1
Download LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Document related concepts
Transcript
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA - 2 Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Algunas características generales de procesos espontáneos o naturales... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Procesos naturales • Expansión sin trabajo no restringida • Expansión con trabajo externo. • Transferencia estable de calor sin trabajo Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Expansión no restringida Aislamiento Q 0 Pistón sin fricción, diatérmico Aire AIRE 1 KG 5 BARS 350 K CO2 Movimiento del separador con transferencia de calor Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Dióxido de Carbono 3 kg 2 bars 450 K Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Aire CO2 p Aire pCO2 TAire TCO2 QAIRECO2 0 p Aire pCO2 TAire TCO2 Air Aire CO2 QAIRECO2 0 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Air Aire El estado de equilibrio final CO2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki p Aire pCO2 TAire TCO2 QAIRECO2 0 Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Dos observaciones acerca del proceso • Una vez que la expansión ha ocurrido, el proceso inverso, i.e., comprensión espontánea, no sucede. • La expansión no puede invertirse sin la acción de un dispositivo externo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Un equipo externo para restaurar el estado inicial... Air Aire CO2 El peso cae y hace girar las aspas, que calientan el CO2. Ocurre una transferencia de trabajo interna entre el aire y el CO2 para restaurar la condición inicial. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Air Aire CO2 Para elevar el peso se requiere una fuente de trabajo externa... Una máquina de calor cíclica eleva el peso. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales El dispositivo externo cíclico La máquina externa que eleva el peso ocasiona una eliminación de calor hacia el ambiente. Su eficiencia térmica (primera ley) es menor que uno (h < 1) Wciclo Q Entrada,ciclo Q Salida,ciclo Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Expansión con trabajo externo Suministro de Aire 100 psi 80 oF Estado inicial del sistema Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Resorte, k = 700 lbf/ft Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Suministro de Aire 100 psi 80o F Estado final del sistema Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Resorte, k = 700 lbf/ft Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Un proceso para recuperar la energía almacenada en el resorte... El mismo gas a la T y P del gas del proceso de llenado. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Transferencia estable de calor sin transferencia de trabajo TCaliente Q Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki TFría Q Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales TCaliente TFría Q Q Q W Adición de una bomba de calor cíclica para traer de regreso calor al almacenamiento de alta temperatura. Se necesita trabajo externo. Q Wexterno Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Más allá de las ideas fundamentales... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales • Existe una dirección natural de todos los procesos hacia un estado de menor energía potencial para realizar trabajo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales • En todos los procesos y dispositivos cíclicos hay una tendencia para producir energía irrecuperable para producir o consumir trabajo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales • La ineficiencia térmica es parte de todos los procesos y ciclos: siempre se desperdicia algo de calor o trabajo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ideas y observaciones centrales • No son posibles máquinas de movimiento perpetuo, específicamente máquinas que utilicen toda la energía de un almacenamiento y la conviertan en trabajo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales ¿Qué puede producir trabajo? • • • • • Diferencias de temperatura. Diferencias de presión. Diferencias de carga eléctrica. Diferencias de potencial eléctrico. Diferencias de composición química (potencial químico). Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales El gasto de energía • Una vez realizado el trabajo, estas diferencias no se pueden restablecer (i.e., la capacidad de realizar trabajo) sin proporcionar energía adicional (trabajo o calor). Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Máquinas cíclicas de calor... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales La máquina cíclica de calor: análisis S1 p S2 V W ciclo Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Q ciclo Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Para cada proceso en el ciclo p 1 Proceso de expansión p1 p 2 p2 V1 V2 1 Proceso de compresión p1 V p2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki 2 V1 V2 V Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Ambiente Q 2-1 Sistema W1-2 +W2-1 = WCiclo Ambiente Q1-2 Wciclo 0 Q12 Q21 0 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Eficiencia de la “primera ley” Q1 2 Q2 1 h Q1 2 Wciclo 1 Q1 2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Almacén de alta temperatura, TA Q1 WCiclo Q2 Almacén de baja temperatura, TB Observación: las máquinas de calor cíclicas que son prácticas siempre eliminan algún calor hacia el ambiente. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Bases observacionales de la segunda ley... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Observación El calor no fluirá espontáneamente de una temperatura fría a una más caliente. TCaliente Q Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki TFría Q Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Observación Una máquina de calor cíclica no puede operar con un almacenamiento de calor. Almacenamiento de calor Q1 Tabajo durante el ciclo, WCiclo Obsérvese que si Q1 = WCiclo, entonces es posible una máquina perpetua! Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Clausius de la segunda ley... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Clausius Para cualquier sistema es imposible operar de modo que el único resultado sea una transferencia de energía por medio de calor de un cuerpo frío a uno caliente. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de KelvinPlanck de la segunda ley... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Enunciado de Kelvin-Planck Para cualquier sistema es imposible operar en un ciclo termodinámico y distribuir una cantidad neta de trabajo a su ambiente mientras recibe energía por medio de transferencia de calor de un almacenamiento térmico único. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Preguntas • ¿Se puede probar la veracidad o falsedad del enunciado de Kelvin-Planck? • ¿Se puede probar si el enunciado de Clausius es cierto o falso? • ¿De algún modo son equivalentes los dos enunciados? Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales Términos y conceptos clave Enunciado de Clausius Ineficiencias Enunciado de Kelvin-Planck Segunda ley de la termodinámica Procesos espontáneos Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y Energía. Primer curso de termodinámica © 2001, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 2. Transparencia ‹#› La segunda ley de la termodinámica – Observaciones adicionales acerca de los ciclos y procesos naturales
