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PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Resumen de la segunda ley…. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Fundamentos • Formulada con base en observaciones y experiencias con procesos y ciclos prácticos. • Nunca ha sido refutada experimentalmente. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Fundamentos • Se aplica igualmente bien a sistemas de trabajo neutro y productores y consumidores de trabajo. • Se puede probar sólo en forma indirecta. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles p1 Estado de equilibrio f(p1 ,p2 ,p3 )=0 Sistema p2 p3 Ambiente Los sistemas aislados tenderán hacia un estado de equilibrio termodinámico si permanecen sin alteración durante un tiempo suficientemente largo. La tendencia hacia el equilibrio es una característica innata de un sistema aislado. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles p1 Un proceso de no equilibrio saca al sistema de su equilibrio. Superficie termodinámica f=0 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Procesos de equilibrio a lo largo de la superficie de estado, f = 0. Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles 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 © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Enunciado de Clausius: forma alternativa Es imposible construir una máquina cíclica que no tuviera otro efecto que transferir calor de un cuerpo frío a otro más caliente. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Consecuencias TH No es posible! QC H TC Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Consecuencias TH Q H ,ciclo Necesario! Wciclo TC Q C ,ciclo Para un refrigerador, el efecto que se desea es QC, mientras que para una bomba de calor es Qh. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles 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 © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Consecuencias TH Q ciclo No es posible! Wciclo Máquina cíclica de calor Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Consecuencias TH Q H ,ciclo Necesario! Wciclo TC Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Q C ,ciclo Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Procesos reversibles e irreversibles... Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Procesos reversibles Un cambio en el estado de un sistema, como restituirlo a su estado original por cualquier medio, no tiene efecto neto en el universo. Esto significa que el sistema y el ambiente se restituyen a sus estados originales. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Calentamiento reversible T1 T1+dT T1+2dT T2 …. T1 T1+dT T1+2dT T2 Calentador Cada elevación incremental de temperatura, dT, del calentador da como resultado una transferencia de calor, dQ, al agua y el incremento correspondiente de su temperatura. Para un calentamiento lo bastante lento, los estados del calentador y el agua están casi en equilibrio y se dice que existe un proceso de equilibrio. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Análisis del proceso de calentamiento Ignorar la pérdida de vapor lento Frontera del sistema Suponga que no hay pérdidas de calor de los lados y el fondo. Tagua Tcalentador Entra energía por medio de electricidad o combustión de gas Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Proceso inverso…enfriamiento lento: T2 T2 Estado final de equilibrio. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki T2-dT …….. T2-dT Proceso inverso de enfriamiento lento, que es reversible para el agua. Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles ¿Los estados intermedios son lo mismo que estados de equilibrio? • Generalmente, no. • Pero procesos suficientemente lentos (casi estáticos) con diferencias de temperatura infinitesimales, dT, pueden verse como procesos en equilibrio. • Los procesos en equilibrio son reversibles. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Procesos de equilibrio de calentamiento y enfriamiento a volumen constante. P 1 S1 a S2 = calentamiento reversible S2 a S1 = enfriamiento reversible Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki T V 2 Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Proceso irreversible Se dice que tiene lugar un proceso irreversible cuando, al restaurar al sistema a su estado original, se observa un efecto neto sobre el universo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Condición de reversibilidad • El sistema y el ambiente se pueden restaurar a sus estados iniciales respectivos. • La selección del sistema y el ambiente es algo arbitraria. • El tipo de análisis que se efectúe dependerá de cómo se defina al ambiente. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles El sistema y el ambiente Ambiente Ambiente local Sistema Interacciones energéticas con el ambiente local, i.e., calor y trabajo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Procesos internamente reversibles • Los estados intermedios del sistema en procesos internamente reversibles son uniformes. • No pueden ocurrir procesos espontáneos dentro del sistema. • Nada puede suceder que haga al proceso irreversible. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Procesos externamente reversibles • Se centran en el ambiente local. • La definición del sistema necesita hacerse con cuidado. • Las interacciones energéticas entre el sistema y el ambiente local constituyen procesos de cuasiequilibrio. • No se presenta una irreversibilidad externa. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad Demuestre la existencia de una irreversibilidad, o de un proceso irreversible, por violación de cualquier enunciado de la segunda ley después de que el sistema y el ambiente regresan a sus estados iniciales. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Algunas causas de procesos de irreversibilidad • Expansión rápida de un gas. • Transferencia de calor con una diferencia finita de temperatura. • Transferencia espontánea de masa por medio de mezclado. