El segundo principio El segundo principio de la termodinámicade la termodinámicade la termodinámicade la termodinámica

Profesor:Joaquín Zueco JordánÁrea de Máquinas y Motores Térmicos

Dirección de los procesos

Q

Ti>To ToT

Tiempo

P TPPi

Los procesos inversos no son posibles espontáneamente

Po ToP

Tiempo

Pi

zi

Masa

Masa

Masazi

Otros ejemplos de la dirección de los procesos

Masa

Q

La transferencia de calor Q a una

o todos los procesos que verifican el 1er principio son viables

1ª Ley 2ª Ley

Oportunidad de producir trabajo

Es necesario el 2º principio:

- Saber si un proceso es espontáneo

- Saber la dirección de un proceso

- Saber si un proceso puede ocurrir

La transferencia de calor Q a una hélice no provocará que gire

I=0

VQ

La transferencia de calor Q a un alambre no generará electricidad

Más utilidades del Segundo Principio

Si hay posibilidad de producir trabajo:- ¿Cuál es la máxima cantidad de trabajo?- ¿Cuáles son los factores que hacen imposible obtenerlo?

-Establecer las condiciones de equilibrio

-Definición de una escala de temperatura independiente de la sustancia termométrica

- Desarrollo de expresiones para evaluar u y h en función de otras propiedades más fácilmente medibles

Introducción al segundo principio

• Según el primer principio, en un proceso cíclico

Q = WQ calor entregado al sistemaW trabajo netov

P

F.C.• Según el segundo principio

Q > WMotor térmico

sistema

F.F.

Q1

Q2

W

Q > W

Q1 calor entregado del F.C. al sistemaQ2 calor rechazado por el sistema al F.F.W trabajo neto

W = Q1 - Q2

W Q1 – Q2 Q2ηηηη = −−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− = 1 - −−−−−−−−−−−− < 1Q1 Q1 Q1

Motor térmico

F.C.

Máquina frigorífica:

Bomba de calor

Q2 Q2 C.O.P.MF = = = = −−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−W Q1 - Q2

Ciclos inversosP

v

sistema

F.F.

Q1

Q2

W

Bomba de calor

Q1 Q1 C.O.P.BC = = = = −−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− > 1W Q1 - Q2

C.O.P. Coeficiente operación

Clausius

Es imposible construir una máquina, que funcionando con

un ciclo, no produzca otro efecto, que transferir calor desde un

cuerpo a otro de mayor temperatura.

Kelvin Plank

Es imposible con un motor térmico, producir un trabajo neto,

en un ciclo completo, intercambiando calor

solamente, con un cuerpo a una temperatura fija.

Enunciados del segundo principioEnunciados del segundo principio

F.C.T1

F.F.T2

Q

T1 >T2

T= CTE

sistema

Q1

Q2= 0

W

Físicos que enunciaron el segundo principioFísicos que enunciaron el segundo principio

Plank ClausiusKelvin

Procesos irreversibles

Aquellos que una vez ha sucedido, es imposible devolver al sistema y al entorno a sus estados iniciales

Transferencia de calor

Expansión libre de un fluido

Reacción química espontánea

Mezcla espontánea de sustancias con diferente composición o estado

Rozamiento (fricciones mecánicas/ deslizamiento por la viscosidad de un fluido)

Todos los procesos reales son irreversiblesInternas

Externas

Procesos reversibles

Aquellos que una vez ha sucedido, es posible devolver al sistema y al entorno a sus estados iniciales

Estos procesos no ocurren, sólo se definen ya que algunos procesos reales son casi reversibles

Saber límite IDEAL

T1

T2

Q12 T1 – T2 ≈≈≈≈ 0Tobera-difusor subsónicos

Péndulo ideal

Pztáztáztáztá

Wexp = -Wcomp

PROCESOS REVERSIBLES

U PROCESO ES REVERSIBLE SI PUEDE LLEVARSE A CABO U A HIPOTÉTICA I VERSIÓ DEL PROCESO SI QUE VIOLE EL SEGU DO PRI CIPIO DE LA

Inversión del proceso

T1

F.C.

T2

F.F.

Q

•Transferencia de calor

T1 >T2

∆∆∆∆T = T1 -T2 >0

Violación del enunciado de Clausius.

* Si ∆∆∆∆T→→→→0:proceso reversible

T1

F.C.

T2

F.F.

