2da ley de la termodinamica

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE QUERETARO

-FACULTAD DE INGENIERIA-

-La 2° Ley de la Termodinámica-

Unidad 5

Osbaldo Israel Hernández Olvera

04/11/2011

Este es un trabajo sobre la segunda ley de la termodinámica, en él se desarrollaran los temas de la unidad 5 del programa; asimismo se darán algunos ejemplos (problemas) de la aplicación de esta ley en nuestro entorno.

Índice:

Objetivo ..……………………………………………………………………………………………………………………………………….2

Introducción ..………………………………………………………………………………………………………………………………..2

El postulado de Clausius, de Kelvin y de Planck ……………………………………………………………………………..3

El proceso reversible. Causas de Irreversibilidad……………………………………………………………………………9

El teorema de Carnot. La escala de temperaturas absolutas…………………………………………………………11

La desigualdad de Clausius como consecuencia de la segunda ley de la termodinámica………………13

Entropía ……………………………………………………………………………………………………………………………………….15

Diagrama de Fase ………………………………………………………………………………………………………………………..20

Generación de Entropía. Balance de Entropía ……………………………………………………………………………..22

Eficiencia Isentrópica de Equipos …………………………………………………………………………………………………23

El Trabajo Útil: Las Funciones de Helmoholtz y de Gibbs ………………………………………………………….….27

Problemas propuestos ………………………………………………………………………………………………………………...27

Conclusión …………………………………………………………………………………………………………………………………..35

Bibliografía ………………………………………………………………………………………………………………………………….35

Objetivo:

El objetivo de esta presentación es dar a conocer la 2da ley de la termodinámica para fines del curso; asimismo dar una amplia explicación de los temas que dicha unidad conlleva, en general se pretende que el alumno pueda identificar y trabajar con problemas que requieren de conocimientos de la 2da ley de la termodinámica.

Introducción:

La segunda ley de la termodinámica es uno de los axiomas más importantes que se conocen, e impone severas restricciones a la primera ley de la termodinámica. Como se explicó anteriormente la primera ley establece la conservación de la energía en todos los procesos. Sin embargo, la intuición indica que unas formas de energía son más valiosas que otras. Por otro lado, la primera ley es también incapaz de predecirla dirección o extensión de un proceso dado. Es precisamente la segunda ley la que puede resolver estas incógnitas.

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma. La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el calor. De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la práctica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.

3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

Por vía de ilustración, considere una planta de generación de vapor, en la que cierta cantidad de calor se suministra a la caldera mientras la turbina realiza trabajo. Al mismo tiempo, otra cantidad de calor se disipa en el condensador, para transformar en condensado el vapor húmedo que descarga la turbina, está perdida de calor en el condensador no es justificable aparentemente pues si se eliminara el condensador, se podría obtener, tal vez un ahorro sustancial en la energía suministrada a la caldera. Un balance de energía de acuerdo a la primera ley de la termodinámica, indica que la potencia desarrollada por la turbina seria idénticamente igual al flujo de calor añadido en la caldera y la eficiencia térmica de 100%. Todos los intentos realizados en esta dirección han realizado son inútiles.

Considere ahora el siguiente ejemplo; se desea comprimir aire adiabáticamente desde una presión de 1 bar a una temperatura de 20°C, hasta una presión de 10 bar y una temperatura de 40°C. ¿Es posible realizar esta proceso usando solamente un compresor? La primera ley de la termodinámica es incapaz de resolver esta incógnita, y más aún, un mero balance de energía podría predecir de una manera incorrecta la potencia necesaria para realizar el supuesto proceso.

Finalmente, considere la reacción de un mol de H2 y medio mol de O2. Si los productos de combustión se analizan a 3000° K se encuentra que estos contienen H2 O, H2, y O2. Ahora bien mediante un análisis termodinámico; ¿Cuál es la proporción de los componentes?, ¿Cuál era la temperatura inicial de los reactivos si la combustión fue isobárica y adiabática? Esas respuestas las suministra la segunda ley de la termodinámica.

Estos sencillos ejemplos muestran la aplicación amplia de este axioma prácticamente en todas las facetas dela ciencia.

La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diferentes formas equivalentes, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desde el punto de vista de la ingeniería, tal vez la más importante es en relación con la eficiencia limitada de las máquinas térmicas. Expresada en forma simple, la segunda ley afirma que no es posible construir una máquina capaz de convertir por completo, de manera continua, la energía térmica en otras formas de energía.

• La segunda ley de la Termodinámica:

Es un axioma que indica que todo proceso es “Degenerativo”, esto es que si el resultado del proceso es una degradación de la energía, en cuanto a su capacidad de trabajo, el proceso ocurrirá.

Así, por ejemplo el trabajo puede convertirse fácilmente en calor, pero la experiencia indica que este último no puede convertirse total y continuamente en trabajo. Es decir, que el trabajo es una forma más valiosa de energía que el calor.

El postulado de Clausius (Para refrigeradores) y de Kelvin y de Planck (Para maquinas térmicas):

Máquina térmica:

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual:

1) Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura

2) La máquina realiza un trabajo

3) Libera calor a una fuente a temperatura más baja.

Por ejemplo, en un motor de gasolina:

1) El combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura

2) Se realiza trabajo mecánico sobre el pistón

3) La energía de desecho sale por el tubo de escape.

O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible

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