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Algunas causas de procesos irreversibles • Generación de calor debido a la fricción o a la corriente eléctrica. • Deformación inelástica de un sólido. • Magnetización o polarización con histéresis. • Reacción química. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Ejemplo: expansión libre restringida Aislamiento (Q = 0) Aire 1 kg 5 Bar 350 K Movimiento del separador con transferencia de calor Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Dióxido de carbono 3 kg 2 bar 450 K Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de reversibilidad • Imagine un dispositivo termodinámico externo al gas que viola la segunda ley. • Suponga que el sistema regresa a su estado original. • Los resultados son, • Transferencia de calor de una temperatura baja a una más alta • Trabajo de compresión usando un almacenamiento único. • Estos dos resultados los niega la segunda ley. • Entonces, el proceso es internamente irreversible. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Ejemplo: expansión libre Estado inicial del sistema Frontera del sistema Gas Frontera adiabática Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Vacío inicial Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Expansión libre Estado final del sistema Gas en el estado final Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Expansión libre • Para un proceso reversible se necesita comprimir el gas hasta su condición inicial sin ningún otro efecto sobre el ambiente. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Expansión libre • Suponga que se puede realizar una compresión reversible por medio de una máquina de calor, pistón y almacenamiento, como se muestra. Almacén Q W Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Expansión libre • El proceso de compresión no tiene otro efecto sobre el ambiente, pero para realizarlo se viola la forma K-P de la segunda ley. • Entonces, el proceso de expansión libre es internamente irreversible. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Ejemplo: fusión del hielo Hielo, T = 0o C Agua, T = 20o C Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Ejemplo: transferencia estable de calor T1 T(x) Q Q12 const. T2 T1 x Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad Suposiciones: (1) Contacto térmico perfecto. (2) Flujo estable de calor. (3) Propiedades homogéneas de los materiales de la pared, i.e., la conductividad térmica es constante. TH TC T(x) Almacenes térmicos Sistema Para probar la irreversibilidad use una demostración por contradicción y demuestre que existe una violación de la forma de Kelvin-Planck de la segunda ley. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad • Suponga que el calor Q fluye del almacenamiento frío al caliente. • Inserte un ciclo de potencia entre los dos almacenamientos y desarrolle la violación de uno de los enunciados de la segunda ley. Q2-1 Viola el enunciado de Clausius T1 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki T2<T1 Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad Q T1 Q QH Ciclo de potencia entre los mismos dos almacenamientos. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki T2 Ciclo Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Q T1 QH Ciclo de potencia entre los mismos dos almacenamientos. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki T2 Q WCiclo = QH Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad • Como se agrega Q al almacenamiento frío por medio del ciclo de potencia en el primer proceso del ciclo y se extrae la misma cantidad de energía del almacenamiento frío en el segundo proceso del ciclo, este almacenamiento no experimenta un cambio neto de energía. • El ciclo de potencia en el ciclo combinado también constituye un ciclo. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad • El efecto neto del sistema combinado es la producción de trabajo mientras el sistema combinado se comunica con un almacenamieto único (el caliente). • Esta es una violación del enunciado K-P y por tanto no es posible la inversión de un proceso de transferencia de calor. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad • La transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura debe ser, por tanto, irreversible. • En estado estable el proceso de transferencia de calor es externamente irreversible. • Así, el calor (energía) no puede transferirse del almacenamiento frío al caliente sin otros efectos. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Ejemplo: fusión del hielo • Sistema: hielo y agua • Se conocen: – Las temperaturas iniciales del hielo y el agua (0oC) • Suposiciones – El sistema conjunto es adiabático (Qnet = 0). – Se conocen las masas del hielo y el agua. – Los calores específicos sólo son función de la temperatura. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Fusión del hielo • Solución – Inserte una rueda de paletas en el agua justo debajo del cubo de hielo. – Una la rueda de paletas por medio de una polea y correa a un eje en el exterior del sistema. – Conforme el hielo se funde, el fluido frío más pesado (T < 20o C) cae y hace girar la rueda de paletas. – El eje exterior distribuye trabajo mecánico y puede elevar un peso. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Extracción de trabajo de la fusión del hielo Wexterno (t ) Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Prueba de irreversibilidad • Para restaurar el sistema a su condición original, provoque enfriamiento a partir de un refrigerador externo para congelar una parte del agua y producir una masa de hielo equivalente a la masa original. • Esto causaría un cambio irreversible en el ambiente debido a la transferencia de calor hacia y desde los almacenamientos térmicos. • Entonces, el proceso de fusión en el recipiente adiabático es internamente irreversible. Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles Términos y conceptos clave Proceso de equilibrio Irreversibilidad externa Irreversibilidad interna Irreversibilidad Proceso irreversible Ambiente local Reversibilidad Proceso reversible Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 5. Módulo 4. Transparencia ‹#› Segunda ley de la termodinámica Procesos reversibles e irreversibles
