La Segunda Ley de La Termodinamica y Sus Aplicaciones

8/16/2019 La Segunda Ley de La Termodinamica y Sus Aplicaciones

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RAHAN HERIBERTO LARA EHUAN

LaSegundaey de la

Termodinámica y susaplicacionesermodinámica


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Índiceintroducción 2

Mauinas !"rmicas y re#rigeradores $%&

Ecuaciones de Segunda Ley '%()rocesos re*ersi+les e irre*ersi+les ,

-iclo de -arno! ./%.0

En!rop1a .$%.2

E3erg1a .&

Tra+a4o re*ersi+le .'

Balance de E3erg1a en sis!emas a+ier!os .5

Balance de E3erg1a en sis!emas cerrados .(

.


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Maquina térmicas y refrigeradores

Una máquina t!rmica es un dispositivo que convierte energía t!rmica en otrasformas útiles de energía, como la energía el!ctrica y mecánica. $ace que unasustancia de traba%o recorra un proceso cíclico durante el cual&

'( Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.

• La máquina realiza un traba%o• Libera calor a una fuente a temperatura más ba%a.

)n un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia,el carbn o algún otro tipo de combustible se quema y el calor generado se utilizapara producir vapor de agua. )l vapor se quema y el calor generado se utiliza paraproducir vapor de agua. )l vapor se dirige *acia las aspas de una turbina,poni!ndola a girar. Por último, la energía mecánica asociada a dic*a rotacin seusa para mover un generador el!ctrico. )l motor de combustin interna en un

automvil e+trae calor del combustible en combustin y convierte una fraccin deesta energía mecánica.

Una máquina t!rmica transporta alguna sustancia de traba%o a trav!s de unproceso cíclico, definido como aquel en el que la sustancia regresa a su estadoinicial.

)l traba%o neto realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye *acia lamisma.

)n la figura se observa -neto -*/-c 0 por lo tanto&

-*/-c1onde -* y -c se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de traba%o esun gas, el traba%o neto realizado en un proceso cíclico es el área encerrada por lacurva que representa a tal proceso en un diagrama P2.

La eficiencia t!rmica, e, de una máquina t!rmica se define como la razn deltraba%o neto realizado al calor absorbido durante un ciclo&

e=W = Qh-Qc=1-Qc

)ste resultado muestra que una máquina t!rmica tiene una eficiencia de '334

5e'( slo si -c3, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. )n otras palabras,una máquina t!rmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energíacalorífica absorbida -* en traba%o mecánico. La segunda ley de la termodinámicaestablece que esto es imposible.

Un refrigerador 5o bomba de calor( es una máquina t!rmica que opera en sentidoinverso 56igura 7(, en la cual la máquina absorbe el calor -c de la fuente fría ylibera calor -* a la fuente caliente. )sto slo puede ser posible si se *ace un

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traba%o sobre el refrigerador. Por lo tanto, se ve que el refrigerador transfiere calor del cuerpo más frío 5el contenido del refrigerador( a un cuerpo más caliente 5elcuarto(.

)s un diagrama esquemático de una imposible máquina t!rmica 8perfecta9.

)l calor no puede fluir espontáneamente de un ob%eto frío *acia uno caliente. )lcalor, solo fluirá del más frío *acia el más caliente slo si *ace traba%o sobre elsistema.

PROC!O! R"R!I#$! IRR"R!I#$!%

)l calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más caliente *acia uno más fríocuando se ponen en contacto, pero el proceso inverso slo se puede lograr pormedio de una influencia e+terna. "uando un bloque se desliza sobre una

superficie áspera, finalmente se detendrá. 1ic*os procesos unidireccionales sellaman procesos irreversibles. Un P:;")S; es


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que cada estado difiera de modo infinitesimal del equilibrio, se puede considerarreversible.

"omo un proceso reversible se define por una sucesin de estado de equilibrio se

puede representar por una curva en un diagrama de P2, en la cual se establece latrayectoria del proceso. "ada punto sobre la curva representa uno de los estadosde equilibrios intermedios. Por otro lado, un proceso irreversible es aquel que pasade un estado inicial a uno final a trav!s de una serie de estados de no/equilibrio.)n este caso, slo el estado inicial y la final se pueden representar en un diagramade P2.

