2. La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía
generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía.
Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe
estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma.
La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones
de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el
calor.
De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede
incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema.
Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se
evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el
trabajo en calor, pero en la practica, es imposible convertir completamente el
calor en trabajo sin modificar los alrededores.
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA
3. 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.
SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA
4. Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir
procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección.
Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal
opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la
termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos
termodinámicos establece una dirección del tiempo.
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”.
A continuación se lista tres de las más empleadas. Si bien estas
tres parecen no tener conexión entre ellas, todas son
equivalentes entre sí.
5. Antes de presentar la formulación de kelvin-Planck del
segundo principio. Debemos aclarar el concepto de
reservorio o foco térmico, que es una clase espacial de
sistema cerrado que se mantiene siempre a temperatura
constante, aun cuando se le ceda o quite calor energía por
transferencia de calor.
Las propiedades extensivas de un reservorio térmico,
como la energía interna, puede cambiar en su interacción
con otros sistemas aun cuando la temperatura del
reservorio se mantiene constante.
1.- ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK
6. La formulación del segundo principio de kelvin-Planck puede
expresarse como sigue:
“Es imposible construir una máquina térmica que, operando
en un ciclo termodinámico, ceda una cantidad neta de trabajo
a su entorno mientras recibe energía por transferencia de
calor procedente de un único reservorio térmico”.
7. “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”.
La formulación de clausius implica que es imposible construir un ciclo
de refrigeración que funcione sin un consumo de trabajo.
2.- ENUNCIADO DE CLAUSIUS
8. La entropía puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La
segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden de un sistema aislado, nunca puede decrecer. Por
tanto, cuando el sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede
experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. Puede demostrarse que el segundo principio implica
que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura baja a una
región de temperatura mas alta. Es una función del estado del sistema, ya que tiene un valor único para
cada estado.
ΔS = ΔQ/T
La entropía es una propiedad del intrínseca del STD relacionada con parámetros que lo
caracterizan:
dS = dQ/T
dS: entropía del S T D.
dQ: intercambio de energía térmica entre el medio y el S T D.
T: temperatura a la que se registra el intercambio de energía térmica entre el medio y el S T D.
La expresión permite el calculo de variaciones pero no el conocimiento de valores absoluto. La
variación entrópica de cualquier STD y su ambiente conjuntamente es positiva tendiendo a cero en
los procesos reversible:
ΔS Total ≥0 (proceso irreversible)
ΔS = 0 (proceso reversible)
3.- ENTROPIA
9. A partir del enunciado de clausius, para cualquier proceso que implique una
transferencia espontanea de calor desde un cuerpo caliente a otro frio es
irreversible y para los procesos que involucren cualquier otra clase de suceso
espontaneo. Hay muchos efectos cuya sola presencia en un proceso define su
irreversibilidad. El rozamiento, la resistencia eléctrica, la histéresis y la
deformación inelástica son ejemplos.
Los procesos irreversibles incluyen una o mas de las siguientes irreversibilidades:
1.- transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas.
2.- expansión libre de un gas o liquido hasta una presión mas baja.
3.- reacción química espontanea.
4.- mezcla espontanea de sustancias con diferentes composición o estado.
5.- rozamiento (tanto deslizamiento como viscosidad en un fluido).
6.- flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia.
7.- Magnetización o polarización de histéresis.
8.- deformación inelástica.
Todo proceso involucra efectos como los ya mencionados, tanto si son procesos
naturales como si son procesos desarrollados en dispositivos construidos, desde
el mecanismo mas simple hasta la mas compleja planta industrial.
PROCESOS IRREVERSIBLES
10. El proceso de un sistema es reversible si el sistema y todas
las partes de su entorno pueden devolverse exactamente a
sus estados iniciales, después de que el proceso haya
tenido lugar. Tras la discusión realizada sobre los procesos
irreversibles, resulta evidente que los procesos reversibles
son puramente hipotéticos. No pueden ser reversibles,
lógicamente, los procesos que suponen una transferencia
espontanea de calor a través de una diferencia finita de
temperatura.
En el sentido estricto de la palabra, un proceso reversible
es aquel que es ejecutado perfectamente.
PORCESOS REVERSIBLES
11. Como ningún ciclo de potencia puede tener un rendimiento térmico
del 100%, resultara de interés determinar si existe un rendimiento
máximo teórico. El rendimiento máximo teórico de los sistemas que
desarrollan ciclos de potencia mientras intercambian calor con dos
reservorios térmicos a diferentes temperaturas será evaluado por los
corolarios de Carnot.
Los dos siguientes corolarios del segundo principio explica que:
1.- El rendimiento térmico de un ciclo de potencia irreversible es
siempre menor que el rendimiento térmico de un ciclo de potencia
reversible cuando ambos operan entre los dos mismos focos térmicos.
2.- Todos los ciclos de potencia reversibles que operan entre los dos
mismos focos térmicos tienen el mismo rendimiento térmico.
COROLARIOS DE CARNOT
12. Los dos corolarios de Carnot pueden demostrarse usando el
enunciado de kelvin-Planck del segundo principio:
Wciclo ≤ 0 (un único foco)
13. A partir de los coeficientes máximos teóricos se establecen los corolarios del segundo principio:
1.- El coeficiente de operación de un ciclo de refrigeración irreversible es siempre menor que el
rendimiento térmico de un ciclo de refrigeración reversible cuando ambos operan entre los dos
mismos focos térmicos.
2.- todos los ciclos de refrigeración reversibles que operan entre los dos mismos focos térmicos
tienen el mismo coeficiente de operación.
COROLARIOS PARA CICLOS DE
REFRIGERACION Y BOMBA DE
CALOR
