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Clase 16: “Segunda ley de la Termodinamica”
Clase 16 Clase 16
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25/04/22
25/04/22
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO)
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
La incapacidad de la primera ley de identificar sí 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. (Medina, 2020)
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. (Unet, 2019)
La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de
calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este
modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada.
La segunda ley de la termodinámica establece que: “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.”
Del segundo principio se extrae que, si bien todo el trabajo se puede convertir en calor, no todo el calor puede convertirse en trabajo. La máxima eficiencia que se puede conseguir es la eficiencia de Carnot. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, todo proceso que ocurre en un sistema dado debe satisfacer el principio de conservación de la energía, incluyendo el flujo de calor.
La ecuación establece, en otras palabras, que todo proceso cuyo único fin sea el de crear o destruir energía, es imposible, esto niega la existencia de una máquina de movimiento perpetuo de primera clase. El primer principio de la termodinámica no nos dice nada acerca de la dirección en que un proceso puede ocurrir en un sistema.
a. EJEMPLOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:
Esta restricción en la dirección, en que un proceso puede o no ocurrir en la naturaleza, se manifiesta en todos los procesos espontáneos o naturales. En efecto, siempre observamos que: (Solar, 2018)
Un gas comprimido tiende a expandirse. La transferencia de calor siempre sucede desde los cuerpos calientes a los fríos. El funcionamiento de un aire acondicionado.
Nunca observamos que estos procesos ocurran en forma espontánea en dirección opuesta. En ningún caso el calor fluye de un cuerpo frío a otro caliente sin la aportación de un trabajo externo.
ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
1. ENUNCIADO DE CLAUSIUS:
No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de
un cuerpo frío a otro más caliente. (Olmo, 2017)
“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”.
2. ENUNCIADO DE KELVIN PLANCK:
No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo.
(Fisicalab, 2021)
“Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto
sea absorber calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad
equivalente de trabajo”
MÁQUINA TÉRMICA
Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Una máquina térmica con una eficiencia perfecta, debería convertir toda la energía calorífica absorbida en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica establece que esto es imposible. (Juntade, 2016)
Esta máquina térmica tiene por objetivo; proporcionar continuamente trabajo al exterior a partir del calor absorbido.
Si imaginamos un ciclo realizado en sentido opuesto al de un motor, el resultado final será:
La absorción de calor a temperatura baja. La expulsión de una cantidad mayor a temperatura más elevadas. Y por fin, la realización de una cantidad neta de trabajo sobre el sistema.
Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, entonces tenemos:
������������� =
MÁQUINA DE CARNOT
Las máquinas de Carnot, son máquinas cíclicas ideales que se han estudiado siempre con asiduidad debido a su relevancia histórica, pero sobre todo porque ayudan a comprender mejor ciertos aspectos importantes de la termodinámica. (Famaf , 2015)
La máquina de Carnot, consta de dos reservorios de calor a temperatura T1 y T2 (>T1), y un sistema auxiliar que se utiliza para extraer calor del reservorio “caliente” a T2, transformándolo en trabajo mecánico W´ y entregando calor sobrante a T1. El gráfico contiguo, corresponde a un ciclo completo de una máquina cuyo auxiliar es un gas.
El primer proceso se inicia en el estado A y consiste de una expansión isotérmica en contacto con el reservorio a T2 hasta llegar al estado B; durante esta expansión se absorbe una cantidad de calor Q2. A continuación se aísla térmicamente el sistema para realizar una expansión adiabática hasta el estado C. Luego se comprime el sistema hasta el estado D, manteniéndolo en contacto con el reservorio a T1, de manera que se entrega al mismo una cantidad de calor Q´1. El último proceso de cada ciclo se realiza aislando nuevamente el sistema, comprimiéndolo hasta retornar al estado inicial A. (Físicaes, 2018)
No necesariamente utilizan un gas como sistema auxiliar. En el caso general se tiene una variable intensiva Y asociada con una variable extensiva X característica del sistema, de manera que el diagrama correspondiente al ciclo de Carnot en esta representación tendrá el aspecto cualitativo que se muestra en la figura. Tanto en el diagrama anterior como en este último, el área encerrada por la curva debe representar el trabajo W ‘realizado por el sistema auxiliar. En el caso general, esa área ilustra el valor de la integral −∮������ mientras que para el caso de un gas, debe representar la integral +∮������.
REFRIGERADOR
Un refrigerador es una máquina de calor que funciona a la inversa. Esto es: Absorbe calor de un depósito a temperatura Tc y libera a un depósito a mayor temperatura Th. Para lograr esto, debe hacerse un trabajo W sobre el sistema. La experiencia muestra que esto es imposible hacerlo con W=0. Se define la eficiencia de un refrigerador como: (Jalfaro,
2015)
���� �� Donde ���� es el calor extraído del depósito frío y �� es el trabajo hecho por el refrigerador.
