•Arriaga Sánchez Gustavo.

•Hernández Velázquez Karla María

•Merino Aguilar Héctor Baruc.

•Polanco Martínez Raymundo.

•Solares Becerril Fernando

•Roa Blancas Alejandro.

INTRODUCCIÓN A LA SEGUNDA LEY

Existen varios enunciados válidos de la segunda ley de la termodinámica, dos de ellos se presentan y analizan posteriormente , en relación con algunos dispositivos de ingeniería que operan en ciclos.

Sin embargo, el uso de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene calidad así como cantidad. La primera ley se relaciona con la cantidad de energía y las transformaciones de energía de una forma a otra sin considerar su calidad.

Conservar la calidad de la energía es una cuestión importante para los ingenieros, y la segunda ley provee los medios necesarios para determinarla, así como el grado de degradación que sufre la energía durante un proceso.

Mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en trabajo, por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma cantidad de energía a una temperatura menor.

La segunda ley de la termodinámica se usa también para determinar los límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como máquinas térmicas y refrigeradores, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas.

DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICAEn el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente

tener un hipotético cuerpo que posea una capacidad de energía térmica

relativamente grande (masa calor específico) que pueda suministrar o

absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de

temperatura.

Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica, o sólo depósito. En la

práctica, los grandes cuerpos de agua, como océanos, lagos y ríos, así

como el aire atmosférico se pueden modelar de manera precisa como

depósitos de energía térmica debido a sus grandes

capacidades de almacenaje de energía o masas térmicas.

La atmósfera, por ejemplo, no se calienta

como resultado de las pérdidas de calor

ocurridas en invierno desde edificios

residenciales.

También es posible modelar un sistema de dos fases

como un depósito, ya que puede absorber y liberar

grandes cantidades de calor mientras permanece a

temperatura constante.

Los depósitos de energía térmica suelen

denominarse depósitos de calor porque proveen o

absorben energía en forma de calor.

Un depósito que suministra

energía en la forma de calor se

llama fuente, y otro que absorbe

energía en la forma de calor se

llama sumidero

(Fig. 6-7).

MÁQUINAS TÉRMICAS

Como se señaló antes, el trabajo se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, pero convertir éstas en trabajo no es fácil.

Se sabe por experiencia que cualquier intento por revertir este proceso fallará, es decir, transferir calor al agua no causa que la flecha gire. De ésta y otras observaciones se concluye que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir el calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman máquinas térmicas.

El trabajo mecánico que realiza

la flecha mostrada en la figura

6-8, por ejemplo, se convierte

primero en la energía interna

del agua, energía que puede

entonces salir del agua como

calor.

Las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas a

todas mediante (Fig. 6-9):

1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de

petróleo, reactor nuclear, etcétera).

2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una

flecha rotatoria).

3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los

ríos, etcétera).

4. Operan en un ciclo. Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos por

lo común requieren un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras

experimenta un ciclo. Al fluido se le conoce como fluido de trabajo.

El dispositivo productor de

trabajo que mejor se ajusta a la

definición de una máquina

térmica es la central eléctrica de

vapor, la cual es una máquina

de combustión interna, es

decir, la combustión se lleva a

cabo fuera de la máquina y la

energía liberada durante este

proceso se transfiere al vapor

como calor. El esquema de una

central eléctrica de vapor se

muestra en la figura 6-10. Éste

es un diagrama bastante

simplificado y el análisis de la

central

eléctrica de vapor real .

Las distintas cantidades

mostradas en esta figura son:

Q entrada cantidad de calor suministrada al vapor en una caldera desde una fuente de

temperatura alta (horno)

Q salida cantidad de calor rechazada del vapor en el

condensador hacia un sumidero de temperatura baja

(atmósfera, río, etcétera)

W salida cantidad de trabajo que entrega el vapor cuando se expande en una turbina

W entrada cantidad de trabajo requerida para comprimir agua

a la presión

de la caldera

Observe que las direcciones de

las interacciones de calor y

trabajo se indican

mediante los subíndices entrada y

salida. Por lo tanto, las cuatro

cantidades

descritas son positivas siempre.

EFICIENCIA TÉRMICA

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

Respecto a la máquina térmica mostrada en la figura 6-15 se demostró que incluso bajo condiciones ideales una máquina de este tipo debe rechazar algo de calor hacia un depósito

que se encuentra a baja temperatura con la finalidad de completar el ciclo.

Es decir, ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil. Esta limitación de la eficiencia térmica de las máquinas térmicas forma la base para el

enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, que se expresa como

sigue:

Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo

depósito y produzca una cantidad neta de trabajo.

Es decir, una máquina térmica debe intercambiar calor con un

sumidero de baja temperatura así como con una fuente de

temperatura alta para seguir funcionando.

-Observe que la imposibilidad de tener una máquina

térmica con 100% de eficiencia no se debe a la

fricción o a otros efectos de disipación, es una

limitación que se aplica a las máquinas térmicas

ideales y reales.

Asimismo, se demuestra que este valor

máximo depende sólo de la temperatura del depósito.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

ENUNCIADO DE CLAUSIUS

Hay dos enunciados clásicos de la segunda ley, el de

Kelvin-Planck que se relaciona con las máquinas

térmicas y analizado en la sección precedente, y el de

Clausius, relacionado con refrigeradores o bombas de

calor.

El enunciado de Clausius se expresa como sigue:

“Es imposible construir un dispositivo que opere en un

ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la

transferencia de calor de un cuerpo de menor

temperatura a otro de mayor temperatura.”

Se sabe bien que el calor, por sí solo, no se transfiere de

un medio frío a uno más caliente. El enunciado de

Clausius no significa que sea imposible construir un

dispositivo cíclico que transfiera calor de un medio frío a

otro más caliente.

De hecho, esto es precisamente lo que hace un

refrigerador doméstico común.

El enunciado establece simplemente que un refrigerador

no puede operar a menos que su compresor sea

propulsado mediante una fuente de energía

externa, como un motor eléctrico (Fig. 6-26).

De este modo, el efecto neto sobre los alrededores tiene que ver con el consumo de cierta energía en la forma de

trabajo, además de la transferencia de calor de un cuerpo más frío a otro más caliente; es decir, deja un rastro en los

alrededores.

Por lo tanto, un refrigerador doméstico concuerda por completo con el enunciado de Clausius de la segunda ley.

Ambos enunciados de la segunda ley, el de Kelvin-Planck y el de Clausius, son negativos, y un enunciado de este tipo no se

puede comprobar

Como cualquier otra ley física, la segunda ley de la

termodinámica está basada en observaciones

experimentales. A la fecha, no se ha realizado ningún

experimento que contradiga la segunda ley y esto se

debe tomar como prueba suficiente de su validez.

EQUIVALENCIA DE LOS DOS ENUNCIADOS

Los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius son

equivalentes en sus consecuencias, y se puede usar

cualquiera como expresión de la segunda ley de la

termodinámica. Cualquier

dispositivo que viole

el enunciado de

Kelvin- Planck

también viola la de

Clausius, y

viceversa. Esto se

puede demostrar

como sigue. Figura

6-27

BIBLIOGRAFÍA:

Termodinámica, Cengel, 5th, Paginas: 278 a 309