Segunda Ley de la Termodinámica y sus características

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Introducción

En este informe, exploraremos la Segunda Ley de la Termodinámica y sus implicaciones en los sistemas termodinámicos. Comenzaremos definiendo y explicando los depósitos de energía térmica, como las fuentes de calor, los sumideros y los depósitos de calor, los cuales desempeñan un papel crucial en la transferencia y almacenamiento de energía térmica. Luego, nos adentraremos en el concepto de las máquinas térmicas, dispositivos que convierten la energía térmica en trabajo mecánico, y abordaremos el tema de la eficiencia térmica. Posteriormente, analizaremos en detalle los enunciados de la segunda ley de la termodinámica y exploraremos el coeficiente de actuación, los procesos reversibles e irreversibles, el ciclo de Carnot y su inverso, así como la escala termodinámica de temperatura. Finalmente, cerraremos con una reflexión sobre la importancia de la Segunda Ley de la Termodinámica en nuestra comprensión de los sistemas termodinámicos y su eficiencia.

1. Segunda Ley de la Termodinámica y sus Características

Establece que, en cualquier proceso termodinámico, la entropía total del universo tiende a incrementarse con el tiempo. Además, esta ley introduce la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor.

Algunas características son:

• Se expresa en varias formulaciones equivalentes.
• Esta segunda ley no dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frio a otro más caliente simplemente dice que dicho proceso nunca será espontaneo.
• Esta ley postula la irreversibilidad de los fenómenos físicos, e introduce la función de estado de entropía.
• Así como la primera ley relaciona las distintas energías que intervienen en un proceso, la segunda ley impone restricciones a su dirección y un límite superior a la eficiencia de una máquina térmica. Esto quiere decir que ninguna máquina que convierte calor en trabajo puede hacerlo con 100% de eficiencia. Así, la segunda ley es importantísima para muchas aplicaciones de la vida cotidiana y para la industria.
• Este principio también se formula clásicamente como que el cambio en la entropía (dS) será siempre igual o mayor a la transferencia de calor (Q), dividido por la temperatura (T) de la fuente que proporciona o absorbe ese calor: dS ≥ δQ / T
• Ya que esta ley determina la irreversibilidad de los fenómenos físicos, es posible comprobarla fácilmente.

1. Depósito de Energía Térmica: Fuente de Calor, Sumidero, Depósito de Calor

Un depósito de energía térmica es un cuerpo hipotético con una gran capacidad de energía térmica que puede suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin cambiar su temperatura. Algunos ejemplos son: Los grandes cuerpos de agua como océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico. Sistemas de dos fases. Hornos industriales.

 Una fuente de calor es un depósito que suministra energía en forma de calor, mientras que un sumidero es un reservorio que absorbe energía en forma de calor, por lo tanto Un depósito de calor es un cuerpo que puede absorber o desprender calor sin cambios de temperatura. La atmósfera y los océanos se comportan como depósitos de calor al absorber el calor de la Tierra.

1. Máquinas térmicas: Definición y descripción

Es un dispositivo que convierte energía térmica en trabajo mediante la variación de energía de un fluido que atraviesa la máquina. Estas máquinas funcionan como una sustancia de trabajo a través de un ciclo, extrayendo calor de una fuente y convirtiéndolo en trabajo útil. Las máquinas térmicas pueden clasificarse en motores y generadores, dependiendo de la dirección de transferencia de energía.

Las máquinas térmicas funcionan llevando una sustancia de trabajo a través de un ciclo. En una central eléctrica de vapor, la sustancia de trabajo es el agua, que comienza como líquido, se vaporiza, se utiliza para accionar una turbina y finalmente se condensa de nuevo en estado líquido. Como ocurre con todas las sustancias de trabajo en los procesos cíclicos, una vez que el agua vuelve a su estado inicial, repite la misma secuencia.

1. Eficiencia térmica: definición y explicación

La eficiencia térmica de una máquina térmica es la relación entre el trabajo realizado y el calor suministrado a la máquina en cada ciclo. Se expresa como un porcentaje y es una medida de cuán efectivamente una máquina convierte el calor en trabajo. Matemáticamente, la eficiencia (η) se define como:

𝜂=𝑊𝑄𝑖𝑛

η= Q in W

​donde es el trabajo realizado y es el calor absorbido por la máquina.

