Segunda Ley de la Termodinámica Enunciados de Kelvin-Planck y Clausius

Fundamento. Suponga que un trozo de metal caliente se coloca en un recipiente aislado que contiene agua fría. Se transferirá calor del metal al agua y al final ambos llegaran un equilibrio térmico. En un sistema térmicamente aislado, la energía total del sistemas es constante. ¿Podría haberse transferido calor del agua fría al metal caliente, en vez de al revés?

No hay ley de la naturaleza que lo establezca... Generalidades Hasta hoy, ha sido imposible diseñar una Maquina Térmica que solo intercambie calor con un Deposito de energía (a una temperatura determinada), lo que transforme íntegramente en trabajo y además opere cíclicamente. Para una maquina térmica que produce trabajo, se necesitan al menos 2 depósitos de energía (a diferentes temperatura), siendo uno de ellos un captador de calor. TA QA W QB TB No hay ley de la naturaleza que lo establezca... Experiencia de los tres últimos siglos...

William Thomson (Lord Kelvin) “Es imposible conseguir, por medio de alguna sustancia inanimada, un efecto mecánico con el enfriamiento de una porción de materia hasta una temperatura más baja que la del más frío de los objetos circundantes.” TA QA W QB TB

Max Planck “Es imposible la construcción de una máquina que opere en ciclos y que no produzca otro efecto que la elevación de una masa (W) y el enfriamiento de un DT” TA QA W QB TB

Kelvin - Planck “Es imposible cualquier proceso que tenga como único resultado la absorción de calor de un Deposito de Energía y su conversión completa en W” TA QA W QB TB

Rudolph Clausius “No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la transmisión de calor desde un cuerpo con una temperatura baja (TB) hacia otro con una temperatura alta (TA).” TA QA QB TB ¿Y el trabajo?

Comprobación que al no cumplir K-P tampoco se cumple Clausius QA QA 1 2 W QB QB TB Clausius K-P La Maquina térmica (T-1) recibe QB del Deposito de energía TB y envía QA al Deposito de energía a TA, exactamente ese mismo QA es enviado a la Maquina térmica (T-2) , porque Deposito de energía a TA debe mantener su temperatura constante.

La Maquina térmica (T-2) realiza W, por lo que rechaza QB´, que debe ser menor a QB. Si QB´ < QB el Deposito de energía a TB terminaría enfriándose, y TB no podría ser constante.

No tienen deducción científica Provienen de la experiencia Constituyen los postulados de la 2a LEY DE LA TERMODINÁMICA

Relación entre la 2a Ley, y la Dirección Preferida Proceso reversible: no ocurre en la realidad... “AQUEL QUE UNA VEZ EFECTUADO, ES POSIBLE LOGRAR QUE SISTEMA Y ALREDEDORES RETORNEN A SUS ESTADOS INICIALES RESPECTIVOS.” gasolina gases de combustión auto en x1  auto en x2

Causas que alejan a los procesos de la reversibilidad Diferencia de valor en alguna propiedad:T, V, Ep, U, etc. ...desencadena los fenómenos Expansión de un gas: P Intensidad de corriente: V Caída de un objeto: Ep Transferencia de calor: T

Si el cambio es pequeño: las propiedades se mantienen uniformes Si el cambio es grande, súbito: las propiedades no se “acoplan”, no tienen un valor único, el estado termodinámico resulta indefinido, el “equilibrio termodinámico” toma mucho tiempo.

Si la suposición no viola la 2a Ley, entonces es reversible. Un proceso efectuado bajo ciertas restricciones o condiciones puede invertirse por alguna trayectoria, si ello implica violar la 2a Ley de la Termodinámica, entonces el proceso es irreversible. Si la suposición no viola la 2a Ley, entonces es reversible.

Todos los procesos que involucran fricción son irreversibles TA QA W QB TB La caída de la masa representa el trabajo introducido al sistema ¿Y el otro Deposito de energía a temperatura TB? Se viola K-P

La naturaleza si tiene una dirección preferida, que varía proporcionalmente con la calidad de la energía...              Calidad energética ...la dirección preferida de la naturaleza es hacia la degradación de la energía!!!!!

Existe una propiedad relacionada con la CALIDAD DE LA ENERGÍA, surge de la 2a Ley, pero no impacta nuestros sentidos....como U, que surge de la 1a Ley... ENTROPÍA... (S)

Entropía El primero en describir una propiedad que indica la dirección natural de un proceso fue el físico alemán RUDOLF CLAUSSIUS (1828-1888). Dicha propiedad es la entropía, que es un concepto multifacético, con muchas interpretaciones: 1) La entropía es una medida de la capacidad de un sistema para efectuar trabajo útil. Cuando un sistema pierde capacidad para efectuar trabajo, aumenta su entropía. 2) La entropía determina la dirección del tiempo. Es la flecha del tiempo que indica el flujo hacia delante de los sucesos y distingue los procesos pasados de los futuros.

3) La entropía es una medida del desorden 3) La entropía es una medida del desorden. Un sistema tiende naturalmente hacia un mayor desorden. Cuanto más orden haya, más baja será la entropía del sistema. 4) Está aumentando la entropía del universo.

Ciclo Reversible de Carnot Incluye el menor número de Depósitos Térmicos Consiste en cuatro procesos reversibles t Expansión isotérmica Q Q´ Compresión adiabática Expansión adiabática W´ W Q-W Q´-W´ to Compresión isotérmica to < t Q=Q´ W=W´

Calcula R si es un refrigerador Calcula C si es un calefactor Ejemplo 1 Una máquina ideal de Carnot trabaja entre un par de temperaturas constantes, el calor retirado a to es un tercio del calor rechazado a t. Calcula R si es un refrigerador Calcula C si es un calefactor

Ejemplo 2 Suponga una MT que opera con el ciclo reversible de Carnot entre los depósitos de temperatura T1= 800[ºC] y T2=25[ºC]. Se sabe que utiliza 1.2[mol] de aire y que durante la expansión isotérmica a la temperatura superior, el volumen que alcanza es el doble del volumen inicial. Considerando que la presión máxima en el ciclo es 1.5x105[Pa], determina: El calor durante el proceso de la expansión isotérmica. Indica si entra o sale del aire. El trabajo neto que entrega el ciclo.

{1Q2}= 7421.25[J] = 0.7222 Wneto=5359.43[J]

La eficiencia térmica máxima de esta máquina de vapor. Ejemplo 3 Una máquina de vapor tiene una caldera que opera a 500K, el calor cambia el agua líquida a vapor, el cual mueve un pistón. La temperatura de escape es la del aire ambiente, aproximadamente a 27ºC. Determina: La eficiencia térmica máxima de esta máquina de vapor. El trabajo máximo que puede realizar la máquina, en cada ciclo de operación, si la sustancia de trabajo recibe 200J de calor del depósito de temperatura alta durante cada ciclo.

= 0.3997  0.4 Wneto= 80[J]