Exposición 2da ley de la termodinámica

Exposición 2da ley de la termodinámica

Contenido

Antecedentes        2

Máquinas térmicas        2

Propiedades de las maquinas térmicas        3

Planteamiento del problema de las maquinas térmicas        3

Tipos de máquinas térmicas        4

Motor de combustión interna        4

Motor de combustión externa        4

Motor de reacción        5

Refrigeradores        5

Representación de ciclos        5

Procesos cerrado o cíclico        5

Ciclos disipativos        5

Ciclos reversibles        6

Ciclos irreversibles        6

Enunciados de la segunda ley de la termodinámica        6

Teorema de Carnot (ciclo con dos fuentes de calor)        7

Desigualdad de Clausius        7

Entropía        8

Bibliografía        9

Antecedentes

En 1824 un ingeniero francés llamado Sadi Carnot publicó un estudio sobre rendimiento teórico de las máquinas de vapor. Este libro (reflexiones sobre la potencia motriz del fuego) indicaba que para que una máquina termina produjera trabajo mecánico continuo debía intercambiar calor con 2 cuerpos a diferentes temperaturas, absorbiendo calor del cuerpo caliente y transfiriéndolo al cuerpo frio; sin un cuerpo frio al que se transfiera calor, la maquina no puede funcionar continuamente. Esta es la idea esencial de una de las formas de la segunda ley de la termodinámica. Cuando se publico el trabajo de Carnot tuvo poca influencia en la comunidad científica. En aquel tiempo estaba de modo la teoría del calórico, y su libro lo usaba estableciendo incorrectamente que el calor cedido al cuerpo frio es igual al absorbido por el cuerpo caliente. El libro de Carnot causo confusión por algún tiempo al redescubrirse de nuevo hacia 1840 por William Thompson (Lord Kelvin) y otros ya que, tras los resultados de Joule, la teoría del calórico estaba superada. Finalmente, alrededor de 1850 Thompson y Rudolf Clausius corrigieron el trabajo de Carnot de acuerdo con la primera ley de la termodinámica. (Levine, 1991)

Sus notas no fueron publicadas hasta 1878, mostraron que, de hecho, el creía que la teoría del calórico era falsa y planeo experimentos para demostrarlo. Estos incluían la agitación vigorosa de agua, mercurio y alcohol, y la medida de “la potencia motriz consumida y el calor producido”.  Las notas de Carnot decían que “el calor es simplemente potencia motriz o, mejor aún, movimiento, el cual ha cambiado su forma… la potencia motriz es, cuantitativamente, invariable en su naturaleza; nunca es producida o destruida”. Así de alguna forma podríamos considerar a Carnot como descubridor de la primera y segunda leyes, aunque sus conclusiones sobre el calor y el trabajo permanecieron sin publicar hasta que otros descubrieron la primera ley. (Young & Freedman, 2009)

Máquinas térmicas

Una máquina térmica o maquina de calor convierte parte de la energía térmica (movimiento aleatorio de las moléculas) de un flujo calorífico en energía mecánica macroscópica (trabajo).

La sustancia de trabajo (por ejemplo, el vapor en una maquina de vapor) se calienta en un cilindro y al expandirse mueve un pistón produciéndose trabajo mecánico. (Levine, 1991)

Resulta útil considerar dos depósitos con los que la sustancia de trabajo puede interactuar. Uno, llamado deposito caliente, representa la fuente de calor; puede dar a la sustancia de trabajo grandes cantidades de calor a temperatura constante sin cambiar apreciablemente su temperatura. El otro, llamado deposito frio, puede absorber grandes cantidades de calor desechado por la máquina a una temperatura constante menor.

En un sistema de turbina de vapor, las flamas y gases calientes de la caldera son el deposito caliente, y el agua fría y el aire empleado para condensar el valor usado son el depósito frío. (Young & Freedman, 2009)

Propiedades de las maquinas térmicas

1. Son cíclicas
2. Solo requieren del estudio de un ciclo
3. Una composición de máquinas es otra maquina
4. La maquina mas sencilla se conoce como maquina simple
5. Una maquina compleja se descompone en máquinas simples

Planteamiento del problema de las maquinas térmicas

Para que la maquina funcione continuamente, el fluido motriz tiene que enfriarse hasta recuperar su temperatura original, y el pistón debe volver a su posición inicial antes de calentar el fluido motriz de nuevo y obtener otra expansión que reduzca trabajo. El fluido motriz sigue un proceso cíclico. Los aspectos esenciales del ciclo son la absorción del calor QC por el fluido desde un cuerpo caliente, la realización de un trabajo -W por el fluido sobre los alrededores, y la transmisión del calor -Qf desde el fluido motriz a un cuerpo frio, que conlleva la vuelta del fluido motriz a su estado inicial al finalizar el ciclo.

La cantidad de W es negativa porque la maquina realiza un trabajo positivo sobre sus alrededores; Qf  es negativo, porque el calor positivo fluye desde el sistema al cuerpo frio.

La energía consumida por ciclo es el calor consumido por la maquina Qc (Levine, 1991), entonces la eficiencia térmica representa la fracción de Qc  que si se convierte en trabajo. Dicho de otro modo,  es lo que se obtiene dividido entre lo que se paga, y siempre es menor que 1. La máquina más eficiente es aquella e la que el ramal que representa la salida del trabajo es lo mas ancho posible, y la tubería de escape que representa el calor desechado es lo más angosta posible. (Young & Freedman, 2009)[pic 1]

[pic 2]

Tipos de máquinas térmicas

Motor de combustión interna

El motor de gasolina, empleado en automóviles y muchos otros tipos de maquinaria, es un ejemplo común de máquina térmica. La manera en la que funcionan estos motores de cuatro tiempos se divide en cinco pasos:

1. carrea de admisión: el pistón baja, creando un vacío parcial en el cilindro; una mezcla aire-gasolina entra en el cilindro por la válvula de admisión abierta.
2. Carrera de compresión: la válvula de admisión se cierra y la mezcla se comprime al subir el pistón.
3. Encendido: la bujía enciende la mezcla de aire-gasolina.
4. Carrera de potencia: la mezcla quemada se expande y empuja el pistón hacia abajo.
5. Carrera de escape: la válvula de escape se abre y el pistón sube expulsando la mezcla quemada hacia afuera del cilindro, por lo que el motor queda listo para la siguiente carrera de admisión. (Young & Freedman, 2009)

Motor de combustión externa

La maquina de vapor fue la primera en convertir energía térmica en mecánica. Su funcionamiento se basa en calentar agua a alta presión para elevar su temperatura hasta un vapor saturado. Una vez sobrecalentado ese vapor se deja escapar por un cilindro que convierte la energía mecánica. Se vuelve a condensar el agua y esta otra vez preparada para ser enviada por la bomba al calentador. Un ejemplo son las plantas termoeléctricas. (Rodriguez, 2011)

...