Segunda Ley de La Termodinamica (2)

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La primera ley de la termodinámica no aclara la dirección del fujo del calor y del trabajo en el proceso de transormación. ∗ La segunda ley de la termodinámica se undamenta en los siguientes objetivos:  Estudiar la dirección natural del fujo de calor, de las temperaturas altas hacia las temperaturas bajas.  Aprovechamiento de este fujo de calor para convertirlo en trabajo, admitiendo la degradación de la energa !calor" en el proceso. La degradación se mani#esta por la disminución de la capacidad de reali$ar trabajo, debido a las irreversibilidades e%istentes en el proceso termodinámico. 

La ta$a se enra por si sola, pero no puede calentarse de un momento a otro &&

La primera ley de la termodinámica no aclara la dirección del fujo del calor y del trabajo en el proceso de transormación. ∗ La segunda ley de la termodinámica se undamenta en los siguientes objetivos:  Estudiar la dirección natural del fujo de calor, de las temperaturas altas hacia las temperaturas bajas.  Aprovechamiento de este fujo de calor para convertirlo en trabajo, admitiendo la degradación de la energa !calor" en el proceso. La degradación se mani#esta por la disminución de la capacidad de reali$ar trabajo, debido a las irreversibilidades e%istentes en el proceso termodinámico. 

La ta$a se enra por si sola, pero no puede calentarse de un momento a otro &&

∗

∗

Enunciado de Kelvin – Planck .' .' (Es imposible construir una má)uina t*rmica )ue, operando continuamente !en un ciclo" transorme ntegramente el calor )ue recibe de una uente t*rmica a temperatura uniorme !constante" en trabajo. Ejm: +entral *rmica a -apor

∗

Axioa de Rudol! Clau"iu".' (Es imposible )ue el calor pase por si solo s olo desde una región de menor temperatura !sumidero" !sumidero" hacia otra de mayor temperatura !uente". Este a%ioma es llamado tambi*n Axioa de #lu$o.

CONCEPTOS #UNDAMENTALES  #oco

o de%&"i'o '()ico.' Es un depósito de gran

cantidad de masa )ue puede transmitir o, al )ue se puede transmitir calor sin )ue vare su temperatura por ejemplo: la atmósera/ los mares/ el caldero/ cámara rerigerante, )ue se consideran seg0n sus niveles de unción.  #uen'e .' Es un oco )ue transmite calor con la naturalidad sin la ayuda e%terna.  Suide)o.' Es un oco )ue recibe o absorbe calor, sin la ayuda e%terna. anto la uente como el sumidero mantienen constantes sus temperaturas durante el proceso.



Ma*uina T()ica.' Es un sistema termodinámico dise4ado con la #nalidad de transormar calor en trabajo siguiendo un determinando ciclo termodinámico. Este dispositivo es capa$ de absorber calor de un oco caliente y luego ceder una parte de este calor a un oco ro de tal manera )ue realice un 1uente trabajo. 3á)uina t*rmica 2umidero

W n

=

Q A

−

Q B

∗

E+ciencia de la M,*uina T()ica .'Es una medida de )ue tan e#cientemente una má)uina t*rmica convierte el calor )ue recibe en trabajo. La e#ciencia de una má)uina t*rmica está de#nida por la relación:

η  =

∗

Q A − Q B Q A

= 1−

Q B Q A

+omo la e#ciencia de una má)uina t*rmica debe ser siempre menor )ue la unidad o menor )ue 5667

9;+E2; E-E2 reali$ado por cada má)uina. c" El calor recha$ado al cuerpo rio.

Ciclo Ca)no' Inve)'ido :RE#RIGERADOR CARNOT;   RESER-ORIO CALIENTE TC

8c 9n 8! 

