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2da Ley de la Termodinámica 1 Fuente

https://es.wikipedia.org/wiki/Segundo_principio_de_la_termodin%C3%A1mica

El segundo principio de la termodinámica o segunda ley de la termodinámica, expresa que: La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo. Es una de las leyes más importantes de la física; aun pudiéndose formular de muchas maneras todas llevan a la explicación del concepto de irreversibilidad y al de entropía. Este último concepto, cuando es tratado por otras ramas de la física, sobre todo por la mecánica estadística y la teoría de la información, queda ligado al grado de desorden de la materia y la energía de un sistema. La termodinámica, por su parte, no ofrece una explicación física de la entropía, que queda asociada a la cantidad de energía no utilizable de un sistema. Sin embargo, esta interpretación meramente fenomenológica de la entropía es totalmente consistente con sus interpretaciones estadísticas. Así, tendrá más entropía el agua en estado gaseoso con sus moléculas dispersas y alejadas unas de las otras que la misma en estado líquido con sus moléculas más juntas y más ordenadas. El primer principio de la termodinámica dictamina que la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sino que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros tales como la temperatura o la propia entropía quedarán definidos únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio, cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el sistema era aislado, su energía y cantidad de materia no han podido variar; si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe aumentar exponencialmente. Aplicado este concepto a un fenómeno de la naturaleza como por ejemplo la vida de las estrellas, las mismas, al convertir el hidrógeno, su combustible principal, en helio generan luz y calor. Al fusionar los núcleos de hidrógeno en su interior la estrella libera la energía suficiente para producirlos a esa intensidad; sin embargo, cuando intenta fusionar los núcleos de Helio no consigue liberar la misma cantidad de energía que obtenía cuando fusionaba los núcleos de hidrógeno. Cada vez que la estrella fusiona los núcleos de un elemento obtiene otro que le es más inútil para obtener energía y por ende la estrella muere, y en ese orden de ideas la materia que deja atrás ya no servirá para generar otra estrella. Es así como el segundo principio de la termodinámica se ha utilizado para explicar el fin del universo. Enunciados clásicos La segunda ley de la termodinámica ha sido expresada de muchas maneras diferentes. Clausius fue el primero, basándose en los resultados de Carnot: Es imposible que una máquina autónoma, sin ayuda de algún agente externo, transfiera calor de un cuerpo a otro más caliente.

It is impossible for a self-acting machine, unaided by any external agency, to convey heat from one body to another at a higher temperature.

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Clausius, originalmente en alemán (1850) y traducido por Kelvin. Desechada la teoría del calórico, en 1851, Kelvin ofrece un nuevo enunciado: Es imposible construir un dispositivo que, utilizando un fluido inerte, pueda producir trabajo efectivo causado por el enfriamiento del cuerpo más frío de que se disponga.

It is impossible. by means of inanimate material agency, to derive mechanical effect any portion of matter by cooling it below the temperature of the coldest of the surrounding objects.

Enunciado de Kelvin. Más tarde Planck, basándose en los estudios de Kelvin establece un enunciado muy sencillo: Es imposible construir una máquina que funcione con un periodo regular que no haga otra cosa que elevar un peso y causar el correspondiente enfriamiento de una fuente térmica.

It is impossible to construct a machine which functions with a regular period and which does nothing but raise a weight and causes a corresponding cooling of a heat reservoir.

Enunciado de Planck-Kelvin en 1897. Finalmente, en 1909, el enunciado más formal sería el del matemático Constantin Carathéodory En cada vecindad arbitrariamente próxima a un estado inicial dado, existen estados a los que, mediante procesos adiabáticos, no se pueden acercar tanto como se quiera.

In every arbitrarily close neighborhood of a given initial state exist states which cannot be aproached arbitrarily closely by adiabatic processes

C. Carathéodory en 1909. Algunos corolarios del principio, a veces empleados como enunciados alternativos, serían: «Ningún proceso cíclico es tal que el sistema en el que ocurre y su entorno puedan volver a la vez al mismo estado del que partieron». «En un sistema aislado, ningún proceso puede ocurrir si a él se asocia una disminución de la entropía total del sistema.» Corolario del principio, debido a Clausius. Visualmente, el segundo principio se puede expresar imaginando una caldera de un barco de vapor. Ésta no podría producir trabajo si no fuese porque el vapor se encuentra a temperaturas y presión elevadas comparadas con el medio que la rodea. Matemáticamente, se expresa así: 𝑑𝑠 ≥0 𝑑𝑡

Donde S es la entropía y el símbolo de igualdad sólo existe cuando la entropía se encuentra en su valor máximo (en equilibrio).

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2da Ley de la Termodinámica 2 Fuente http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica. El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos. La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. La primera ley tiene que ver con la cantidad y la transformación de la energía de una forma a otra sin importar su calidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. DEFINICIONES CLÁSICAS Definición de Kelvin-Planck “Es imposible construir un aparato que opere ciclicamente, cuyo único efecto sea absorver calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.