Q

T= CTE•Rozamiento Violación del T= CTE

Procesos irreversibles

QUE VIOLE EL SEGU DO PRI CIPIO DE LA TERMODI ÁMICA.

CO DICIO ES:

1. PROCESO CUASIESTÁTICO.2. SI ROZAMIE TO.3. LA TRA SMISIÓ DE CALOR SE DEBE EFECTUAR

E TRE U A DIFERE CIA I FI ITESIMAL DE TEMPERATURAS.

•Proceso no cuasiestático

Imposible reproducir los estados del proceso directo, ya que no están definidos.

T= CTE

sistema

Q

W

•Rozamiento

W = Q

Violación del enunciado de Kelvin Plank.

T= CTE

sistema

Q

W

Formulación analítica del enunciado de Kelvin-Planck

S

Foco térmico

Q i) 1er Principio: Wciclo = Qciclo

ii) 2º Principio:

Condiciones a cumplir:

Kelvin-Planck: o seMasa

Kelvin-Planck: o sepuede transferir unacantidad neta de trabajocíclicamente a su entorno

Wciclo ≤≤≤≤ 0

(Un único foco)

Qciclo ≤≤≤≤ 0

W(no-cíclico) > 0

Máquinas de movimiento perpetuo

MMP de 1ª especie

Wnet,sal

CALDERA

MMP de 2ª especie

Qent

Son máquinas que no funcionan, al no verificar una de las 2 Leyes

Calentador eléctrico

CONDENSADOR

T

Bomba

GENERADOR

Qsal

(viola la 1ª Ley)

Sin condensador

T

Bomba

Wnet,sal

CALDERA

(viola la 2ª Ley)

Adiabáticos BC DA γγγγ-1

T1 vB = T2 vC

γγγγ-1

γγγγ-1T1 vA = T2 vD

γγγγ-1

v Bln −−−−−−−−−−−− =v A

v Cln −−−−−−−−−−−−v D

v BQ1 = QAB = WAB= m R T1 ln −−−−−−−−−−−−v A

v DQ2 = QCD = WCD= - m R T2 ln −−−−−−−−−−−−v C

Isotérmicos AB CDCiclo de CarnotIsotérmicos

P

v

A

B

CD

Adiabáticos

T2ηηηηc= 1 - −−−−−−−−−−−−T1

Q2 ηηηη=1 - −−−−−−−−−−−− = 1 - −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−Q1

v BT1 ln −−−−−−−−−−−−v A

v CT2 ln −−−−−−−−−−−−v D

Rendimiento de CarnotUn motor térmico logrará un rendimiento máximo si funciona

con un ciclo reversible entre dos niveles de temperatura.

T1 vA = T2 vDv(Gas ideal)

Ciclo de Carnot inverso

T1

P1

P2

T

T2

A B

CD

P

v

A

B

CD

T 2C.O.P.MF = = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−T 1 - T 2

T 1(C.O.P.)BC = = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−T 1 - T 2

•Maquina frigorífica

•Bomba de calor

vv

T1 F.C.

R

T2 F.F.

WR IWI

Q21 - −−−−−−−−−−−−Q1

T2≤≤≤≤ 1 - −−−−−−−−−−−−T1

ηηηηI ≤≤≤≤ ηηηηR

Corolarios

Teorema de Carnot

CorolariosT1 F.C.

R1

T2 F.F.

WR R2WR

ηηηηR1 = ηηηηR2

ηηηη= f( T1 ,T2)

ηηηη ≠≠≠≠f - fluido operante- tipo de máquina

ηηηη= f( T ,Tpt)Tpt Qpt−−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−T Q

Para un motor térmico reversible

W Q

T F.C.

RW

Q

Q

Escala termodinámica de temperatura absoluta

Escala Kelvin de temperaturas:

Punto triple del agua (pt) 273,16 K

W Qptηηηη= −−−−−−−−−−−− = 1 - −−−−−−−−−−−−Q QTpt

F.F.

QptSe miden Q y Qpt

QT = 273,16 −−−−−−−−−−−−

QptAunque la escala termodinámica se define con máquinas térmicas reversibles, no resulta útil ni práctico su empleo, ya que las Tªs se miden con termómetros

Cero absoluto

QFCOP= −−−−−−−−−−−−W

T F= = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−T C - TF

(T C - T F) QFW= = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−T F

Maquina frigorífica reversible

T F→→→→0 W→→→→∞∞∞∞

Cero absoluto es inalcanzable

Escala termodinámica de temperatura absoluta

William Thomson (Lord Kelvin)