOR DE STIRLINGUnmotor Stirlinges unmotor trmicooperando por compresin y expansin cclica de aire u otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce una conversin neta de energacalorficaa energa mecnica

Elciclo Stirling idealconsiste de cuatroprocesos termodinmicosque actan sobre el fluido de trabajo:

1-2.Compresinisotrmica del gas a la temperatura inferior. Durante este proceso se cede al exterior una cantidad de calor a la fuente fra.

2-3. Absorcin de calor a volumen constante (isocricooiscoro). El gas absorbe del regenerador una cantidad de calory aumenta su temperatura, lo que provoca un aumento de presin.

3-4. Expansin isoterma del gas a alta temperatura. Durante este proceso se absorbe calor de la fuente caliente.

4-1. Cesin de una cantidad de caloral regenerador a volumen constante, disminuyendo la temperatura del fluido.

Grfico que muestra el ciclo Stirling ideal con sus cuatro procesos.A diferencia de lamquina de Carnot, esta mquina est constituida por dos isotermas, dos isocoras y un sistema de regeneracin entre las isocoras. Cabe recordar que la mquina de Carnot ideal logra la mayor eficiencia asociada a los dosfocos trmicosde los que normalmente consta una mquina.7,4) Entropa, S

Es la funcin de estado termodinmico que describe el grado de desorden del sistema.Debido a que es una funcin de estado los cambios de entropa, (S ( Sf Si, slo dependern de los estados inicial- final.

La definicin de Clausius del cambio infinitesimal de la entropa, cuando un sistema termodinmico desarrolla un proceso infinitesimal, siguiendo una trayectoria reversible a la temperatura T, transfirindole una cantidad de energa dQr es,

Esta definicin conduce a dos resultados interesantes: primero, en los sistemas aislados la entropa aumenta, esto es, el desorden del sistema aumenta (mecnica estadstica) y, como veremos, la entropa del universo aumenta en todos los procesos.Segundo, ahora, un cambio macroscpico de la entropa, finito, resulta,

Esto conduce a que (S ( O, en procesos cclicos,

Caso especial: Ciclo de Carnot (S ( 0.? Los procesos reversibles no cambian la entropa del universo.? Los procesos irreversibles s cambian la entropa del universo.? A que se denomina muerte trmica del universo.Qc

B

Tc

C

Tf

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Mg. Percy Vctor Caote Fajardo

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