Fig. 2.19.Ilustración del enunciado de Kelvin Planck

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Definición de Clausius “Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”.

Fig. 2.20. Ilustración del enunciado de Clausius.

MÁQUINA TÉRMICA Es un aparato que opera continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta temperatura a otra de temperatura baja. La máquina térmica permite obtener un sistema que opera en un ciclo con un trabajo positivo y una transmisión de calor positiva.

Fig. 2.21. Máquina Térmica. La Figura 2.21 corresponde a un esquema de la central eléctrica de vapor la cual se encaja en la definición de máquina térmica. El esquema es bastante simplificado y el estudio de las centrales eléctricas de vapor reales, se estudia en el punto correspondiente al ciclo Rankine.

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Las diferentes cantidades que muestra la Figura 2.21 son: QH: cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera desde una fuente de alta temperatura (quemador de la caldera) QL: cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura (agua de enfriamiento) WT: cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina. WB: cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera. EFICIENCIA TÉRMICA Es la medida del rendimiento de una máquina térmica y se define como la relación entre el trabajo neto obtenido y el calor suministrado al fluido de trabajo

Como la suma de los calores es igual a la suma de los trabajos para un sistema que efectúa un ciclo, el trabajo neto se puede expresar como:

MÁQUINA FRIGORÍFICA Es un aparato que opera continuamente o cíclicamente, requiere trabajo y lleva a cabo el objetivo de transferir calor desde un cuerpo de baja temperatura a otro de temperatura mayor. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador, como se muestra en la Figura 2.22. La máquina frigorífica puede trabajar como un refrigerador o como una bomba de calor. Los refrigeradores y las bombas de calor operan en el mismo ciclo, aunque difieren en objetivos. El objetivo del refrigerador es mantener el espacio refrigerado a baja temperatura quitándole calor. La descarga de este calor a un medio de mayor temperatura es tan sólo una parte de la operación, no el propósito. El objetivo de una bomba de calor es mantener un espacio caliente a alta temperatura. Esto se consigue al absorber el calor de una fuente de baja temperatura, como el frío aire exterior, y suministrarlo a un medio de alta temperatura como una casa.

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Fig. 2.22. Máquina de Refrigeración.

COEFICIENTE DE FUNCIONAMIENTO La eficiencia de una máquina frigorífica se mide con el coeficiente de funcionamiento que viene a ser el equivalente del rendimiento térmico en una máquina térmica. Para un refrigerador el coeficiente de funcionamiento b viene expresado por

Para una bomba de calor, el coeficiente de funcionamiento b viene expresado por

Es importante denotar que en un refrigerador el calor de interés es QLya que éste es el que se extrae para enfriar un espacio. En una bomba de calor, el calor de interés es el QH ya que éste es el que se rechaza para calentar un espacio. EL CICLO DE CARNOT Es un ciclo reversible formado por cuatro procesos reversibles los cuales permiten obtener una eficiencia mayor del ciclo ya que el trabajo neto puede maximizarse al utilizar procesos que requieren la menor cantidad de trabajo y entreguen la mayor cantidad del mismo. Los ciclos reversibles no pueden alcanzarse en la práctica debido a que las irreversibilidades asociadas con cada proceso no pueden eliminarse. Sin embargo, los ciclos reversibles brindan límites superiores en el rendimiento de los ciclos reales. Las máquinas térmicas y las frigoríficas que trabajan en ciclos reversibles son modelos con los cuales las máquinas térmicas y las frigoríficas reales pueden compararse. Los ciclos reversibles sirven también como puntos de partida en el desarrollo de los ciclos reales y se modifican según se necesite para cubrir ciertos requerimientos. El ciclo de Carnot fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot. El ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y puede ejecutarse ya sea en un sistema cerrado o en uno

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de flujo estable, con sustancia pura o con un gas, Figura 2.23. Los cuatro procesos reversibles que componen el ciclo de Carnot son los siguientes: Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2, TH constante con transferencia de calor QH hacia el gas). Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL). Compresión isotérmica reversible (proceso 3-4, TL constante con transferencia de calor desde el gas). Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a TH).

Fig. 2.23. Ciclo de Carnot. La Figura 2.23 corresponde al ciclo de Carnot operando para una máquina térmica, pero todos los procesos pueden invertirse para estudiar la máquina frigorífica. En este segundo caso, el ciclo permanece exactamente igual, excepto en que las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo están invertidas. Se absorbe calor en una cantidad QL del depósito de baja temperatura, y se desecha calor en la cantidad de QH en un depósito de alta temperatura, para lo cual se requiere una entrada de trabajo. Una máquina térmica que opera en un ciclo de Carnot se llama máquina reversible. Con este tipo de máquina se obtiene el máximo rendimiento. Ninguna máquina térmica que funcione entre dos fuentes dadas, puede tener un rendimiento superior al de una máquina de Carnot que funcione entre las mismas fuentes. Figura 2.24.

Fig. 2.24. Principio de Carnot.

