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CAPÍTULO 11 Segunda Ley de Termodinámica. INDICE Introducción Máquina térmica Enunciados Kelvin y Clausius Irreversibilidad Ciclo de Carnot Desigualdad.

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1 CAPÍTULO 11 Segunda Ley de Termodinámica

2 INDICE Introducción Máquina térmica Enunciados Kelvin y Clausius Irreversibilidad Ciclo de Carnot Desigualdad Clasius Segunda Ley de la Termodinámica. Entropía Cambio de Entropía en el Universo Problemas Rendimiento isoentrópico

3 MÁQUINA TÉRMICA: Máquina que opera cíclicamente y produce trabajo mientras intercambia calor a través de sus fronteras Bastan 2 puntos, con una diferencia de temperaturas, para que pueda operar una máquina térmica (como veremos más adelante).

4 Ley de la Degradación de la Energía. No existe una máquina que transforme todo el calor en trabajo Ejm: Central Térmica a Vapor ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY: 1.KELVIN-PLANCK

5 Lo contrario, es decir el trabajo se puede transformar enteramente en calor (trabajo de fricción) Ejm: Central Térmica a Gas.

6 Una máquina puede servir como ciclo positivo como negativo, es el caso de una refrigeradora para calefacción

7 1.CLAUSIUS Es imposible que el calor pase, por si sólo, desde una región de menor temperatura hasta otra de mayor temperatura.

8 Ejemplos de esquemas que pueden funcionar o no

9 COLORARIOS DE LA SEGUNDA LEY: PRIMER COLORARIO: Es imposible construir una máquina que funcione entre dos depósitos térmicos, con temperaturas distintas y uniformes, y que supere la eficiencia de una máquina reversible ideal que opere entre tales depósitos. Carnot. el calor no puede pasar de una temperatura baja a una alta !!..... va en contra de la segunda ley

10 SEGUNDO COLORARIO: Todas las máquinas reversibles presentarán la misma eficiencia cuando operen entre los mismos dos depósitos térmicos de temperaturas constantes. aquí tampoco el calor puede subir desde una temperatura baja !!

11 PROCESO REVERSIBLE Son los procesos en los cuales se pueden revertir su dirección. Entre ellos se pueden contar: -Expansión o compresión de un gas en forma controlada (muy lenta). -Movimiento sin fricción. -Flujo no viscoso de un fluido. -Circuitos eléctricos de resistencia 0 (superconductores) -Descarga controlada de una pila (lenta)

12 IRREVERSIBILIDAD La mayoría de las irreversibilidades caen dentro de la categoría de la experiencia común, e incluye : 1.Fricción 2.Resistencia eléctrica 3.Expansión ilimitada o expansión libre 4.Mezcla de dos sustancias diferentes 5.Deformación inelástica 6.Corriente viscosa de un fluido 7.Fricción Sólido - Sólido

13 8.Efectos de histéresis 9.Ondas de choque 10. Amortiguación de un sistema vibrante 11. Estrangulamiento en válvulas 12. Osmosis 13. Mezcla de fluidos idénticos a diferentes presiones y temperaturas 14.Transmisión de calor a través de una diferencia finita de temperatura El calor se ha definido como la energía transmitida debida a una diferencia de temperatura 16.Mezcla de dos sustancias diferentes 17.Proceso de combustión

14 Es lo mismo transmitir calor de un cuerpo frío a uno caliente que de uno caliente a uno frío? En este capítulo veremos todo lo relacionado con: Dirección, dirección, dirección...

15 La gasolina se transforma en gases de escape, pero sucede lo contrario?.... el gas de combustión a gasolina o gas de combustible ? Cosas que no pueden suceder.... Un objeto que cae se calentará al golpear el suelo (1), pero se ha visto que el objeto que al calentarse salte?

16 Una batería se descarga a través de una resistencia, con desprendimiento de cierta cantidad de energía, pero no puede realizarse el fenómeno a la inversa, es decir, suministra energía a la resistencia por calentamiento a fin de producir la carga de la batería.

17 La taza se enfría por si sola, pero no puede calentarse de un momento a otro !!

18 El Oxígeno y el Hidrógeno reaccionan para formar el agua, pero ¿quién ha visto que el agua se separe espontáneamente en sus dos elementos básicos? H 2 + ½ O 2 H 2 O (sí) H 2 O H 2 + ½ O 2 (no)

19 ¿Qué tan probable es que si una baraja desordenada se revuelva y se obtenga una baraja ordenada?