Los estados intermedios, de no equilibrio pueden tener volúmenes bien definidos,pero estos estados no están caracterizados por una presin única para todo elsistema. )n lugar de ello, e+isten variaciones en la presin 5y temperatura( atrav!s del rango de volumen y estas variaciones no persistirán si se de%an enlibertad 5es decir, condiciones de no equilibrio(. Por esta razn, no es posiblerepresentar con una línea un proceso irreversible en un diagrama de P2.

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nunciados de &a segunda &ey

>anto la ley cero de la termodinámica como la primera ley de la termodinámica sonmuy generales y, aunque absolutamente ciertas y e+actas, no e+plican muc*as

realidades que se observan siempre. >ales realidades, están contenidas enla segunda ley de la termodinámica.

1ireccin en la que fluye el calor

1e la segunda ley se deriva que, en un proceso natural, el calor se transfieresiempre de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura ynunca al contrario. Si quisi!ramos realizar lo contrario sería mediante un procesoartificial, con la intervencin de un traba%o.

P!rdidas de energía

)n la primera ley, no eran tomadas en cuenta las p!rdidas de energía que tienenlugar en los procesos termodinámicos. >al p!rdida es el resultado de la ley cero dela termodinámica y de los tres tipos de transferencia de calor que e+isten5conduccin, conveccin o radiacin(. Primeramente, sean dos o más cuerpos adiferentes temperatura, puestos en contacto o a cierta distancia, pasado ciertotiempo, alcanzan el equilibrio t!rmico, ya sea por conduccin, conveccin oradiacin.

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Supongamos un solo cuerpo que sea sometido a una determinada temperatura. ?linicio una parte se calienta primero 5la que está sometida inicialmente a mayor temperatura(, con el tiempo, el cuerpo entero alcanza el equilibrio t!rmico, por conduccin en su interior. )sto *ace que como el cuerpo tiene contacto con sumedio ambiente, durante el tiempo de conduccin, tienen lugar transferencia de

calor por radiacin y conveccin del cuerpo en cuestin, *acia el medio que lorodea.

Si este cuerpo es una maquina t!rmica, realizará traba%o para el queestá dise#ado, la p!rdida de energía es el calor que se escap, cedi!ndoselo a sumedio ambiente durante la conveccin y radiacin e+puestas anteriormente.

Las perdidas de energía tambi!n se deben a la friccin de los materiales enmovimiento relativo

)l sistema puede moverse aumentando su volumen, realizando un traba%o sobre elmedio ambiente y recibiendo calor de este0 o recibiendo cierta cantidad de traba%ode parte del medio que lo rodea contray!ndose y cedi!ndole calor a este.

• 1epsito de alta y ba%a temperatura

)n los depsitos de alta y ba%a temperatura es considerado el medio ambiente querodea el sistema. Las p!rdidas de energía tienen lugar en el depsito de ba%atemperatura. )l sistema es el que está aislado, siendo un trozo de masa slida,gaseosa o liquida, contenida en un volumen cualquiera y rodeado por el medio,separado de este por su superficie o frontera.

)l calor que realiza traba%o útil es igual a la diferencia entre el calor total cedido al

sistema por el depsito de alta temperatura menos el calor cedido por el sistema aldepsito de ba%a temperatura.

1e esta manera& - @ q, en que - es calor total, q es calor que se pierde ocedido por el sistema *acia el depsito de ba%a temperatura, y es traba%o útil.

)sto trae como resultado de acuerdo a la segunda ley, que la eficiencia decualquier dispositivo o máquina nunca podrá alcanzar el '334, pues sería unamáquina perfecta y perpetua... algo que nunca se *a observado.

• Aáquina de calor

)n la vida práctica el sistema puede ser una máquina con un dispositivo llamadoturbina. )sta recibe calor mediante el suministro de vapor a altas temperatura deun inyector conectado a una caldera, realiza traba%o al mover el e%e de ungenerador, produce electricidad y parte del calor lo cede como aguacondensada muy caliente 5por un lado( y otra parte por conveccin y radiacin almedio e+terior, que es parte del medio ambiente y llamado tambi!n depsito deba%a temperatura.

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La caldera y el inyector serian el depsito de alta temperatura y el de ba%a seria elque recibe el calor de la máquina. ?sí en una máquina real, - es calor de alta ototal, q es calor de ba%a, y B es traba%o realizado.

