Cuaderno de Actividades: Física I

12) 212) 2dada Ley de la Ley de la Termodinámica.Termodinámica.

EntropíaEntropía

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7) 27) 2dada Ley de la Termodinámica. Entropía Ley de la Termodinámica. Entropía

La 1ra Ley muestra la conservación de la energía, 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 Termodinámica nos indicará que no será siempre posible convertir todo el Q en W, siendo esto un comportamiento natural de nuestro universo. Definiremos la función de estado S, entropía, para describir la 2da Ley de la Termodinámica.

7,1) Máquinas Térmicas y la 2da Ley de la Termodinámica

Una máquina térmica, MT, es un dispositivo capaz de convertir energía térmica (calor) en otras formas de energía: Energía eléctrica o mecánica, por ejemplo.

Podemos esquematizar una MT de la siguiente forma,

Como indica la figura, la MT toma energía del foco caliente, Qc, en un ciclo realiza trabajo W,

entregando energía al foco frío Qf, esto es, recibe por ciclo la cantidad de energía Qn ≡ Qc – Qf realizando W.

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

1c f f

c c c

Q Q QW

Q Q Qε

−≡ ≡ ≡ −

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Tc

Qc En un ciclo: ∆U ≡ O

→ W ≡ Qneto≡ Qn

W → W ≡ Qc - Qf

MT

Qf

Tf

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De la 2da ley se desprende que, debido a que Qf < Qc, entonces, ε < 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.

¿? Cuál es el enunciado de R. Clausius de la 2da Ley.

7,2) Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso es reversible cuando un sistema termodinámico 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 regirán sus condiciones iniciales.En la naturaleza todos los procesos son irreversibles.

¿? Porqué la naturaleza permite procesos irreversibles.

¿? Conoce algunos procesos aproximadamente reversibles.

¿? En las MT los procesos son reversibles o irreversibles.

7,3) La máquina de Carnot

Es 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,

: de la MT de Carnot

: de la MT real c

c

ε εε ε

ε ε

<

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

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La eficiencia de la máquina de Carnot es,

1 fc

c

T

Tε ≡ −

¿? Como se puede mostrar que la MT ideal de Carnot corresponde el caso ideal de máquina térmica.

¿? Porqué los calores son proporcionales a las temperaturas absolutas de los focos.

¿? Existen otras MT con eficiencia comparable a la MT ideal de Carnot.

¿? Será posible usar la MT ideal de Carnot para definir escalas absolutas de Ts.

¿? En que consiste la 3ra Ley de la Termodinámica.

7,4) Entropía, S

Es la función de estado termodinámico que describe el grado de desorden del sistema.

Debido a que es una función de estado los cambios de entropía, ∆S ≡ Sf – Si, sólo dependerán de los estados inicial- final.

La definición de Clausius del cambio infinitesimal de la entropía, cuando un sistema termodinámico desarrolla un proceso infinitesimal, siguiendo una trayectoria reversible a la temperatura T, transfiriéndole una cantidad de energía dQr es,

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p A

D

Qf

V V

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Qc

B

C

Tc

Tf

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rdQdS

T≡

Esta definición conduce a dos resultados interesantes: primero, en los sistemas aislados la entropía aumenta, esto es, el desorden del sistema aumenta (mecánica estadística) y, como veremos, la entropía del universo aumenta en todos los procesos.

Segundo, ahora, un cambio macroscópico de la entropía, finito, resulta,

f fr

i i

dQS ds

T∆ ≡ ≡∫ ∫

Esto conduce a que ∆S ≡ O, en procesos cíclicos,

0f i

r

i

dQS

T

≡∆ ≡ ≡∫

Caso especial: Ciclo de Carnot ∆S ≡ 0.

¿? Los procesos reversibles no cambian la entropía del universo.

¿? Los procesos irreversibles sí cambian la entropía del universo.

¿? A que se denomina muerte térmica del universo.

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