Termodinámica

Segunda Ley Termodinámica

Un proceso va en cierta dirección y no en dirección contraria. La primera ley no explica este hecho, por lo tanto la segunda ley trata de este concepto. Esta ley se ha postulado en formas muy diversas, pero todas son equivalentes entre sí. Sin embargo, ninguna de las formulaciones puede derivarse de ninguna otra ley de la naturaleza. Por tanto, la segunda ley de la termodinámica (al igual que la primera) mantendrá su validez hasta el momento en el cual se descubran procesos que no puedan ser explicados por estas leyes.

Postulados de la segunda Ley

La segunda ley de la termodinámica o segundo principio de la termodinámica expresa, en una forma concisa, que:

Los numerosos enunciados de la segunda ley pueden ser considerados como variaciones de dos premisas básicas:

— Ningún dispositivo puede operar continuamente en forma tal que suúnico efecto sea la conversión completa de calor en trabajo. Este es conocido como el enunciado Kelvin Planck de la segunda ley.

— Es imposible la transferencia espontánea de calor desde un cuerpo a unatemperatura dada hacia otro de temperatura superior. Este constituye el enunciado de Clausius.

Entropía, Producción de Entropía, Factores de irreversibilidad

Máquinas Térmicas y Refrigeradores

Máquinas Térmicas: para convertir el trabajo a calor de manera directa y por completo se requieren ciertos dispositivos como las máquinas térmicas. Ellas:

Reciben calor de una fuente a altas temperaturas.

Convierte parte de este calor en trabajo.

Rechaza el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura.

Operan en ciclo.

Para medir la calidad del funcionamiento de una máquina térmica se utiliza el concepto de eficiencia térmica definida como la relación entre el trabajo neto producido y la cantidad de calor suministrado

ó

Refrigeradores: El proceso de transferir calor de un medio que se encuentra a baja temperatura, hacia otro de temperatura alta, requiere los refrigeradores. Estos también son dispositivos cíclicos. El fluido que trabaja en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante.

Teniendo en cuenta el objetivo del refrigerador, se define el coeficiente de operación como la relación entre el calor extraído del depósito frío y el trabajo suministrado

Al igual que en una máquina térmica, si se reemplaza en términos de y de acuerdo con el balance de energía:

El Ciclo de Carnot

Propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. Es un ciclo que se compone de 4 procesos reversibles, 2 isotérmicos, y 2 adiabáticos, es posible llevarlo en un sistema cerrado o de flujo estacionario. Los estados del ciclo de Carnot son los siguientes:

Expansión Isotérmica Reversible.

Expansión Adiabática Reversible.

Compresión Isotérmica Reversible.

Compresión adiabática Reversible.

La Desigualdad de Clasius

El enunciado de Clausius dice:

“Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura”.

Este enunciado no quiere decir que es imposible que se realice este proceso, ya que es precisamente lo que hace un refrigerador. Este quiere decir que un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea propulsado por una fuente de energía externa como un motor eléctrico. .

Este modelo es válido para todos los procesos reversibles, irreversibles, e incluso los de refrigeración.

Cambio de Entropía en Procesos Reversibles e Irreversibles

El desorden atómico en un objeto caliente, y por lo tanto la entropía contenida en él

Es posible asumir que, durante la compresión y expansión cuidadosas, la cantidad del desorden atómico no aumenta primero y luego disminuye, sino que permanece constante a lo largo de los dos procesos. En resumen, la entropía se conserva en procesos invertibles o reversibles.

Sin embargo el desorden en un cuerpo térmicamente aislado aumenta si la estructura atómica se altera de manera permanente. La entropía se distribuye más o menos rápido sobre todo el cuerpo a partir del lugar donde ella fue creada. Todos estos procesos que producen entropía no se pueden invertir en un sistema aislado, son irreversibles. De no ser así la entropía creada podría ser destruida nuevamente, lo cual contradice nuestra suposición inicial.

Resumiendo: Los procesos que:

Lo anterior es, el contenido de la segunda ley de la termodinámica.

Podemos formular también: Para un sistema térmicamente aislado, la entropía siempre aumenta en procesos irreversibles. Por el contrario, en procesos reversibles ella se conserva.

De manera abreviada podemos escribir:

(_rev^irre)ΔS ≥ 0 en un sistema térmicamente aislado.

Trabajo Perdido

Para una máquina térmica

El que el rendimiento de una máquina térmica sea siempre inferior al de una máquina reversible permite definir el trabajo perdido como la diferencia entre el que podría haber realizado la máquina y que realiza de verdad.

Podemos expresar este resultado en función del calor que entra y sale de la máquina

Vemos que el trabajo perdido equivale a la diferencia entre el calor de desecho que se produce realmente y el que se produciría si la máquina fuera óptima.

Para un refrigerador

De la misma manera, puede calcularse el trabajo extra necesario para hacer funcionar un refrigerador por el hecho de no ser reversible.

Para la misma cantidad de calor extraído, esta diferencia es igual a la diferencia entre el calor de desecho en un refrigerador real y uno ideal

En un refrigerador reversible se cumple

Por lo que el trabajo perdido es igual a

Para una bomba de calor

Operando igualmente para una bomba de calor

Para la misma cantidad de calor vertida al foco frío, este trabajo equivale a la diferencia entre el calor que se extrae en un caso y en otro

En el caso reversible

Por lo que

Segunda Ley de la Termodinámica para un Volumen Control

Si un fluido se desplaza, a través de un volumen de control (sistema abierto), desde una sección inicial hasta la sección finas en tanto se suministra trabajo externo al volumen de control se supone que el límite del volumen de control esta a temperatura ambiente To y que todo calor se transfiere

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