Si *acemos& - UC/ U'D es la primera ley, pues la energía total no se *aperdido& se conserva. $ay que tener en cuenta que, en la frmula, - 5calor cedidoal sistema(, UC @ U' 5variacin de la energía interna( y 5traba%o realizado por lamáquina( serían para una máquina ideal.

Para la maquina real, no todo el calor recibido llega a realizar un traba%o útil, lasp!rdidas de calor que obedecen a q 5calor *acia el depsito de ba%a temperatura(es energía que no produce traba%o, y se pierde.

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Procesos re'ersi(&es e irre'ersi(&es

Los procesos reales se producen en una direccin preferente. )s así como el calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más cálido a otro más frío, pero elproceso inverso slo se puede lograr con alguna influencia e+terna. "uando unbloque desliza sobre una superficie, finalmente se detendrá. La energía mecánicadel bloque se transforma en energía interna del bloque y de la superficie.)stos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles. )n general, unproceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a suestado inicial.

Por el contrario, un proceso es reversible si su direccin puede invertirse encualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones e+ternas. Unatransformacin reversible se realiza mediante una sucesin de estados deequilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entornoal estado inicial por el mismo camino. :eversibilidad y equilibrio son, por tanto,

equivalentes.Si un proceso real se produce en forma cuasi estática, es decir lo suficientementelento como para que cada estado se desvi! en forma infinitesimal del equilibrio, sepuede considerar reversible. )n los procesos reversibles, el sistema nunca sedesplaza más que diferencialmente de su equilibrio interno o de su equilibrio consu entorno. Si una transformacin no cumple estas condiciones es irreversible.

)n la realidad, las transformaciones reversibles no e+isten, ya que no esposible eliminar por completo efectos disipativos, como la friccin, queproduzcan calor o efectos que tiendan a perturbar el equilibrio, como la

conduccin de calor por diferencias de temperatura. Por lo tanto no debesorprender que los procesos en la naturaleza sean irreversibles. )l concepto deproceso reversible es de especial importancia para establecer el límite terico dela eficiencia de las máquinas t!rmicas.

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Cic&o de Carnot

)l ciclo de "arnot consta de cuatro etapas& dos procesos isotermos5a temperatura constante( y dos adiabáticos 5aislados t!rmicamente(. Lasaplicaciones del Primer principio de la termodinámica están escritos acorde conel "riterio de signos termodinámico.

)+pansin isoterma& 5proceso ' E C en el diagrama( Se parte de una situacin enque el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura >' de lafuente caliente. )n este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente detemperatura >', *aciendo que el gas se e+panda. ?l e+pandirse, el gas tiende aenfriarse, pero absorbe calor de >' y mantiene su temperatura constante. ?ltratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo *ace su energíainterna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cin!tica, a partir de la 'F ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertidoen traba%o&

1esde el punto de vista de la entropía, !sta aumenta en este proceso& por definicin, una variacin de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible&

.

"omo el proceso es efectivamente reversible, la entropía aumentará

.)+pansin adiabática& 5C E 7( La e+pansin isoterma termina enun punto tal que el resto de la e+pansin pueda realizarse sin intercambio de calor.

? partir de aquí el sistema se aísla t!rmicamente, con lo que no *ay transferenciade calor con el e+terior. )sta e+pansin adiabática *ace que el gas se enfríe *astaalcanzar e+actamente la temperatura >C en el momento en que el gas alcanza suvolumen má+imo. ?l enfriarse disminuye su energía interna, con lo que utilizandoun razonamiento análogo al anterior proceso&

)sta vez, al no *aber transferencia de calor, la entropía se mantieneconstante& .

..


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"ompresin isoterma& 57 E G( Se pone en contacto con el sistema la fuente decalor de temperatura >C y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta sutemperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. ?l no cambiar latemperatura tampoco lo *ace la energía interna, y la cesin de calor implica que*ay que *acer un traba%o sobre el sistema&

?l ser el calor negativo, la entropía disminuye&

"ompresin adiabática& 5G E '( ?islado t!rmicamente, el sistema evolucionacomprimi!ndose y aumentando su temperatura *asta el estado inicial. La energíainterna aumenta y el calor es nulo, *abiendo que comunicar un traba%o al sistema&

?l ser un proceso adiabático, no *ay transferencia de calor, por lo tanto la entropíano varía&

'. Ho puede e+istir una máquina t!rmica que funcionando entre dos fuentest!rmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de "arnot que funcione entreesas mismas fuentes t!rmicas.

