TERMODINÁMICA La termodinámica es el estudio de las relaciones de energía que involucran calor, trabajo mecánico y otros aspectos de energía y transferencia de calor. Calefacción central

4. Segunda ley de la termodinámica La segunda ley de la termodinámica determina la dirección preferida de los procesos irreversibles de la naturaleza Hacia el máximo desorden. Si se incluyen todos los sistemas que participan en un proceso, la entropía se mantiene constante o aumenta. Procesos reversibles DS=0 Procesos irreversibles DS>0 La entropía del Universo nunca puede disminuir

MÁQUINAS TÉRMICAS Qhot Wout Qcold Una máquina térmica es cualquier dispositivo que pasa por un proceso cíclico: Dep. frío TC Máquina Dep. Caliente TH Qhot Wout Qcold Absorbe calor Qhot Realiza trabajo Wout Liberación de calor Qcold

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Wout Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH Qhot Qcold Es imposible construir una máquina que, al operar en un ciclo, no produzca efectos distintos a la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. No sólo no puede ganar (1a ley); ¡ni siquiera puede empatar (2a ley)!

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH 400 J 300 J 100 J Máquina posible. Máquina IMPOSIBLE. Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH 400 J

EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA La eficiencia de una máquina térmica es la razón del trabajo neto realizado W a la entrada de calor QH. Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH QH W QC e = = W QH QH- QC e = 1 - QC QH

EJEMPLO DE EFICIENCIA 800 J W 600 J Una máquina absorbe 800 J y desecha 600 J cada ciclo. ¿Cuál es la eficiencia? Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH 800 J W 600 J e = 1 - QC QH e = 1 - 600 J 800 J e = 25% Pregunta: ¿Cuántos joules de trabajo se realizan?

EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA IDEAL (máquina de Carnot) Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH QH W QC Para una máquina perfecta, las cantidades Q de calor ganado y perdido son proporcionales a las temperaturas absolutas T. e = TH- TC TH e = 1 - TC TH

e real = 0.5ei = 20% TC TH e = 1 - W QH e = 300 K 500 K e = 1 - Ejemplo 3: Una máquina de vapor absorbe 600 J de calor a 500 K y la temperatura de escape es 300 K. Si la eficiencia real sólo es la mitad de la eficiencia ideal, ¿cuánto trabajo se realiza durante cada ciclo? e real = 0.5ei = 20% e = 1 - TC TH e = W QH e = 1 - 300 K 500 K W = eQH = 0.20 (600 J) e = 40% Trabajo = 120 J

REFRIGERADORES Qhot Win Win + Qfrío = Qcaliente Qcold Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH Qhot Qcold Win Un refrigerador es una máquina que opera a la inversa: realiza trabajo sobre gas que extrae calor del depósito frío y deposita calor en el depósito caliente. Win + Qfrío = Qcaliente WIN = Qcaliente - Qfrío

LA SEGUNDA LEY PARA REFRIGERADORES Es imposible construir un refrigerador que absorba calor de un depósito frío y deposite igual calor a un depósito caliente con W = 0. Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH Qhot Qcold Si fuese posible, ¡se podría establecer movimiento perpetuo!

COEFICIENTE DE RENDIMIENTO (COP) Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH QH W QC El COP (K) de una máquina térmica es la razón del CALOR Qc extraído al TRABAJO neto realizado W. QC W K = = QH QH- QC Para un refrigerador IDEAL: K = TH TH- TC

EJEMPLO DE COP 500 K Un refrigerador de Carnot opera entre 500 K y 400 K. Extrae 800 J de un depósito frío cada ciclo. ¿Cuáles son COP, W y QH ? Dep. caliente TH QH W Máquina K = 400 K 500 K - 400 K TC TH- TC = 800 J Dep. frío TC 400 K COP (K) = 4.0

EJEMPLO DE COP (Cont.) QH W 800 J A continuación se encontrará QH al suponer el mismo K para un refrigerador real (Carnot). 500 K Dep. caliente TH QH W K = QC QH- QC Máquina 800 J 800 J QH - 800 J = 4.0 Dep. frío TC 400 K QH = 1000 J

EJEMPLO DE COP (Cont.) 1000 J W 800 J 500 K 400 K Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH 800 J W 1000 J 500 K 400 K Ahora, ¿puede decir cuánto trabajo se realiza en cada ciclo? Trabajo = 1000 J - 800 J Trabajo = 200 J

Q = U + W final - inicial) Resumen Primera ley de la termodinámica: el calor neto que toma un sistema es igual a la suma del cambio en energía interna y el trabajo realizado por el sistema. Q = U + W final - inicial) Proceso isocórico: V = 0, W = 0 Proceso isobárico: P = 0 Proceso isotérmico: T = 0, U = 0 Proceso adiabático: Q = 0

Lo siguiente es cierto para CUALQUIER proceso: Resumen (Cont.) Capacidad calorífica molar, C: Unidades: Joules por mol por grado Kelvin c = Q n T Lo siguiente es cierto para CUALQUIER proceso: Q = U + W U = nCv T PV = nRT

No sólo no puede ganar (1a ley); ¡ni siquiera puede empatar (2a ley)! Resumen (Cont.) Dep. frío TC Máquina Dep. caliente TH Qhot Qcold Wout Segunda ley de la termodinámica: Es imposible construir una máquina que, al operar en un ciclo, no produzca efectos distintos a la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. No sólo no puede ganar (1a ley); ¡ni siquiera puede empatar (2a ley)!

Resumen (Cont.) La eficiencia de una máquina térmica: e = 1 - QC QH TC TH El coeficiente de rendimiento de un refrigerador:

1. Dirección de los procesos termodinámicos Los procesos en la naturaleza son irreversibles. Todo sistema tiende a un estado menos ordenado. Procesos idealizados Cuasiestáticos: se produce un cambio de estado mediante variaciones infinitesimales de las condiciones del sistema. Sucesión de estados de equilibrio. Reversibles: una pequeña modificación de las condiciones del sistema puede cambiar la dirección del proceso

Primeras ideas sobre irreversibilidad Si se desplaza un sistema del estado de equilibrio, sus parámetros varían con el tiempo. Al cabo de un cierto tiempo, volverá a su estado inicial (debido a la 1ª Ley) Relajación: proceso de pasar de un estado fuera del equilibrio a otro en equilibrio se denomina relajación. El tiempo asociado se designa como tiempo de relajación (τ=Tau) 09-11-2018 Dr.-Ing. fernando Corvalán Quiroz

2. Entropía Es una medida cuantitativa del desorden Se define el cambio infinitesimal de entropía dS durante un proceso reversible como La entropía es una función de estado del sistema. Para calcular la variación de entropía en procesos irreversibles basta encontrar un camino reversible que conecte los estados inicial y final del sistema. S = [J/K]

5. Otras Formulaciones Máquina térmica (Kelvin): Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirlo en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo. Refrigerador térmico (Clausius): Es imposible un proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un objeto a otro de mayor temperatura. Th Refrigerador Qh Tc Qc T Máquina Q W No es posible No es posible