LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CAPÍTULO 20 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

PREGUNTAS PARA ANÁLISIS

Ya que no podemos realizar un proceso al revés, porque ya hemos aplicado calor

20.2 Cite dos ejemplos procesos reversibles y dos de procesos irreversibles en sistemas puramente mecánicos, como bloques que se deslizan por planos, resortes, poleas y cuerdas. Explique qué hace a cada proceso reversible o irreversible.

Procesos irreversibles:

• Al deslizar un libro sobre una mesa se concierte la energía cinética en energía mecánica.

• El proceso en el cual se derrite el hielo es irreversible, si lo colocamos en una caja metálica caliente el calor fluye de la caja al hielo y al agua; nunca al revés.

Procesos reversibles:

• En la caja metálica se puede derretir el hielo pero si aumentamos o reducimos infinitesimalmente la temperatura de la caja, podemos hacer que el calor fluya de la caja hacia el hielo derritiendo este, o hacia la caja desde el agua volviendo a congelar ésta.

• Cualquier cambio de estado que se presente podría ser irreversible modificando inicialmente las condiciones iniciales; el flujo de calor entre dos cuerpos cuyas temperaturas difieren solo infinitesimalmente pueden revertirse haciendo un cambio muy pequeño en la temperatura.

20.3. ¿Qué procesos irreversibles se efectúan en un motor de gasolina? ¿Por qué son irreversibles?

Estrangulación

Fricción

Pérdidas de calor por conducción

Por que ocurren en una sola dirección y además no permiten alcanzar el aprovechamiento máximo de combustible.

20.4 Suponga que trata de enfriar su cocina dejando abierta la puerta del refrigerador. ¿Qué sucede? ¿Por qué? ¿El resultado sería el mismo si se dejara abierta una hielera llena de hielo? Explique las diferencias, si las hay.

El refrigerador extrae calor del interior y lo cede a la parte exterior; si se abre la puerta del refrigerador, el calor extraído de la cocina se devuelve ampliamente a esta y por ende en lugar de enfriarla se la calentará.

20.5. Un congresista de Estados Unidos sugirió un plan para generar energía. Se rompen moléculas de agua para producir hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se quema (se combina con el oxigeno) para liberar energía. El único producto de esta combustión es agua, así que no hay contaminación. A la luz de la segunda ley de la termodinámica, ¿qué piensa usted de este plan?

El plan no podría realizarse como el congresista lo propone, porque si bien es cierto una molécula de agua si se puede romper para producir hidrógeno y oxigeno usando cierta energía, el proceso inverso requeriría la misma energía por lo cual el plan no tendría sentido. Si se logra crear este proceso de forma artificial, entonces no sólo se conseguiría una fuente inagotable de energía renovable, sino que se resolverían todos los problemas. Ya que se estaría liberando oxígeno, se consumiría dióxido de carbono, y el hidrógeno liberado también podría utilizarse como combustible.

20.6 convertir energía mecánica totalmente en calor, ¿viola la segunda ley de la termodinámica? ¿Y convertir calor totalmente en trabajo?

No viola la segunda ley solo limita la disponibilidad de la energía y las formas en que puede usarse y convertirse.

Es imposible construir una maquina térmica que convierta calor totalmente en trabajo, es decir, una maquina con eficiencia termina del 100%.

20.7 Imagine un filtro de aire especial colocado en la ventana de una casa. Los diminutos orificios en el filtro solo permiten la salida de moléculas de aire cuya rapidez sea mayor que cierto valor, y solo permite la entrada de moléculas cuya rapidez sea menor que ese valor. Explique porque tal filtro enfriaría la casa y por que la segunda ley de la termodinámica imposibilita la construcción de semejante filtro.

Permite el enfriamiento porque funciona como un refrigerador, absorbiendo una temperatura caliente del exterior y la enfría para que entre en una casa. La construcción de uno de estos filtros sería muy complicada porque sería un proceso intermedio y estos casi no se pueden dar.

20.08 El eje de un motor eléctrico esta acoplado al de un generador eléctrico. El motor impulsa al generador, y una de la corriente de este opera el motor. El resto de la corriente se usa para iluminar una casa. ¿Qué defecto tiene este esquema?

Por el hecho de que la corriente sea menor la iluminación no va hacer igual que al cundo la corriente este a su máxima capacidad.

20.9 Si un trapo mojado se cuelga en el desierto, donde hay viento caliente, se enfría por evaporación a una temperatura hasta 200 C menor que el aire. Analice a la luz de la segunda ley de la termodinámica.

Fluye el calor del interior frío porque esta mojado el trapo, al exterior cálido. La segunda ley de la termodinámica dice que no puede haber un flujo espontáneo de calor de un cuerpo frío a uno caliente.

20.10. Compare el diagrama pV para el ciclo Otto en la figura 20.6 con el diagrama para la máquina térmica de Carnot de la figura 20.13.Explique algunas diferencias importantes entre los dos ciclos.

Ciclo Otto.- Un modelo idealizado de los procesos termodinámicos de un motor a gasolina adiabáticamente. Este gas sale del motor pero, dado que entra una cantidad de aire y gasolina equivalente, podemos considerar que el proceso es cíclico.

Ciclo de Carnot.- Consiste en dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos, todos reversibles.

20.11. If no real engine can be as efficient as a Carnot engine operating between the same two temperatures, what is the point of developing and using Eq. (20.I4)?

Para conocer la dependencia de la eficiencia en la máquina de Carnot, que está sólo dada por la diferencia de temperaturas de las fuentes TH y TC, si la diferencia es grande la eficiencia será mayor, y será muy pequeña cuando las temperaturas son casi iguales; además para tener un modelo con el cual idealizar el trabajo de una máquina térmica.

20.12. La eficiencia de una maquina de calor es alta cuando la diferencia de temperatura entre el reservorio frio y caliente es grande. Refrigeradores en la otra mano, trabajan mejor cuando la diferencia de temperatura es pequeña. Pensando en

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