∗

∗

  E2E-;'?": e%pansión isot*rmica reversible ! " !?'@": compresión adiabática reversible !@'5": compresión isot*rmica reversible !c" E$e%lo/  Kn sistema +arnot de ciclo inverso e%trae @6 666 H de un deposito (rio. La temperatura de este 0ltimo es de >B6 M, y la de un depósito (caliente )ue interviene tambi*n en el sistema es de ?>6 M. 8etermina la potencia re)uerida para la operación del sistema rigor#co. Soluci&n/

Ahora:

.OM.AS DE CALOR ;tro dispositivo )ue trans#ere calor desde un medio de baja ∗ temperatura a otro de alta es la BD M  ∗ F G 5? 666 JOTh G ?C, JH c

f 

c

∗

 Entonces la entrada de potencia re)uerida para esta bomba de calor reversible es: G ?,?> MU

∗ P)o%ue"'o"/ 5. 2e necesita un rerigerador )ue opere con el ciclo +arnot para transmitir >66 JOTs de una uente de calor de '?6+ a la atmosera a >5 +. 8etermina la potencia del rerigerador. >. 2i la e#ciencia t*rmica de una má)uina de +arnot es igual a 5T / calcula el uncionamiento de esta má)uina al operar como rerigerador. ?. 9ara calentar un edi#cio durante el invierno se emplea una bomba t*rmica de +arnot. El aire e%terior se encuentra a 56+ y se desea mantener el interior del edi#cio a >+. 3ediante un análisis previo de transerencia de calor se estima )ue las p*rdidas de calor del edi#cio hacia el e%terior son apro%imadamente 6 666 JcalTh. a" 8etermina el fujo de calor absorbido por la bomba b" 8etermina la potencia re)uerida para lograr el calentamiento

ENTROPIA ∗

La entropa puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular 6

S↑ Sólido

S↑ Líquido

as

∗

DESIGUALDAD DE CLAUSIUS6  rata sobre la degradación de la energa en todo proceso en t*rminos arti#ciales o naturales del universo, esta se enuncia de la siguiente manera: (La integral cclica de la relación ó es siempre menor )ue cero para ciclos irreversibles !reales" y es igual a cero para ciclos reversibles !ideales". V !9ara ciclos irreversibles" G !9ara ciclos reversibles" ambi*n:

donde

ó son dierenciales e%actas de una cierta unción )ue se representa con S y llamada por +lausius, ENTROPIA

Entropa !2"

•

!unción de estado • Pro"iedad e#tensiva • $nidades: % ×& '1

∗

La variación de la entropa de un estado 5 a un estado > a lo largo de una transormación reversible vale:

Q1− 2

=

mT ( s 2

−

s1 )

∗

La entropa espec#ca es :

∗

DIAGRAMA TEMPERATURA -S ENTROPIA

en

 

 c   

5

@

2>

>

?

25

El área bajo el diagrama '2 representa la transerencia 8e calor durante cual)uier proceso reversible 2

CALCULO DEL CAM.IO DE ENTROP=A EN EL CASO DE GASES IDEALES

∗

Nay > ecuaciones )ue describen el cambio de entropa correspondiente a un gas ideal en un sistema cerrado.

5. >. ∗

La ecuación )ue debe emplearse particularmente será la )ue simpli#)ue más la solución del problema

CALENTAMIENTO DE UN GAS A -OLUMEN CONSTANTE ∗

CALENTAMIENTO DE UN GAS A PRESI>N CONSTANTE

PROCESOS ISOTERMICOS

PROCESO ADIA.?TICO RE-ERSI.LE ∗ ∗

8urante un proceso adiabático como el calor no se suministra ni se recha$a.

, entonces : ∗ Esto muestra )ue no hay cambio en entropa y por lo tanto se conoce como un proceso isentrópico

PROCESO POLITR>PICO La e%presión para el Wcambio en entropaX en un proceso politrópico  es: por Jg de gas.

∗

E$e%lo":

5. 2e calienta una masa de ? Jg de aire desde >CP+ a >CP+/ si la presión varia de 566 Mpa a 66 Mpa. 8etermina el cambio de entropa. >. Kna masa de > Mg. de un cierto gas se enra de 66P+ a >66P+ a presión constante en un cambiador de calor. 8etermine el cambio de entropa en al caso de a" aire. b" 8ió%ido de carbono. c" Nelio. ?. 2e produce la compresión isoentrópica de un gas. +alcule la relación de temperaturas )ue permite esto si la relación de presiones vale B y el gas es: a" Nelio/ b" Aire/ c" 9ropano.

+