LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y LA ENTROPIA

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y LA ENTROPIA

GENERALIDADES:

-El estudio de la conversión de calor en trabajo es de extrema importancia y es la segunda ley de la termodinámica la que provee herramientas en esta área.

-La energía térmica almacenada a altas temperaturas generalmente es mas útil que la disponible a bajas temperaturas.

-La segunda ley de la termodinámica es útil en la ingeniería de las siguientes formas:

1-Provee significado en la medida de la calidad de la energía.

2-establece el criterio para el funcionamiento ideal en dispositivos térmicos.

3-Determina el cambio en la dirección del proceso.

4-establece el equilibrio final para procesos espontáneos.

EQUILIBRIO:

1-Un sistema está en equilibrio si no puede ocurrir un cambio de estado finito a menos que el sistema esté sujeto a interacciones con su medio ambiente.

2-Un cambio finito en el estado de equilibrio de un sistema requiere de un cambio permanente y finito en el estado de su medio ambiente.

POSTULADO DE LA SEGUNDA LEY

Cualquier sistema teniendo ciertas interacciones conocidas y teniendo un límete máximo en volumen puede alcanzar un estado estable de equilibrio o desde cualquier estado inicial siempre que se provoque un efecto neto en el medio ambiente.

MAQUINA DE CALOR

Es una máquina  que opera con un sistema cerrado cíclico produciendo contínuamente trabajo intercambiado calor a través de sus fronteras.

[pic 1]

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Reservorio de alta temp.                                                        Reservorio de baja temp.

O Fuente de alta temp.                Qa                        Qb                O sumidero de calor[pic 4]

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[pic 6]

                                                W

La máquina térmica posee dentro un arreglo de aparatos que en algunos casos se asemeja al mostrado en la figura del problema 9 de la guía 6.

Esto funciona de la siguiente manera. Se tiene una fuente de calor de alta temperatura Ta, ese calor es recibido por la máquina térmica cíclica la cual procesa ese calor convirtiendo parte en trabajo y parte que desecha por no poder procesar toda esa energía. El calor que no utiliza es enviado a un reservorio de baja temperatura Tb que usualmente es el medio ambiente. Si ahora dibujamos una frontera sobre la máquina térmica cíclica….

[pic 7][pic 8][pic 9][pic 10]

[pic 11][pic 12]

Reservorio de alta temp.                                                        Reservorio de baja temp.

O Fuente de alta temp.                Qa                          Qb                O sumidero de calor[pic 13]

[pic 14]

[pic 15]

[pic 16]

                                                W

Podemos demostrar que     Q  + W  =  ΔU

                        Qa – Qb – W = 0

                        Qa = Qb + W

Esto demuestra que no toda la energía que se suministra a la máquina puede convertirse en trabajo. Si retomamos el concepto de eficiencia tenemos:

                                        η = W / Qa = (Qa – Qb) / Qa  =  1  -  Qb / Qa

EL POSTULADO DE LA SEGUNDA LEY DE KELVIN-PLANCK

Es imposible construir una máquina de calor, o máquina térmica, cuyo único efecto sea el de intercambiar calor con un reservorio de alta temperatura y la producción de trabajo.

Una máquina que siga este proceso es llamada PMM2 (máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo)

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

Proceso reversible (o ideal) es aquel en el que los procesos del sistema y del medio ambiente con el que se interactúa pueden regresar a su estado inicial en cualquier instante.

El caso contrario es para el proceso irreversible (o real) en el cual los procesos no pueden regresar a su estado inicial.

LAS IRREVERSIBILIDADES PUEDEN SER

1. Resistencia eléctrica.

2. Deformación no elástica.

3. Viscosidad de un fluido.

4. Fricción de sólido a sólido.

5. Transferencia de calor a través de un dT finito.

6. Efecto de histéresis.

7. Ondas de choque.

8. Amortiguamiento interno de sistemas vibratorios.

9. Expansión de un fluido no restringido.

10. Estrangulamientos.

11. Reacciones químicas espontáneas.

12. Mezcla de gases o líquidos no similares.

13. osmosis. Etc.

EL PRINCIPIO DE CARNOT

1.La eficiencia térmica de una máquina de calor irreversible es siempre menor que la de una reversible operando entre los mismos reservorios.

2. La eficiencia térmica de dos máquinas de calor completamente reversibles es siempre igual cuando operan entre los mismos reservorios.

LA EFICIENCIA DE CARNOT

η th = 1- Qb/Qa  si Qb/Qa = f(Ta, Tb)

η th  = 1 – Tb/Ta

las temperaturas  Ta y Tb debe de estar escritas en término absoluto °R o bien °K.

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