20 IRREVERSIBILIDAD Fricción

21 Rozamiento

22 Calor

23 Transferencia de Calor y Combustión

24 11.3 Ciclo de Carnot Sadi Carnot observó que cuanto más elevada es la temperatura que entra en una máquina motriz (de cilindro y émbolo), y cuanto mas baja es la temperatura del vapor que sahe de la misma, tanto mayor será el trabajo de salida generado por dicha máquina. Este científico imaginó una máquina de vapor que podría funcionar con base de un ciclo cerrado; recibiría calor a una cierta temperatura constante, y cedería igualmente calor a una temperatura igualmente constante. La evaporación del agua y la condensación del vapor se llevarían a cabo a una temperatura casi invariable. La máquina tendría que encontrarse perfectamente aislada, y el trabajo se realizaría de manera reversible. Por tanto, habría una expansión adiabática reversible en la máquina para producir trabajo, seguida de una comprensión adiabática reversible para completar el ciclo.

25 En conclusión, un CICLO DE CARNOT está compuesto por los siguientes procesos: (1-2)expansión isotérmica reversible (2-3)expansión adiabática reversible (3-4)compresión isotérmica reversible (4-1)compresión adiabática reversible

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27 Consideremos un motor Carnot como el siguiente: El sistema termomecánico está inicialmente con el fluido en el estado 1. Después se interpone un conductor térmico perfecto entre la máquina y la fuente de calor y esta energía se transfiere en forma constante hasta que el fluido alcanza el estado 2. Luego se coloca un aislante ideal entre el depósito térmico y el motor y continua el proceso hasta llegar al estado 3.

28 Carnot es la máquina más perfecta que existe, no puede haber algo mejor que ella. Aprovecharemos esto para comparar nuestros diseños con Carnot, si los rendimientos salen mayor entonces es imposible que funcione nuestra máquina

29 Bastan dos temperaturas diferentes para que pueda existir una máquina termodinámica. El rendimiento máximo es n = 1 - TB/TA

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32 12.4 Ciclo Carnot negativo (REFRIGERADOR CARNOT) Este ciclo termodinámico inverso presenta exactamente los mismos procesos que el ciclo de Carnot directo (1-2):expansión adiabática reversible (2-3):expansión isotérmica reversible (T B ) (3-4):compresión adiabática reversible (4-1):compresión isotérmica reversible (T A )

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34 11.1 Segunda Ley de la Termodinámica LA ENTROPÍA SIEMPRE AUMENTA S>=0 Además: A 0°K (cero absoluto) la entropía es cero. Máximo ordenamiento de las moléculas.(3era Ley) Segunda Ley Restricciones de la Primera Ley Segunda Ley + Primera Ley Hacen posible un Ciclo Segunda Ley Flecha del tiempo Usaremos el concepto de ENTROPIA para evaluar la factibilidad de estos procesos. Si el aumento de entropía en un proceso es mayor que cero (positivo) el proceso podrá realizarse.

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36 11.5 Entropía 1.Todo sistema tiene entropía, mide el grado de desorganización microscópica, es decir muestra incertidumbre acerca del estado microscópico. 2.La entropía es una propiedad extensiva; la entropía de un sistema complejo es la suma de las entropías de sus partes.

37 Además: -Proceso reversible : es aquel que no produce entropía. -Proceso irreversible : es aquel que produce entropía. 3.La entropía puede producirse, pero nunca destruirse. En consecuencia la entropía de un sistema aislado adiabático nunca puede disminuir. 4.La entropía de un sistema que existe siempre en estado microscópico único es igual a cero. (0°K)

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39 Cambio de Entropía en el Universo: Siempre: T A > T B T A... T B Donde:

40 Si es adiabático: Además: En un ciclo:

41 Para Gases Ideales: Luego tenemos: Si v = cte (líquido incompresible)

42 Además: Si P = cte Luego tenemos: Este es el diagrama T -s de un ciclo de carnot, un rectangulo

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44 11.9- Rendimiento Isoentrópico ( o adiabático) Turbina adiabática: Es una medida de la eficiencia de alguna máquina que no opera cíclicamente; es decir, siguiendo un proceso adiabático. a)Máquinas Propulsoras: las que proporcionan trabajo técnico. Turbina a Vapor: Sustancia Pura:Vapor de H 2 O

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46 Turbina a gas: (adiabática) Gas Ideal: aire Además: Entonces: donde: Adiabático: n=k Luego: Turbina con extracción: (adiabática) (1-2): Proceso isentrópico. (ideal) (1-2) : Proceso real.

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