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Segunda Ley de la Termodinmica

Mquinas trmicas y la segunda ley de la termodinmica La segunda ley de la termodinmica establece cules procesos pueden ocurrir y cules no en la naturaleza. Los siguientes son ejemplos de procesos que son consistentes con la primera ley de la termodinmica pero que proceden de un orden gobernado por la segunda ley: 2

Cuando dos objetos a diferente temperatura se ponen en contacto trmico entre s, el calor fluye del objeto de mayor a la de menor temperatura.

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Segundo principio de la TermodinmicaEl rasgo caracterstico de una sociedad industrial es su capacidad de utilizar, para fines acertados o desacertados, fuentes de energa distintas de los msculos del hombre o de los animales.

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La mayor parte de las provisiones de energa estn constituidas por combustibles tales como el carbn, petrleo, gas , gasolina etc, en las cuales la energa se encuentra almacenada en forma de energa interna.

El proceso de combustin libera la energa interna y la convierte en calor.

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En esta forma, la energa puede utilizarse para: . Calentar habitaciones, Cocinar. Mantener un horno a elevada temperatura.. Efectuar otros procesos fsicos o qumicos.

Para mover una mquina o propulsar un vehculo, avin, etc ha de transformar el calor en energa mecnica.

8Como se hace un motor de avin?https://www.youtube.com/watch?v=S2y2g3pD22ALas transformaciones pueden representarse esquemticamente por:Energa interna Calor Energa mecnica.

La mquina absorbe energa trmica Qc de un depsito caliente, libera la energa trmica Qf al depsito fro y efecta un trabajo W. Una mquina trmica lleva a cierta sustancia de trabajo a travs de un proceso de un ciclo durante el cual La energa trmica se absorbe de una fuente a alta temperatura, La mquina realiza trabajo, y La mquina expulsa energa trmica a una fuente de menor temperatura. Motor trmico

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A partir de la primera ley de la termodinmica vemos que el trabajo neto W hecho por la mquina trmica

W = Qc Qf

El trabajo neto hecho por un proceso cclico es el rea encerrada por la curva que representa el proceso en el diagrama PV.

Diagrama PV para un proceso cclico arbitrario. El trabajo neto realizado es igual al rea encerrada por la curva. 14

La eficiencia trmica, e, de una mquina trmica se define como el cociente del trabajo neto realizado y la energa trmica absorbida a una temperatura ms alta durante el ciclo:

Esta frmula muestra que una mquina tiene un 100% de eficiencia slo s Qf = 0. Es decir, no se entrega energa trmica al reservorio fro. EFICIENCIA TRMICA15

EjemploCalcule la eficiencia de una mquina trmica que absorbe 2000 J de energa de un depsito caliente y entrega 1500 J a un depsito fro.

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EjemploUna mquina trmica tiene una eficiencia del 26%, cul es el trabajo realizado si el depsito fro absorbe 240 J?

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Kelvin-Planck: De la segunda ley de la termodinmica establece lo siguiente: Es imposible construir una mquina trmica que, operando en un ciclo, absorba energa trmica de un depsito y la convierta ntegramente en trabajo. Depsito fro a TfMotorDeposito caliente a TcQcW18

Refrigeradores y bombas de calor Los refrigeradores y las bombas de calor son mquinas trmicas que operan a la inversa. La mquina absorbe energa trmica Qf del depsito fro y entrega energa trmica Qc al depsito caliente.Esto puede lograrse slo si se hace trabajo sobre el refrigerador. El enunciado de Clausius afirma lo siguiente:Es imposible construir una mquina que opere en un ciclo y que no produzca ningn otro efecto ms que transferir energa trmica continuamente de un objeto a otro de mayor temperatura. En trminos simples, la energa trmica no fluye espontneamente de un objeto fro a uno caliente.