Un refrigerador es un dispositivo que extrae calor de un foco que está más frío que el ambiente (como el interior de un frigorífico, a 5°C) y lo vierte en el ambiente (a 22°C, por ejemplo). Para funcionar, un refrigerador requiere un trabajo adicional Win, que aumenta el calor de desecho Qout que se entrega al ambiente.
Un frigorífico o un aparato de aire acondicionado son ejemplos de refrigeradores. En su uso habitual, lo que hacen los refrigeradores y aparatos de aire acondicionado es principalmente, mantener constante la temperatura del interior de una cámara o habitación, expulsado de forma continua el calor que va entrando por las paredes (aparte, si se introduce un objeto caliente en un frigorífico, éste se encarga de bajar la temperatura del objeto, consumiendo un trabajo adicional). (Universidad de Sevilla, 2018)
BOMBA DE CALOR
Una bomba de calor se basa en el mismo principio que un refrigerador, salvo que se emplea para pasar calor del ambiente a un foco más caliente, como una habitación, para caldearla. Para esto el, circuito debe estar situado de manera opuesta al caso del refrigerador. El compresor envía el fluido a alta presión a un condensador en el interior de la habitación, donde libera calor por estar a más temperatura que el ambiente. pasa entonces por la válvula hacia el exterior, donde se evapora y cae por debajo de la temperatura exterior, absorbiendo calor en el evaporador. Vuelve entonces al compresor, reiniciando el ciclo. (Espineira, 2019)
A. PARTES DE LA BOMBA DE CALOR:
COMPRESOR: cuyo trabajo permite el desarrollo del proceso ya que, al reducir el volumen del gas, facilita el escape de calor al aumentar su temperatura por encima de la del medio a calentar. Para este trabajo requiere normalmente energía eléctrica o energía química (gas natural) para transformarse en energía mecánica. CONDENSADOR: intercambiador de calor situado siempre a la salida del compresor y a través del cual el fluido refrigerante en forma de vapor cede energía al agua del depósito por estar térmicamente más caliente que esta. A medida que va cediendo la energía condensa y vuelve a estado líquido. VÁLVULA DE EXPANSIÓN: componente del circuito por el que pasa el fluido refrigerante y que, por medio de su cambio de sección, supone una reducción brusca de la presión al descender esta se produce un descenso de la temperatura de evaporación. La principal función es, evitar que llegue liquido al compresor, ya que cuando esto sucede el compresor se destruye instantáneamente. EVAPORADOR: otro intercambiador de calor situado a la salida de la válvula de
expansión, que a través de su superficie ampliada por un sistema de aletas y gracias a haber descendido su temperatura de evaporación por debajo de la temperatura exterior del aire, permite el intercambio entre el fluido refrigerante y el aire exterior.
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TERMODINÁMICA
Artículo Científico
RESUMEN
La segunda ley de la termodinámica trata de la transferencia de energía entre un sistema y su entorno de tal forma que en un proceso típico se cede calor al sistema y este realiza un trabajo. Se puede decir que, en otras palabras, se realiza una conversión en el que la energía llega en forma de calor y sale en forma de trabajo. En esta ley surgen cálculos de sus micro estados de esta ley, mismos que son analizados previamente después de ser calculados y así determinar una conclusión. En el presente trabajo se inscribe dentro de un campo de investigación en el que se contribuya a un mejor entendimiento de la segunda ley de la termodinámica, sus variables, formulas etc. Y también de la entropía con las mismas variables pertenecientes a la misma.
Palabras clave: Entropía, ley de la Termodinámica, trabajo, transferencia de energía, estados.
INTRODUCCIÓN
El origen la entropía es una magnitud de la termodinámica como la temperatura, la densidad, la masa o el volumen. Se representa mediante la letra S y sirve para explicar por qué algunos procesos físicos suceden de una determinada
manera midiendo el grado de desorden de un sistema a nivel molecular. Es una
medida que calcula la probabilidad de que ocurran cambios en el sistema en función de la probabilidad de su micro estado. Aplicado a un sistema dinámico, la entropía es la medida que explica por qué, si ponemos un objeto caliente junto a uno frío, el frío se calienta y el caliente se enfría. Existe la posibilidad de que ocurra al revés (que el objeto caliente se caliente aún más y el frío se enfríe aún más), pero es tan nimia que sencillamente nunca ocurre porque la energía tiende a expandirse.
Observa que esta segunda ley no dice que no sea posible la extracción de calor de un foco frío a otro más caliente.
Simplemente dice que dicho proceso nunca será espontáneo. El segundo
principio de la termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. [1]
¿Qué es la Entropía en la Segunda Ley de la Termodinámica?
Una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica es el desarrollo de
la propiedad física de la materia, que se conoce como Entropía (S). El cambio en esta propiedad se utiliza para determinar la dirección en la que procederá un proceso determinado.
La entropía cuantifica la energía de una sustancia que ya no está disponible para realizar un trabajo útil. Esto se relaciona con la segunda ley, ya que la segunda ley predice que no todo el calor proporcionado a un ciclo puede transformarse en una cantidad igual de trabajo, debe producirse un cierto rechazo de calor. [2]
Figura 1: Diagrama Ts del ciclo de Rankine.
