Taller Segunda Ley Termodinamica

1. ¿Cuáles son los postulados de Clausius y de Kelvin-Planck acerca de la segunda ley de la termodinámica?

Postulado de Kelvin-Planck:

Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo, recibir calor de un sólo depósito y producir una cantidad neta de trabajo.

Es decir, una máquina térmica debe intercambiar calor con un sumidero de baja temperatura, así como con una fuente de alta temperatura, para seguir funcionando.

QH

Wneto, sal

Postulado de Clausius:

Establece que es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la transferencia de calor de un cuerpo de temperatura más baja a un cuerpo de temperatura más alta.

El enunciado establece simplemente, que un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea propulsado mediante una fuente de energía externa, como un motor eléctrico.

De este modo el efecto neto sobre los alrededores tiene que ver con el consumo de cierta energía, en forma de trabajo, además de la transferencia de calor de un cuerpo más frio a otro más caliente.

2. Mencione otras formas de enunciar teóricamente la segunda ley de la termodinámica.

El uso de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene calidad así como cantidad. La segunda ley se usa también para determinar los límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, como maquinas térmicas y enfriadores, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas.

La definición formal del segundo principio de la termodinámica establece que: En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.

Otros enunciados conocidos son:

Enunciado de John De Saint:

“Para todo sistema potencialmente cíclico es imposible una única transferencia de calor tal que dicho proceso sea recíproco y eventualmente reversible.”

Algunos corolarios del principio, a veces empleados como enunciados alternativos, son:

“Ningún proceso cíclico es tal que el sistema en el que ocurre y su entorno puedan volver a la vez al mismo estado del que partieron.”

Corolario del principio, debido a Clausius:

“En un sistema aislado, ningún proceso puede ocurrir si a él se asocia una disminución de la entropía total del sistema.”

3. Explique qué es una máquina térmica. Incluya un ejemplo y ayúdese con gráficos.

Una máquina térmica, se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la trasferencia de calor desde un cuerpo de temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura.

Características:

Reciben calor de una fuente de alta temperatura (energía solar, hornos de petróleo, reactores nucleares, etc.).

Convierten parte de este calor en trabajo (normalmente en la forma de un eje en rotación).

Liberan el calor de desecho remanente en un sumidero de baja temperatura (la atmósfera, ríos, etc.).

Qen

Wneto

Qsal

Un claro ejemplo de máquinas térmicas, lo podemos observar en las centrales térmicas a vapor donde:

Se utiliza agua.

Es un ciclo cerrado.

El agua se calienta en calderas.

La presión del vapor de agua mueve la turbina.

La energía cinética se convierte en electricidad.

4. ¿Qué es la eficiencia térmica de una máquina? ¿De qué forma se puede calcular?

Se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo. Es decir la eficiencia térmica mide el desempeño que tiene una maquina térmica al convertir el calor que recibe en trabajo.

Rendimiento=(Salida deseada)/(Entrada requerida)

e=W/Q_c =(Q_c-Q_f)/Q_c =1-Q_f/Q_c

E = Eficiencia Qc = Calor absorbido

W = Trabajo Qf = Calor liberado por la fuente

Este resultado muestra que una maquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si Qf = 0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida Qc en trabajo mecánico, lo cual es imposible según la segunda ley de la termodinámica.

5. Explique, mediante un diagrama PV, el funcionamiento de una máquina de Carnot.

Una máquina de Carnot es una máquina que opera en un ciclo ideal reversible entre dos ciclos de calor, lo cual la hace que sea la máquina posible más eficiente. Ésta establece un límite superior en la eficiencia de todas las máquinas; lo que significa que el trabajo neto realizado por una sustancia de trabajo llevada a través de un ciclo de Carnot, es el máximo posible para una cantidad dada de calor suministrado a la sustancia de trabajo.

El teorema de Carnot se enuncia de la siguiente forma:

“Ninguna máquina térmica real que opera entre dos fuentes de calor, puede ser más eficiente que una máquina de Carnot, operando entre las dos mismas fuentes.”

Figura: Ciclo de Carnot

El proceso A-B es una expansión isotérmica a la temperatura TC, donde el gas se pone en contacto térmico con una fuente de calor a esa TC. Durante el proceso, el gas absorbe calor QC de la fuente desde la base del cilindro y realiza trabajo WAB al subir el émbolo.

En el proceso B-C, la base del cilindro se reemplaza por una pared térmicamente no conductora y el gas se expande adiabáticamente. Durante el proceso la temperatura baja de TC a TF y el gas realiza trabajo WBC al elevar el émbolo.

En el proceso C-D el gas se coloca en contacto térmico con una fuente de calor a temperatura TF y se comprime isotérmicamente

...