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Diagrama esquemtico de un refrigerador. Diagrama esquemtico de un refrigerador imposible. Depsito fro a TfMotorDeposito caliente a TcQcQfWDepsito fro a TfMotorDeposito caliente a TcQcQf20

FuncionamientoTodo lquido que se evapore fcilmente a bajas temperaturas es un potencial refrigerante.Es posible evaporarlo y licuarlo alternadamente, hacindolo circular a travs de tubos en los que vare la presin.En la mayora de los refrigeradores domsticos, el refrigerante es uno de los compuestos conocidos como clorofluorocarbonos o freones.Los tubos del interior del refrigerador son de grueso calibre, por lo que dentro de ellos la presin es baja y el lquido que all circula se evapora. Con ello se mantiene fri el tubo y se absorbe el calor de los alimentos.Un motor elctrico succiona el gas fro de los tubos, lo comprime para que se caliente y lo manda al tubo serpentn de la parte trasera del refrigerador.El aire que circunda al serpentn absorbe el calor y hace que el gas vuelva a condensarse, todava a muy alta presin.21

motorInteriorExteriorcapilarDespus, un tubo de calibre muy angosto, llamado capilar, devuelve el lquido de alta presin a los tubos ensanchados del interior, el lquido se evapora de nuevo y el ciclo se repite.22

Bomba de calor Una bomba de calor es un dispositivo mecnico que transporta energa trmica de una regin a baja temperatura a una regin a temperatura mayor.La figura es una representacin esquemtica de una bomba de calor. La temperatura exterior es Tf y la energa trmica absorbida por el fluido circulante es Qf. La bomba de calor realiza un trabajo W sobre el fluido, y la energa trmica transferida de la bomba de calor hacia el interior del edificio es Qc.Depsito fro a TfMotorDeposito caliente a TcQcQfW23

La eficacia de la bomba de calor, en el modo de calentamiento, se describe en funcin de un nmero conocido como el coeficiente de realizacin, CDR.ste se define como la razn entre el calor transferido al depsito y el trabajo que se requiere para transferir el calor:

CDR (bomba de calor)

Una mquina trmica en un ciclo de Carnot que opere a la inversa constituye una bomba de calor; de hecho, es la bomba de calor con el coeficiente de rendimiento ms alto posible para las temperaturas entre las cuales opera. El mximo coeficiente de realizacin es

CDRf (bomba de calor)

Coeficiente de realizacin24

El refrigerador trabaja de un modo muy similar a una bomba de calor; enfra su interior bombeando energa trmica desde los compartimientos de almacenamiento de los alimentos hacia el exterior ms caliente. Durante su operacin, un refrigerador elimina una cantidad de energa trmica Qf del interior del refrigerador, y en el proceso (igual que la bomba de calor) su motor realiza trabajo W. El coeficiente de realizacin de un refrigerador o de una bomba de calor se define en trminos de Qf:CDR (refrigerador)

En este caso, el coeficiente de realizacin ms alto posible es tambin el de un refrigerador cuya sustancia de trabajo se lleva por un ciclo de mquina trmica de Carnot a la inversa.CDRf (refrigerador)

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EjemploCul es el coeficiente de realizacin de un refrigerador que opera con una eficiencia de Carnot entre las temperaturas -3.00C y +27.0C?

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El motor de gasolina El motor de gasolinas puede describirse mediante el ciclo Otto, el cual se ilustra en la figura

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Entropa Otra funcin de estado, relacionada con la segunda ley de la termodinmica, es la entropa.Considere un proceso infinitesimal en un sistema entre dos estados de equilibrio.Sea dQr es la cantidad de energa trmica que se transferira si el sistema hubiera seguido una trayectoria reversible, entonces el cambio en la entropa dS, independientemente de la trayectoria real seguida, es igual a la cantidad de energa trmica transferida a lo largo de la trayectoria reversible dividida entre la temperatura absoluta del sistema:

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Cuando la energa trmica es absorbida por el sistema, dQr, es positiva y por lo tanto la entropa crece. Cuando la energa trmica es liberada por el sistema, dQr, es negativa y la entropa disminuye.En la mecnica estadstica, el comportamiento de una sustancia se describe en funcin del comportamiento estadstico de tomos y molculas contenidos en la sustancia. Uno de los principales resultados de este tratamiento es que:Los sistemas aislados tienden al desorden, y la entropa es una medida de dicho desorden.Todos los procesos fsicos tienden a estados ms probables para el sistema y sus alrededores. El estado ms probable siempre es el de mayor desorden. Debido a que la entropa es una medida del desorden, una manera alternativa de decir lo anterior es:La entropa del universo aumenta en todos los procesos. Estado ordenadoEstado desordenado29