Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 1.

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1 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 1 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA - 2 Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales

2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 2 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Algunas características generales de procesos espontáneos o naturales...

3 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 3 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Procesos naturales Expansión sin trabajo no restringidaExpansión sin trabajo no restringida Expansión con trabajo externo.Expansión con trabajo externo. Transferencia estable de calor sin trabajoTransferencia estable de calor sin trabajo

4 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 4 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Expansión no restringida Pistón sin fricción, diatérmico AIRE 1 KG 5 BARS 350 K Movimiento del separador con transferencia de calor Dióxido de Carbono 3 kg 2 bars 450 K Aislamiento Aire CO 2

5 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 5 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Aire CO 2 Air CO 2 Aire

6 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 6 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Air CO 2 Aire El estado de equilibriofinal

7 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 7 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Una vez que la expansión ha ocurrido, el proceso inverso, i.e., comprensión espontánea, no sucede.Una vez que la expansión ha ocurrido, el proceso inverso, i.e., comprensión espontánea, no sucede. La expansión no puede invertirse sin la acción de un dispositivo externo.La expansión no puede invertirse sin la acción de un dispositivo externo. Dos observaciones acerca del proceso

8 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 8 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Un equipo externo para restaurar el estado inicial... Air CO 2 Aire El peso cae y hace girar las aspas, que calientan el CO 2. Ocurre una transferencia de trabajo interna entre el aire y el CO 2 para restaurar la condición inicial.

9 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 9 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Air CO 2 Aire Para elevar el peso se requiere una fuente de trabajo externa... Una máquina de calor cíclica eleva el peso.

10 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 10 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales El dispositivo externo cíclico La máquina externa que eleva el peso ocasiona una eliminación de calor hacia el ambiente. Su eficiencia térmica (primera ley) es menor térmica (primera ley) es menor que uno (  < 1) que uno (  < 1)

11 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 11 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Expansión con trabajo externo Resorte, k = 700 lb f /ft Suministro de Aire 100 psi 80 o F Estado inicial del sistema

12 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 12 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Resorte, k = 700 lb f /ft Suministro de Aire 100 psi 80 o F Estado final del sistema

13 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 13 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Un proceso para recuperar la energía almacenada en el resorte... El mismo gas a la T y P del gas del proceso de llenado.

14 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 14 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Transferencia estable de calor sin transferencia de trabajo

15 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 15 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Adición de una bomba de calor cíclica para traer de regreso calor al almacenamiento de alta temperatura. Se necesita trabajo externo.

16 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 16 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Más allá de las ideas fundamentales...

17 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 17 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales Existe una dirección natural de todos los procesos hacia un estado de menor energía potencial para realizar trabajo.Existe una dirección natural de todos los procesos hacia un estado de menor energía potencial para realizar trabajo.

18 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 18 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales En todos los procesos y dispositivos cíclicos hay una tendencia para producir energía irrecuperable para producir o consumir trabajo.En todos los procesos y dispositivos cíclicos hay una tendencia para producir energía irrecuperable para producir o consumir trabajo.

19 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 19 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales La ineficiencia térmica es parte de todos los procesos y ciclos: siempre se desperdicia algo de calor o trabajo.La ineficiencia térmica es parte de todos los procesos y ciclos: siempre se desperdicia algo de calor o trabajo.

20 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 20 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales No son posibles máquinas de movimiento perpetuo, específicamente máquinas que utilicen toda la energía de un almacenamiento y la conviertan en trabajo.No son posibles máquinas de movimiento perpetuo, específicamente máquinas que utilicen toda la energía de un almacenamiento y la conviertan en trabajo.

21 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 21 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales ¿Qué puede producir trabajo? Diferencias de temperatura.Diferencias de temperatura. Diferencias de presión.Diferencias de presión. Diferencias de carga eléctrica.Diferencias de carga eléctrica. Diferencias de potencial eléctrico.Diferencias de potencial eléctrico. Diferencias de composición química (potencial químico). Diferencias de composición química (potencial químico).

22 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 22 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales El gasto de energía Una vez realizado el trabajo, estas diferencias no se pueden restablecer (i.e., la capacidad de realizar trabajo) sin proporcionar energía adicional (trabajo o calor).Una vez realizado el trabajo, estas diferencias no se pueden restablecer (i.e., la capacidad de realizar trabajo) sin proporcionar energía adicional (trabajo o calor).

23 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 23 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Máquinas cíclicas de calor...

24 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 24 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales La máquina cíclica de calor: análisis S1S1 V p S2S2

25 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 25 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Para cada proceso en el ciclo pV Proceso de expansión V1V1V1V1 V2V2V2V2 p2p2p2p2 p1p1p1p1 1 2 2 p V V1V1V1V1 V2V2V2V2 p2p2p2p2 p1p1p1p1 1 Proceso de compresión

26 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 26 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ambiente Sistema Q 2-1 Q 1-2 W 1-2 +W 2-1 = W Ciclo

27 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 27 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Eficiencia de la “primera ley”

28 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 28 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Almacén de alta temperatura, T A Q1Q1 Q2Q2 Almacén de baja temperatura, T B Observación: las máquinas de calor cíclicas que son prácticas siempre eliminan algún calor hacia el ambiente.

29 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 29 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Bases observacionales de la segunda ley...

30 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 30 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturalesObservación El calor no fluirá espontáneamente de una temperatura fría a una más caliente.

31 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 31 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturalesObservación Una máquina de calor cíclica no puede operar con un almacenamiento de calor. Tabajo durante el ciclo, W Ciclo Q1Q1 Almacenamiento de calor Obsérvese que si Q 1 = W Ciclo, entonces es posible una máquina perpetua!

32 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 32 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Clausius de la segunda ley...

33 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 33 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Clausius Para cualquier sistema es imposible operar de modo que el único resultado sea una transferencia de energía por medio de calor de un cuerpo frío a uno caliente.

34 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 34 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Kelvin- Planck de la segunda ley...

35 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 35 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Kelvin-Planck Para cualquier sistema es imposible operar en un ciclo termodinámico y distribuir una cantidad neta de trabajo a su ambiente mientras recibe energía por medio de transferencia de calor de un almacenamiento térmico único.

36 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 36 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturalesPreguntas ¿Se puede probar la veracidad o falsedad del enunciado de Kelvin-Planck?¿Se puede probar la veracidad o falsedad del enunciado de Kelvin-Planck? ¿Se puede probar si el enunciado de Clausius es cierto o falso?¿Se puede probar si el enunciado de Clausius es cierto o falso? ¿De algún modo son equivalentes los dos enunciados?¿De algún modo son equivalentes los dos enunciados?

37 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia 37 La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Términos y conceptos clave Enunciado de Clausius Ineficiencias Enunciado de Kelvin-Planck Segunda ley de la termodinámica Procesos espontáneos