Introducción.

En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la eficiencia de las diferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una fuente de calor a otra y concluyó que las más eficientes son las que funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una máquina térmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calor de temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina de Carnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot.

El ciclo de carnot es un ciclo ideal termodinámico reversible, entre dos fuentes de temperatura, donde el rendimiento es máximo. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.

Representado en un diagrama p-v se obtiene la siguiente figura:

Vemos que se realizan cuatro procesos:

1. Expansión isotérmica2. Expansión adiabática3. Compresión isotérmica4. Compresión adiabática

La eficiencia de una máquina térmica viene definida por:

La eficiencia máxima de la máquina es:

Siendo T1 la temperatura del foco caliente y T2 del foco frio.

Como la máquina trabaja en ciclos y utilizando la convención de signos tenemos:

1

21QQ

QW

absmaquina

1

21TT

tornocedhaciaenabsmaquina QQW 21

El rendimiento de un frigorífico es:

Como trabaja en ciclos, de la primera ley de la termodinámica

WQcedido

WQQ absced 21

1. Una máquina térmica reversible con un rendimiento del 30% y cuyo foco frío se encuentra a 107°C permite que este foco absorba120 kcal. Determina la temperatura y el calor cedido por el foco caliente.

2. Una máquina térmica trabaja entre dos focos a 300 °C y 100 °C. Absorbiendo una cantidad de calor Q1 = 100 Kcal y cediendo un trabajo de 50 KJ. Determinar: a)El rendimiento de la máquina térmica.

b) El máximo rendimiento que podría llegar a tener esa máquina térmica.c) El calor cedido a la fuente fría.

3. Una máquina térmica opera con el ciclo de carnot, absorbe 900 J de un foco caliente que se encuentra a 177ºC, presentando una eficiencia del 40%. Determina: a) Calor cedido al foco frío b) Temperatura a que se encuentra el foco frío.

Uno de los soportes fundamentales de la Segunda Ley de la Termodinámica es la función denominada entropía que sirve para medir el grado de desorden dentro de un proceso y permite distinguir la energía útil, que es la que se convierte en su totalidad en trabajo, de la inútil, que se pierde en el medio ambiente.

La palabra entropía fue utilizada por Clausius en 1850 para calificar el grado de desorden de un sistema. Por tanto la segunda ley de la termodinámica está diciendo que los sistemas aislados tienden al desorden, a la entropía.

Según esta definición, en termodinámica hay que distinguir entre energía disponible o libre, que puede ser transformada en trabajo y energía no disponible o limitada, que no puede ser transformada en él.

Para comprender concepualmente lo dicho, analicemos el ejemplo de un reloj de arena, que es un sistema cerrado en el que no entra ni sale arena.La arena de la cavidad superior (la menor entropía) es capaz de hacer un trabajo mientras cae, como el agua en la parte superior de una catarata. La arena en la cavidad inferior (alta entropía) ha agotado su capacidad de realizar un trabajo. El reloj de arena no puede darse la vuelta: la energía gastada no puede reciclarse, a menos que se emplee más energía en ese reciclaje

TQS

Estado macroscópico Estado microscópico

Presión, temperatura, volumen.

Posición, velocidad de las partículas.

“Para cualquier sistema, el estado macroscópico más probable es el que tiene el mayor número de estados microscópicos correspondientes, y es también el estado macroscópico con el mayor desorden y la mayor entropía.”

Donde k es la constante de Boltzmann y w el número de posibles estados microscópicos.

1

212 ln

ln

wwkSSS

wkS