Termodinamica

Índice.

4.1 Introducción a la segunda ley de la Termodinámica…………………...4

4.2 Depósitos de energía térmica………………………………………….....6

4.3 Máquinas térmicas…............................................................................7

4.4 Refrigeradores y bombas de calor……………………………………….9

4.5 Proceso reversible e irreversible………………………………………..12

4.6 El ciclo de Carnot y principios Carnot…………………………………..14

4.7 La escala termodinámica de temperatura……………………………...16

4.8 La máquina térmica de Carnot…………………………………………..18

4.9 El refrigerador y la bomba de Carnot…………………………………...21

4.10 La desigualdad de Clausius…………………………………………….26

4.11 Entropía…………………………………………………………………...27

4.12 El principio del incremento de entropía……………………………….29

4.13 Diagramas T-S y H-S……………………………………………………31

4.14 Las relaciones TdS………………………………………………………32

4.15 El cambio de entropía de sustancias puras…………………………..33

4.16 El cambio de entropía de líquidos y sólidos………………………….34

4.17 El cambio de entropía en gases ideales……………………………...35

4.18 Eficiencias adiabáticas de algunos dispositivos de flujo

permanente………………………………………………………………36

4.19 Balance general de entropía…………………………………………...37

4.1 Introducción a la segunda ley de la termodinámica.

La termodinámica trata las transformaciones de la energía y sus leyes describen los límites dentro de los cuales se observa que ocurren dichas transformaciones. La primera ley establece que la energía se conserva en cualquier proceso y no impone ninguna restricción con respecto a la dirección en la que ocurre éste. Sin embargo, la experiencia indica la existencia de esta restricción, cuya formulación completa los fundamentos de la termodinámica y cuya expresión concisa constituye la segunda ley.

Con fines ilustrativos, considere una planta generadora de vapor en la que se suministra cierta cantidad de calor a la caldera mientras la turbina realiza trabajo. Al mismo tiempo, otra cantidad de calor se disipa en el condensador para transformar en condensado el vapor húmedo que descarga la turbina.

Esta pérdida de calor en el condensador no es justificable en apariencia, pues, si se eliminara este último, tal vez se podría obtener un ahorro sustancial en la energía que se suministra a la caldera. Un balance de energía, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, indica que la potencia neta desarrollada por la turbina sería igual al flujo de calor añadido en la caldera, y la eficiencia térmica de 100%. Todos los intentos realizados en esta dirección han resultado inútiles.

Considere ahora el siguiente ejemplo. Se desea comprimir aire de forma adiabática desde una presión de 1 bar y una temperatura de 20°C, hasta una presión de 10 bar y una temperatura de 40°C.

¿Es posible realizar este proceso usando solamente un compresor? La primera ley de la termodinámica es incapaz de resolver esta incógnita, y más aún, un mero balance de energía podría predecir de manera incorrecta la potencia necesaria para realizar el supuesto proceso.

Enunciados de segunda ley.

Las observaciones descritas anteriormente son resultado de la restricción impuesta por la segunda ley a las direcciones en las que ocurren los procesos reales. Es posible formular muchos enunciados que describan esta restricción y que, por tanto, sirvan como enunciados de la segunda ley. Dos de los más comunes son los siguientes:

1. Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus alrededores) sea convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema.

2. No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia. De calor de un nivel de temperatura a otro mayor.

El primer enunciado no afirma que el calor no pueda convertirse en trabajo; lo único que el proceso no puede hacer es dejar tanto al sistema como a sus alrededores sin cambio alguno. Considérese un sistema formado por un gas ideal contenido en un cilindro con pistón que se expande de manera reversible a temperatura constante. El trabajo producido puede evaluarse con la expresión ∫PdV y para un gas ideal, AU = 0. Por tanto, de acuerdo con la primera ley, el calor absorbido por el gas de sus alrededores es igual al trabajo producido por la expansión reversible del gas. A primera vista lo anterior parece ser una contradicción del primer enunciado, ya que en los alrededores el único resultado es la conversión completa de calor en trabajo. Sin embargo, el enunciado de la segunda ley requiere que no exista un cambio en el sistema, requisito que no se cumple.

Este proceso está limitado de otra manera, ya que la presión del gas pronto alcanza la de los alrededores, con lo que la expansión cesa. Por consiguiente, con este método es imposible la producción continua de trabajo a partir del calor. Si se restaura el estado original del sistema con la finalidad de cumplir con las condiciones del primer enunciado, entonces se necesita energía de los alrededores en forma de trabajo para comprimir el gas de regreso a su presión original.

Es evidente entonces que el primer enunciado puede expresarse también como: Es imposible que un proceso cíclico convierta completamente el calor absorbido por un sistema en trabajo hecho por el sistema.

La palabra cíclico requiere que el sistema recupere periódicamente su estado original. Si se repite el proceso, entonces éste se convierte en un proceso cíclico. La restricción a procesos cíclicos en el enunciado la toma en cuenta la misma limitación introducida por las palabras único efecto del enunciado 1.

La segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a partir del calor, pero coloca un límite sobre la fracción de calor que en cualquier proceso cíclico puede convertirse en trabajo.

4.2 Depósitos de energía térmica.

Recibe este nombre un cuerpo hipotético con una capacidad de energía térmica grande (masa por calor específico) que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que sufran ningún cambio de temperatura.

En la práctica los grandes cuerpos de agua en los océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico pueden modelarse como depósitos de engría térmica, debido a sus grandes capacidades de almacenamiento de energía térmicas o de masas térmicas.

Un sistema de dos fases también puede modelarse como un depósito puesto que absorbe y libera grandes cantidades de calor y se mantiene a temperaturas constantes.

Otro ejemplo de depósito de

energía térmica es el horno industrial. Las temperaturas de la mayor parte de los hornos son controlados con gran cuidado y son capaces de suministrar grandes cantidades de energía térmica de una manera especialmente isotérmica.

En realidad, un cuerpo no tiene que ser muy grande para ser considerado como un depósito. Cualquier cuerpo físico cuy capacidad de energía térmica sea grande respecto a la cantidad de energía que suministra y absorbe puede modelarse como un deposito.

Un depósito que suministra energía en forma de calor, recibe el nombre de fuente y uno que absorbe energía en forma de calor se denomina sumidero. Los depósitos de energía térmica se conocen como depósitos de calor, el manejo irresponsable de la energía de desecho puede aumentar de modo significativo la temperatura de ciertas partes del ambiente y provocar lo que se llama contaminación térmica.

4.3 Máquinas Térmicas.

El planteamiento clásico de la segunda ley se fundamenta en un punto de vista macroscópico de las propiedades, que es independiente de cualquier conocimiento de la estructura de la materia o comportamiento de las moléculas. Este planteamiento se origina del estudio de las máquinas térmicas, que son dispositivos o máquinas que producen trabajo a partir del calor en un proceso cíclico. Un ejemplo es una planta termoeléctrica en la que el fluido de trabajo (H20) regresa periódicamente a su estado original. Este ciclo (en su forma más simple) se compone de las etapas siguientes:

* El agua líquida se bombea desde un condensador hacia una caldera a presión alta.

* El calor de un combustible (calor de combustión de un combustible fósil o calor de una reacción nuclear) se transfiere en la caldera al agua, convirtiendo en vapor de alta temperatura a la presión de la caldera.

* La energía se transfiere como trabajo de flecha, a través del vapor hacia los alrededores, mediante un dispositivo tal como una turbina, en la cual el vapor se expande hasta la presión y temperatura reducidas.

* El vapor que sale de la turbina se condensa mediante transferencia de calor hacia los alrededores,

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