Entropía: La segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de termodinámica describe los cambios a la entropía (o desorden) en un sistema. La ley surges de observaciones empíricas del aumento en el desorden y la conclusión de que los procesos tienen una dirección. Por ejemplo, las hojas se mueven de un estado de orden (adheridas de manera nítida al árbol) a un estado de desorden (tiradas por todo el suelo). Muchos hemos visto las hojas caer, pero ninguno ha visto que las hojas caídas se adhieran nuevamente al árbol. [3]
De igual modo, el calor fluye de una temperatura mayor a una menor. Por ejemplo, una taza caliente de té de hierbas se enfría cuando se deja sola en una casa a temperatura ambiente pues el calor del té fluye al espacio que le rodea. El té se enfría mientras que el espacio en la casa se calienta levemente.
La segunda ley de termodinámica se manifiesta como ineficiencias, pérdidas y flujos de desechos durante la conversión de energía, tales como el desecho de calor, combustible perdido o la operación subóptima de los sistemas. Las ineficiencias son problemáticas, pero a la vez una excelente oportunidad para el sistema de energía global. [4]
CONCLUSIONES
La segunda ley de la termodinámica sostiene que todos los procesos que ocurren en el universo se realizan de manera que siempre aumenta el desorden, y por tanto la entropía, a nivel global, aunque no necesariamente a nivel local, esto es en un espacio pequeño y/o un intervalo de tiempo pequeño. Además, la entropía de cualquier sistema aislado nunca disminuye.
En un proceso termodinámico natural, aumenta la suma de las entropías de los sistemas termodinámicos que interactúan. Finalmente recalcamos que la entropía y la segunda ley de la termodinámica se relaciona, ya que la segunda ley predice que debe producirse cierto rechazo de calor en ciclo cerrado.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Pérez, G., García, M., & López, K. (2020). Segunda ley de la termodinámica y entropía.
[2] Barragán, D. (2009). Producción de entropía.
[3] Lawrence, L. (2019). Entropía: la segunda ley de la termodinámica.
[4] Connor, N. (26 de Setiembre de 2019). ¿Qués es la entropía y la segunda ley de la termodinámica?
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Barragán, D. (2009). Producción de entropía. www.scielo.org.co. Recuperado de: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S012056092009000200014
Connor, N. (26 de Setiembre de 2019). ¿Qués es la entropía y la segunda ley de la termodinámica? www.thermal-engineering.org. Recuperado de: https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-entropia-y-la-segunda-ley-dela-termodinamica-definicion/
Espineira, P. (2019). Bomba de calor, funcionamiento e implantación para calefacción y ACS. www.caloryfrio.com. Recuperado de: https://www.caloryfrio.com/calefaccion/bomba-de-calor/bomba-de-calor.html
Famaf . (2015). Máquina de Carnot. www.famaf.unc.edu.ar. Recuperado de: https://www.famaf.unc.edu.ar/~gcas/termo1/clases/node31.html
Físicaes. (2018). El ciclo de Carnot. www.sc.ehu.es. Recuperado de: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
Fisicalab. (2021). La Segunda ley de la termodinámica. www.fisicalab.com. Recuperado de: https://www.fisicalab.com/apartado/segundo-principio-termo
Jalfaro. (2015). Refrigeradores. www.fis.puc.cl. Recuperado de: http://www.fis.puc.cl/~jalfaro/fis1522/OndasyCalor/termo2/node3.html
Juntade. (2016). Máquinas Térmicas. www.juntadeandalucia.es. Recuperado de: http://www.juntadeandalucia.es/averroes/centrostic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/44/html/simples.html
Lawrence, L. (2019). Entropía: la segunda ley de la termodinámica. stem.guide. Recuperado de: https://stem.guide/topic/entropia-la-segunda-ley-determodinamica/?lang=es
Medina, M. (2020). Leyes de la Termodinámica. mauriciomedinasierra.wordpress.com. Recuprado de: https://mauriciomedinasierra.wordpress.com/segundocorte/conceptos/termodinamica/leyes-de-la-termodinamica/
Olmo, N. (2017). Segunda Ley de la Termodinámica. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. Recuperado de: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/thermo/seclaw.html
Pérez, G., García, M., & López, K. (2020). Segunda ley de la termodinámica y entropía. repository.uaeh.edu.mx. Recuperado de: https://repository.uaeh.edu.mx/revistas/index.php/tepexi/article/view/5599/7296
Solar. (2018). La segunda Ley de la Termodinámica. solar-energia.net. Recuperado de: https://solar-energia.net/termodinamica/leyes-de-la-termodinamica/segunda-leytermodinamica
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Universidad de Sevilla. (2018). Refrigeradores y bombas de calor. laplace.us.es. Recuperado de: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Refrigeradores_y_bombas_de_calor