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LA ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURA Como consecuencia de los razonamientos derivados del segundo principio, Kelvin propuso utilizar la energía como magnitud termométrica para definir la temperatura y justificó el establecimiento y adopción de una escala de temperaturas independiente de la naturaleza de la sustancia termométrica empleada. Basándose en que el rendimiento térmico del ciclo de Carnot es independiente de las propiedades del fluido utilizado y sólo depende de las temperaturas de las fuentes, pudo demostrar que:

Por consiguiente, el cociente QH/QL puede ser sustituido por TH/TLpara dispositivos reversibles, donde TH y TL son las temperaturas absolutas de los depósitos de alta y baja temperatura, respectivamente. Por lo tanto para una máquina térmica reversible, se puede escribir

LA DESIGUALDAD DE CLAUSIUS Fue establecida por primera vez por el físico alemán R.J.E. Clausius (1822-1888) y se expresa como

Es decir, la integral cíclica de d Q/T siempre es menor o igual a cero.La integración se efectúa sobre un ciclo completo y puede ser reversible o irreversible. Si el ciclo es reversible

Si el ciclo es irreversible

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2da Ley de la Termodinámica 3 Fuente http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-75.htm ¿EN QUE CONSISTE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA? Esta ley de la física expresa que "La cantidad de entropía (magnitud que mide la parte de la energía que no se puede utilizar para producir un trabajo) de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo". Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico.

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley:

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido. 2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa. 3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesosque ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley dela termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

Ahora bien existen diferentes formas de enunciar la segunda ley de la termodinámica, pero en su versión más simple, establece que :

“El calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frío a un objeto caliente”. ENUNCIADO DE CLAUSIUS Y KELVIN PLANK Enunciado de Clausius: Resulta deseable construir un refrigerador que pueda realizar su proceso con el mínimo de trabajo. Si se pudiera construir uno donde el proceso de refrigeración se realice sin ningún trabajo, se tendría un refrigerador perfecto. Esto es imposible, porque se violaría la segunda ley de la termodinámica, que es el enunciado de Clausius de la segunda ley (Rudolf Clausius, alemán 1822-1888): “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”.

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En términos sencillos, el calor no puede fluir espontáneamente de un objeto frío a otro cálido. Este enunciado de la segunda ley establece la dirección del flujo de calor entre dos objetos a diferentes temperaturas. El calor sólo fluirá del cuerpo más frío al más cálido si se hace trabajo sobre el sistema.

Representación esquematica de Clausius Enunciado de Kelvin-Planck: En la práctica, se encuentra que todas las máquinas térmicas sólo convierten una pequeña fracción del calor absorbido en trabajo mecánico. Por ejemplo un buen motor de un automóvil tiene una eficiencia aproximada de 20% y los motores diesel tienen una eficiencia en el rango de 35% a 40%. En base a este hecho, el enunciado de Kelvin – Planck de la segunda ley de la termodinámica es el siguiente: “Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no tenga otro efecto que absorber la energía térmica de una fuente y realizar la misma cantidad de trabajo”.

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Esto es equivalente a afirmar que “es imposible construir una máquina de movimiento perpetuo (móvil perpetuo) de segunda clase”, es decir, una máquina que pudiera violar la segunda ley de la termodinámica. (Una máquina de movimiento perpetuo de primera clase es aquella que puede violar la primera ley de la termodinámica (conservación de la energía), también es imposible construir una máquina de este tipo.

Un refrigerador es una máquina térmica que opera en sentido inverso, como se muestra de manera esquemática en la figura de abajo. La máquina absorbe calor QF de la fuente fría y entrega calor QC a la fuente cálida. Esto sólo puede ser posible si se hace trabajo sobre el refrigerador. De la primera ley, se ve que el calor cedido a la fuente caliente debe ser igual a la suma del trabajo realizado y el calor absorbido de la fuente fría.

FORMULAS Qc= Energia que se asorbe (el subíndice C se refiere a caliente) Qf= Energia que se sede (elsubíndice F se refiere a frío) ΔU = "Cero" Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero.

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ΔU=Q+W Qneto = Qc - Qf Q=m.c.ΔT, donde m=masa;c=capacidad calofica;T=cambio de temperatura. Dependiendo el estado de la materia a evaluar puede ser la capacidad de evaporacion o de fusion. Por lo tanto el trabajo es:

W =/ Qc/ -/ Qf/ Donde Qc y Qf se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso. Eficiencia térmica o Rendimiento: La eficiencia térmica, e (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo:

e=W/Qc ; e=Qc-Qf/Qc ; e=1-Qf/Qc

Se puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía). Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si Qf = 0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida Qc en trabajo mecánico. Coeficiente de Operacion:

cop=Q(neto)/W(ciclo)

Eficiencia Maxima : eficiencia maxima=Tf/Tc-Tf ; eficiencia maxima=Tc/Tc-Tf Donde si "COP es menor que "Eficiencia Maxima" el Proceso es Irreversible Potencia: P=W/Δt expresada en J/s= Watts

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