Para demostrarlo supondremos que no se cumple el teorema, y se verá que el no

cumplimiento transgrede el segundo principio de la termodinámica. >enemos pues

dos máquinas, una llamada I y otra, de "arnot, :, operando entre las mismas

fuentes t!rmicas y absorbiendo el mismo calor de la caliente. "omo suponemosque , y por definicin.

, donde y

denotan el traba%o producido y el calor cedido a la fuente fría respectivamente, y

los subíndices la máquina a la que se refieren.

"omo : es reversible, se le puede *acer funcionar como máquina frigorífica. "on

, la máquina I puede suministrar a : el traba%o que necesita para

funcionar como máquina frigorífica, y I producirá un traba%o neto . ?lfuncionar en sentido inverso, : está absorbiendo calor de la fuente fría y está

cediendo calor a la caliente.

)l sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando un

traba%o e intercambiando un calor con una única fuente

t!rmica, lo cual va en contra del segundo principio de la termodinámica. Por lo

tanto&

.0


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C. 1os máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes t!rmicas tienen elmismo rendimiento.


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ntro)*a

)n termodinámica, la entropía 5simbolizada como S( es una magnitud física quepara un sistema termodinámico en equilibrio mide el número de microestados compatibles con el macro estado de equilibrio, tambi!n se puede decir que mide el grado de organizacin del sistema, o que es la razn incrementalentre un incremento de energía interna frente a un incremento de temperatura delsistema.

La entropía es una funcin de estado de carácter e+tensivo y su valor, enun sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d! de formanatural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. Lapalabra entropía procede del griego 5 JKMNO( y significa evolucin o7transformacin. 6ue :udolf "lausius quien le dio nombre y la desarroll durante lad!cada de 'QR30 y LudBig =oltzmann, quien encontr en 'Q la manera dee+presar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la

probabilidad.)sta idea de desorden termodinámico fue plasmada mediante una funcin ideadapor :udolf "lausius a partir de un proceso cíclico reversible. )n todoproceso reversible la integral curvilínea de&

Slo depende de los estados inicial y final, con independencia del camino seguido5T- es la cantidad de calor absorbida en el proceso en cuestin y > esla temperatura absoluta(. Por tanto, *a de e+istir una funcin del estado del

sistema, Sf5P,2,>(, denominada entropía, cuya variacin en un proceso reversibleentre los estados ' y C es&

.

>!ngase en cuenta que, como el calor no es una funcin de estado, se usa T-, en

lugar de d-. La entropía física, en su forma clásica, está definida por la ecuacin

siguiente&

;, más simplemente, cuando no se produce variacin de temperatura 5procesoisot!rmico(&

.2


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1onde S es la entropía, la cantidad de calor intercambiado entre el sistemay el entorno y > la temperatura absoluta en elvin.

Unidades& SVcalWXY

Los números ' y C se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema

termodinámico.

"uando un sistema termodinámico pasa, en un proceso reversible e isot!rmico,del estado ' al estado C, el cambio en su entropía es igual a la cantidadde calor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.

1e acuerdo con la ecuacin, si el calor se transfiere al sistema, tambi!n lo *ará laentropía, en la misma direccin. "uando la temperatura es más alta, el flu%o decalor que entra produce un aumento de entropía menor. Z viceversa.

Las unidades de la entropía, en el Sistema


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+erg*a

La +erg*a es una propiedad termodinámica que permite determinar el potencial

de traba%o útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por

la interaccin espontánea entre un sistema y su entorno.


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ra(a.o re'ersi(&e

)l traba%o reversible se define como la cantidad má+ima de traba%o útil que puedeobtenerse cuando un sistema e+perimenta un proceso entre los estados inicial yfinal. ]sta es la salida 5o entrada( de traba%o útil que se obtiene cuando el procesoentre los estados inicial y final se e%ecuta de manera reversible.

>raba%o irreversible&

)ste se aplica en aquellos procesos que, como la entropía, no son reversibles enel tiempo. 1esde esta perspectiva termodinámica, todos los procesos naturalesson irreversibles. )l fenmeno de la irreversibilidad resulta del *ec*o de que si unsistema termodinámico de mol!culas interactivas es trasladado de un estadotermodinámico a otro, ello dará como resultado que la configuracin o distribucinde átomos y mol!culas en el seno de dic*o sistema variará.

