Segunda Ley De La Termodinamica

Índice

Objetivo 3

Introducción 3

La segunda ley de la Termodinámica 4

Postulado de Clausius (refrigeradores) Kelvin-Planck 4

Proceso reversible y las causas de Irreversibilidad 6

Teorema De Carnot 8

La Desigualdad de Clausius como

consecuencia de la 2da ley 12

La Entropía 16

Diagrama de fase(s,t) y (s,h) o de Mollier 17

Generación de entropía. Balance de entropía 20

La eficiencia isentrópica de equipos: turbinas,

compresores y bombas 21

El trabajo útil: las funciones de Helmholtz y de Gibbs 24

Conclusiones 25

Problemas 26

Bibliografía 34

Objetivo

Con este trabajo se pretende explicar brevemente la segunda ley de la termodinámica, sus componentes, funcionamiento y aplicaciones. Así como comprender la manera en la cual se relaciona con los fenómenos donde existe una transferencia de calor, así como la diferencia entre los fenómenos que son planteados de forma “ideal” y el comportamiento que ocurre con los fenómenos en la vida cotidiana; ya que los resultados experimentales jamás pueden ser iguales a los “ideales” puesto que no se pueden crear las condiciones en las que la presión permanece constante, esto mencionando sólo un ejemplo. Por lo tanto en este trabajo se explicará la forma en la cual ocurren estos fenómenos realmente.

Introducción

Aquí se hablará y explicará cómo está conformada la segunda ley de la termodinámica pasando por el postulado de Clausius el postulado de Kelvin-Planck. Así como los procesos reversibles e irreversibles y el teorema de Carnot y acabare definiendo y resaltando la propiedad más importante de esta ley y de todos los fenómenos donde hay transferencia de calor, la entropía comúnmente se define como energía que no es capaz de realizar un trabajo. La entropía es la base de la segunda ley de la termodinámica. Así como se explicara los fenómenos termodinámicos más sorprendentes, porque existen reglas que se aplican a solamente algunos procesos específicos y las limitaciones que presenta el hombre ante las hipótesis creadas por la teoría.

La segunda ley de la termodinámica

Es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transformación tanto en la energía como en la materia. La segunda ley de la termodinámica únicamente se refiere a procesos que se encuentran en equilibrio. Para dar una explicación de esta ley tenemos el siguiente el ejemplo; tomemos en cuenta la vida de las estrellas que convierten hidrógeno en helio y con este fenómeno generan luz y calor, al fusionar los núcleos de hidrógeno en su interior la estrella libera la energía suficiente para producir la intensidad, por otro lado si fusionamos los núcleos de Helio no liberarán la misma cantidad de energía. Este ejemplo también puede usarse para explicar el fin del universo ya que en este caso la estrella fusiona los núcleos de un elemento para obtener otro elemento que presenta menos eficiencia para obtener energía y por ende muere. Esta ley fue conceptualizada a mediados de la Revolución industrial al explicar el fenómeno de calentamiento de una caldera para lo cual era necesario emplear combustible a mayor temperatura ya que un objeto frio siempre roba calor de un objeto caliente.

El postulado de Clausius, Planck y Kelvin

Postulado de Clausius

Este enunciado dice que:

“Es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a una temperatura más elevada”

Para un mejor entendimiento o explicación de este postulado podemos dar el siguiente ejemplo con la siguiente figura que opera entre los límites de temperatura de Tc y Tf.

La desigualdad de Clausius es representada por la siguiente ecuación:

∮▒〖dQ/T≤0〗

La cual puede ser aplicada para cualquier maquina térmica reversible o irreversible, para un mejor entendimiento de esta fórmula demos el siguiente ejemplo desarrollado:

El funcionamiento de una nevera: En un refrigerador o bomba de calor, el motor toma energía calorífica del reservorio frio y la deposita en el reservorio caliente junto con energía extra procedente del trabajo que emplea el motor para realizar la tarea y de esta manera cumplir con la primera ley de la termodinámica. Pero en el caso de la nevera esta utiliza energía eléctrica para producir trabajo que luego es empleado para sacar el calor del interior al exterior.