𝑊W𝑄𝑖𝑛Q in

1. Máquinas Frigoríficas: Partes Principales

Las máquinas frigoríficas son dispositivos que transfieren calor de un cuerpo a menor temperatura a uno a mayor temperatura, utilizando trabajo externo. Las partes principales de una máquina frigorífica incluyen:

• Compresor: Aumenta la presión del refrigerante.
• Condensador: Libera el calor del refrigerante al ambiente.
• Válvula de estrangulamiento: Reduce la presión del refrigerante.
• Evaporador: Absorbe el calor del espacio que se desea enfriar.

1. Enunciados de la Segunda Ley de la Termodinámica: Kelvin-Planck y Clausius

• Enunciado de Kelvin- Planck. No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión de este calor en trabajo.

Este enunciado refleja un hecho empírico y no se deduce de ninguna ley previa.

El enunciado de Kelvin-Planck afirma que es imposible construir una máquina que tenga un rendimiento del 100%. Siempre habrá calor de desecho que, en la mayoría de los casos equivale a más de la mitad del calor absorbido.

Es importante señalar que el enunciado de Kelvin-Planck habla de procesos cíclicos, que dejan al sistema en un estado final igual al inicial. Sí es posible transformar calor en trabajo si el estado final es diferente del inicial. Por ejemplo en una expansión isoterma de un gas, todo el calor que entra se transforma íntegramente en trabajo, pero al final el volumen del gas es diferente del inicial.

• Enunciado Clausiois. No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frio a otro más caliente.

Como el enunciado de Kelvin-Planck, el enunciado de Clausius está formulado de manera negativa. Expresa un hecho empírico. En términos llanos, el enunciado de Clausius nos dice que para enfriar algo por debajo de la temperatura ambiente es necesario un trabajo adicional, esto es, que un frigorífico no funciona si no se enchufa

El enunciado de Clausius establece un sentido para la propagación del calor. Éste fluye de manera espontánea de los cuerpos calientes a los fríos, nunca a la inversa.

1. Coeficiente de actuación (COP)

Es una expresión de la eficiencia de una bomba de calor. En este caso, se trata de una relación entre el calor cedido y la energía eléctrica consumida principalmente por el compresor de una bomba de calor. 

COP=Calor (W)Trabajo (W)

Es decir, se define como la relación entre la potencia (kW) que se extrae de la bomba de calor como refrigeración o calor, y la potencia (kW) que se suministra al compresor. Para una correcta eficiencia y funcionalidad, una bomba de calor debe alcanzar un COP de entre 2 y 6, dependiendo de la diferencia entre las temperaturas de ambos focos (interior o exterior). 

1. Bombas de calor: funcionamiento y coeficiente de actuación

Las bombas de calor son dispositivos que transfieren calor de un ambiente frío a uno caliente, utilizando trabajo externo. Funcionan de manera similar a las máquinas frigoríficas, pero su objetivo principal es calentar un espacio. El coeficiente de actuación (COP) de una bomba de calor se define como:

Donde es el calor entregado al espacio calentado y es el trabajo realizado.

La eficiencia de una bomba de calor se calcula por su coeficiente de rendimiento (COP). El COP calcula la eficiencia de una bomba de calor midiendo la cantidad de entrada de calor en el condensador (Q) en comparación con la potencia suministrada al compresor (W). Por ejemplo, si una bomba de calor utiliza 1 kW de electricidad y se producen 4 kW de calor, el COP es 4. Cuanto más alto es el COP, más eficiente es la bomba de calor.

1. Procesos reversibles e irreversibles

• Procesos reversibles

Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar cambios en el sistema ni en el entorno. Estos procesos son ideales y no ocurren en la realidad, pero son útiles para el análisis teórico.

• Procesos Irreversibles

Un proceso irreversible es aquel que no puede revertirse sin dejar cambios en el sistema o en el entorno. La mayoría de los procesos naturales son irreversibles debido a la generación de entropía.

1. Ciclo de Carnot

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal que proporciona la máxima eficiencia posible para una máquina térmica. Consiste en dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos. La eficiencia de un ciclo de Carnot se define como:

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