Segunda ley de la termodinámica

1. Segunda ley de la termodinámica

Esta ley,  en combinación con la primera ley de la termodinámica, pronostica  la dirección que siguen los procesos naturales y las situaciones de equilibrio. A partir de la segunda ley de la termodinámica se establece la imposibilidad de convertir totalmente una cantidad de calor  (energía de baja calidad) en trabajo (energía de máxima calidad).  Lo anterior puede resumirse así: “la calidad de la energía  se destruye en los procesos con flujo de calor, lo cual está en concordancia con el principio del aumento de entropía del universo: dS > 0.

Los procesos de combustión son la principal fuente de energía del mundo moderno,  son un ejemplo de la destrucción de la calidad de la energía.  En estos procesos el sentido natural es aquel en el que el combustible se transforma en dióxido de carbono y agua, el sentido contrario no es natural.  La segunda ley de la termodinámica aporta los fundamentos que permiten  predecir cuándo un proceso es o no natural.  En los procesos cíclicos naturales que en su gran mayoría son isotérmicos e irreversibles no se puede esperar una producción de trabajo,  ya que en estos procesos se destruye trabajo:

[pic 1]

1. Plantear tres ejercicios de aplicación de la segunda ley de la termodinámica.

1.- Cuál es la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministrarán 8 000 calorías para obtener 25 200 J de calor de salida?

Solución: fórmula:

[pic 2]

Sustituyendo nuestros datos:

[pic 3]

Lo que sería equivalente a un 25% de eficiencia térmica

2.- Calcular la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministran 5.6 x 10^8 cal, realizando un trabajo de 8.3 x10^7 J.

Solución: organizamos nuestros datos de la siguiente manera:

[pic 4] [Calor suministrado a la máquina]

[pic 5] [Trabajo realizado por la máquina]

Convertimos las calorías en Joules:

1 Cal = 4.185 J/Cal, de tal manera que ahora [pic 6] , tendrá el siguiente valor:

[pic 7]

Sustituyendo en la fórmula, tendremos:

[pic 8]

Que multiplicado por 100, tendríamos

[pic 9]

Haciendo un total del 3.41 por ciento de eficiencia térmica, bajo esas condiciones.

3.- Suponga que una persona le comenta que construyó una máquina térmica la cual, en cada ciclo, recibe 100 cal de la fuente caliente y realiza un trabajo de 418 J. Sabiendo que 1 cal = 4.18 J. ¿Qué puede opinar al respecto?

Solución: Si la máquina recibe 100 cal de la fuente caliente quiere decir que:

[pic 10]

Ahora por fórmula tenemos:

[pic 11]

que multiplicado por 100, tenemos

[pic 12]

3. El uso sistemático de energía solar puede dar un gran ahorro en el costo de calefacción de espacios en invierno para una casa típica de la región norte central de Estados Unidos. Si la casa tiene buen aislamiento, es posible modelarla como que pierde energía por calor de manera continua a razón de 6000 W en un día de abril, cuando la temperatura promedio exterior es de 8°C, y cuando el sistema de calefacción convencional no se usa en absoluto. El colector pasivo de energía solar puede estar formado simplemente por ventanas muy grandes en una alcoba que mire hacia el sur. La luz solar que brille durante el día es absorbida por el piso, paredes interiores y otros objetos del cuarto, elevándose así su temperatura a 39°C. Cuando baja el sol, las cortinas o persianas aislantes se cierran sobre las ventanas. Durante el periodo entre las 3:00 p.m. y las 8:00 a.m. la temperatura de la casa bajará, y se necesita una "masa térmica" suficientemente grande para evitar que baje demasiado. La masa térmica puede ser una gran cantidad de piedra (con calor específico de 880 J/kg°C) en el piso y las paredes interiores expuestas a la luz solar. ¿Qué masa de piedra se necesita si la temperatura no debe descender por abajo de 19°C durante la noche?

Solución:

P = Q / ∆t = mc∆T / ∆t

m = P∆t / c∆T

m = (6000 J/s) (17h) (3600s/h) / (880J/kg°C) (19°C – 39°C)

m = (3.67x108 J Kg°C) / (880J) (20°C)

m = 20863.63 Kg → 20863630 g

4. Un calorímetro de aluminio con masa de 120.8 gr contiene 87 gr de agua. El calorímetro y el agua están en equilibrio térmico a 4°C. Dos bloques metálicos se ponen en el agua. Uno es una pieza de cobre de 28 gr a 90°C el otro bloque tiene una masa de 37 gr y esta originalmente a una temperatura de 110°C. Todo el sistema se estabiliza a una temperatura final de 39°C

Determine el calor especifico de la muestra, si Ccu = 0.0924cal/g°C   CAl = 0.0215cal/g°C

Solución:

Qabsorbido = (120.8g) (0.0215Cal/g°C) (39°C – 4°C) + (87g) (1Cal/g°C) (39°C – 4°C)

Qabsorbido = 3135.90Cal

Qliberado = (28g) (0.0924Cal/g°C) (39°C – 90°C) + (37g) Cc (39°C – 110°C)

Qabsorbido = Qliberado

3135.90Cal = 2758.9 (Cc)

Cc = 3135.90 / 2758.9

Cc = 1.13 Cal/g°C

5. Una muestra de 80 gramos de dióxido de carbono inicialmente a 28°C y una presión de 1.8 torr se comprime de manera isotérmica a 0.5 atm. Observando que el gas se comporta como gas ideal, encuentre a) Volumen final del gas, b) el trabajo realizado sobre el gas c) la energía trasferida por calor  

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