Postulado de Kelvin-Planck

Este postulado se enuncia de la siguiente forma:

“Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo”.

Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una máquina que convierta todo el calor en trabajo pero excluye la posibilidad de construir una máquina que convierta todo el trabajo en calor.

El enunciado de Kelvin y Planck también establece que el rendimiento de una máquina térmica es siempre menor a la unidad esto queda mejor explicado por medio del Teorema de Carnot que es equivalente, el teorema de Carnot establece que el rendimiento de una máquina térmica nunca puede ser superior al de una máquina térmica reversible donde el valor máximo del rendimiento está muy por debajo de la unidad. Ya que si crea una máquina capaz de violar el enunciado de Kelvin-Planck esta máquina produciría una disminución de entropía del universo lo cual es imposible debido a los resultados arrojados por la siguiente fórmula que relaciona la idea anteriormente planteada:

Lo que define este proceso imposible.

Y este enunciado nos lleva al tema de la irreversibilidad en un proceso el cual definiremos como proceso reversible.

Proceso reversible y las causas de irreversibilidad

Un proceso reversible es aquel proceso donde se modifica un sistema termodinámico desde un estado en equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final y después de se puede lograr llevar el proceso final al inicial; eso es, un proceso reversible.

En la realidad estos procesos no existen, ya que no es posible eliminar por completo los efectos disipativos, como la fricción, que produzcan calor o efectos que tiendan a perturbar el equilibrio, como la conducción de calor por diferencia de temperatura.

A esta característica de todos los fenómenos termodinámicos se llama Irreversibilidad que se define como el hecho de que un sistema termodinámico de moléculas interactivas es trasladado de un estado termodinámico a otro lo cual dará como resultado las configuración de los átomos y durante este proceso existe cierta disipación de energía la cual es imposible recuperar en tal caso de que se quiera revertir el proceso.

Para que un proceso sea reversible se necesitan varios factores como los siguientes:

Producir lentamente el trabajo.

Disponer de muchos baños térmicos.

Para los procesos reversibles han existido muchas diagramas y experimentos que demuestran cómo sería una maquina con procesos reversibles y un gran aporte dentro de este fenómeno es el Teorema de Carnot.

CAUSAS DE IRREVERSIBILIDAD:

Existen numerosas causas de irreversibilidad, que pueden ser externas o internas.

Las cuales se explicarán a continuación.

Irreversibilidad interna: Es la que se produce dentro del sistema, debido a que éste no se encuentra en equilibrio. Por ejemplo, al comprimir un gas bruscamente, el gas próximo al pistón posee una presión mayor que los puntos alejados (produciéndose una onda de sonido). En este momento el gas no se encuentra en equilibrio (no existe la “presión del sistema”) y evoluciona de forma irreversible. Otro ejemplo sería la inmersión de un trozo de hielo en agua caliente, la diferencia finita de temperaturas entre partes de un sistema provoca irreversibilidad

Irreversibilidad externa: Es aquella en la que probablemente el sistema evoluciona reversiblemente, es decir, su temperatura varía lentamente (como le ocurre a una taza de café caliente puesta en contacto con el exterior), pero aun así el proceso es irreversible porque la interacción con el entorno es irreversible (en el caso de la taza de café, porque existe una diferencia finita de temperaturas entre la café y el ambiente).

Irreversibilidad mecánica:

Externa: Se deben a la transformación de trabajo en calor por la interacción del sistema con el entorno. El ejemplo más sencillo es la fricción. Consideremos el movimiento de ida y vuelta de un pistón en un cilindro, que roza tanto a la ida como a la vuelta. Es un proceso cíclico que transforma trabajo en calor. Su inversión significaría la transformación cíclica de calor en trabajo, lo que es imposible. Por ello, todo proceso mecánico que implique fricción (esto es, todos) es irreversible.

Interna: Se debe a la conversión de trabajo en calor en el interior del sistema. Puede ser por fricción interna. Otro ejemplo es la expansión libre de un gas (el experimento de Joule). No hay trabajo ni intercambio

de calor con el sistema, pero el proceso es irreversible.

Irreversibilidad térmica:

Externa: Se debe al intercambio de calor

...