.5


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#a&ance de +erg*a en sistemas a(iertos

? mayor parte de los procesos industriales tienen lugar en sistemas abiertos."uando se lleva a cabo un proceso semicontinuo o continuo se denomina unsistema abierto. )n un sistema abierto es posible la transferencia de masa y deenergía a trav!s de sus límites0 la masa contenida en !l no es necesariamenteconstante. Una pared tambi!n puede ser semipermeable, si permite el paso slode algunas sustancias.

)n los procesos t!cnicos se toma una serie de ^u%os continuos de masa que sonsometidos a interaccin entre sí y con su entorno. )stas interacciones producentransformaciones de tipo físico y químico dando lugar a intercambios energ!ticosde tipo mecánico o t!rmico con el e+terior del sistema y a la obtencin de nuevascorrientes continuas de masa como producto del proceso. )stos procesos detransformacin e intercambio energ!tico, tienen lugar, por tanto en sistemastermo/dinámicos abiertos.

>raba%o de flu%o y de flec*a& La velocidad neta de traba%o realizado por un sistema

abierto sobre sus alrededores se e+presa como& sDfl1onde

s traba%o de flec*a o velocidad de traba%o realizada por el fluido del procesosobre alguna parte mvil dentro del sistema

fl>raba%o de flu%o o traba%o realizado por el fluido en la salida del sistema menosla velocidad de traba%o realizada sobre el fluido en la entrada del sistema

Para comenzar e+plicaremos la e+presin traba%o de flu%o. ? una unidad deproceso ingresa y sale un volumen de un fluido a una presin. )l fluido que entraal sistema e+perimenta traba%o realizado sobre !l por el fluido que se encuentra

%usto detrás por lo tanto0

entradaPentrada_2entrada

Aientras que el fluido de salida realiza el traba%o sobre el flu%o anterior de talmanera que

salidaPsalida_2salida

.(


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#a&ance de +erg*a de sistemas cerrados

La )+ergía es una propiedad termodinámica que permite determinar el potencialde traba%o útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por la interaccin espontánea entre un sistema y su entorno. 3`, donde ` representa lageneracin de entropía, que por el segundo principio, no puede ser negativa.

.,


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Conc&usión

Si te referís a la vida del *ombre, las leyes de termodinámica le abrieron la puertaa la posibilidad de entender de forma sencilla cmo traba%a el universo. ?sí es quegracias a la termodinámica podemos aprender a crear máquinas, *acerlas muc*omás eficientes y así cuidar el entorno, los recursos y me%orar la tecnología. Z no*ablamos de máquinas demasiado comple%as. $ablamos de los milagrostecnolgicos, pero tambi!n del calefn de tu casa, de tu auto, de todas lasmáquinas.Ho *ay utilidad para las leyes de termodinámica para otra cosa que no sea el*ombre, ya que solamente !ste es capaz de entender las teorías. Si te referís a latermodinámica desde el punto de vista de lo natural, lo natural no necesitacomprender cmo funciona el mundo porque ya se encuentra en equilibrio.

?l *ombre en cambio le sirve para entender cmo mane%ar las energías, evitar quese pierdan recursos, obtener me%ores resultados y buscar las me%ores maneras de

solucionar los problemas de la vida a trav!s de la mecánica, complementada contermodinámica.

0/


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#i(&iograf*a

htt)/00hy)er)hysics%)hy-astr%gsu%edu0h(asees0thermo0sec&a%htm&

htt)/00%(atanga%com0curiosidades023450&a-segunda-&ey-de-&a-

termodinamica

htt)/00termodinamica-6511%(&ogs)ot%m+0

0.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.htmlhttp://www.batanga.com/curiosidades/4390/la-segunda-ley-de-la-termodinamicahttp://www.batanga.com/curiosidades/4390/la-segunda-ley-de-la-termodinamicahttp://termodinamica-2011.blogspot.mx/http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.htmlhttp://www.batanga.com/curiosidades/4390/la-segunda-ley-de-la-termodinamicahttp://www.batanga.com/curiosidades/4390/la-segunda-ley-de-la-termodinamicahttp://termodinamica-2011.blogspot.mx/

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