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SEGUNDO PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
FÌSICA II
INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
PRIMER PRINCIPIO: Conservación de la energía.
La experiencia demuestra que no todas las
transformaciones energéticas permitidas por el
primer principio ocurren en la naturaleza.
Es necesario formular un segundo principio de la
Termodinámica que nos informe acerca de los
procesos que son posibles en la naturaleza y los
que no lo son.
El segundo principio admite diversas
formulaciones diferentes, todas ellas
equivalentes.
El estudio se aborda desde el punto de vista más
afín a la ingeniería: las máquinas térmicas.
NECESIDAD DEL SEGUNDO PRINCIPIO
SISTEMA: Un bloque de masa m sobre una superficie con
fricción
PROCESO PERMITIDO
El bloque se mueve sobre la
superficie deteniéndose
después de cierto tiempo.
El trabajo realizado se
transforma en energía interna.
Bloque y superficie se
calientan.
El sistema cede energía
interna en forma de calor al
medio ambiente hasta lograr
el equilibrio.
RESULTADO: el trabajo
mecánico se ha transformado
íntegramente en calor cedido
al entorno.
PROCESO NO PERMITIDO
El bloque disminuye su
energía interna, el bloque se
enfría.
La energía interna se
transforma en energía
cinética. El bloque se mueve.
El sistema absorbe calor del
medio ambiente hasta
regresar al estado de
equilibrio térmico.
RESULTADO: El calor tomado
del medio ambiente se ha
transformado totalmente en
trabajo.
AMBOS PROCESOS SON COHERENTES CON EL PRIMER PRINCIPIO
NECESIDAD DEL SEGUNDO PRINCIPIO
SISTEMA: Un cuerpo caliente en contacto con otro más frío
PROCESO PERMITIDO
El cuerpo caliente cede parte
de su energía interna, en
forma de calor, al cuerpo más
frío.
PROCESO NO PERMITIDO
El cuerpo más frío cede parte
de su energía interna, en
forma de calor, al cuerpo
caliente.
NUEVAMENTE AMBOS PROCESOS SON
COHERENTES CON EL PRIMER PRINCIPIO, PERO
SOLAMENTE UNO DE ELLOS ES “ NATURAL”.
LA FALTA DE SIMETRÍA EN LOS ROLES DEL CALOR
Y TRABAJO COMO FORMAS DE TRANSFERENCIA
DE ENERGÍA Y LA EXISTENCIA DE UNA
DIRECCIÓN “PRIVILEGIADA” PARA LOS
PROCESOS NATURALES NO SE INFIEREN DEL
PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
MÁQUINAS TÉRMICAS
La Termodinámica nace de las
máquinas térmicas.
Máquina térmica: dispositivo que
transforma energía interna en otra
forma de energía útil.
En general se dice que transforma
calor en trabajo
MÁQUINAS TÉRMICAS
UNA MÁQUINA TÉRMICA
CONDUCE UNA
SUSTANCIA DE TRABAJO
A TRAVÉS DE UN
PROCESO CÍCLICO
SE EXTRAE ENERGÍA DE
UN FOCO A MAYOR
TEMPERATURA QC
SE OBTIENE TRABAJO W
LA MÁQUINA CEDE
ENERGÍA A UN FOCO
TÉRMICO A MENOR
TEMPERATURA Qf
Primer principio
aplicado al proceso
cíclico que realiza la
máquina:
U = Q – W
donde Q = QC - lQf|
Proceso cíclico
U = 0
Por tanto:
W = Qc - lQf|
EL TRABAJO REALIZADO POR UNA MÁQUINA TÉRMICA
ES IGUAL A LA ENERGÍA NETA ABSORBIDA POR LA
MÁQUINA
MÁQUINAS TÉRMICAS. CARACTERÍSTICAS Y
ESQUEMA DE PRESENTACIÓN
ENUNCIADO DE KELVIN PLANK
ES IMPOSIBLE CONSTRUIR
UNA MÁQUINA TÉRMICA
QUE, OPERANDO EN UN
CICLO, NO PRODUZCA OTRO
EFECTO QUE TRANSFERIR
ENERGÍA TÉRMICA
CONTINUAMENTE DE UN
FOCO CALIENTE A UN FOCO
FRÍO
Rendimiento.
=
w/Qc
MOTOR DE CUATRO TIEMPOS
CICLO OTTO
P
c
ADIABÁTICA
d
Qc
b
Qf
a
ADIABÁTICA
vb
va
v
La mezcla de aire-gasolina entre
al cilindro en el punto a
La compresión a
b es
adiabática, es decir, no hay
transferencia de calor
La combustión de los gases está
representada por la entrada de
calor Qh que eleva la
temperatura a volumen
constante
El tiempo donde se realiza
trabajo o fase de potencia ,
corresponde a la expansión
adiabática c
d.
Durante el escape, corresponde
al proceso d
a, donde se
elimina calor Qc al foco frío.
Rendimiento de Ciclo Otto
Proceso a
b: Compresión Adiabática
TaVa-1 = TbVb-1 ; Q = 0
Proceso b
c: Isocoro
Entrada de calor QC al sistema
QC = Cv(Tc – Tb)
Proceso c
d: Expansión Adiabática
TcVc-1 = TdVd-1 ;
Q=0
Proceso d
a: Isocoro
Salida de calor QF del sistema
QF = Cv(Ta – Td)
Rendimiento = 1 - (Vb/Va)-1
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
ENUNCIADO DE
CLAUSIUS
ES IMPOSIBLE
CONSTRUIR UNA
MÁQUINA TÉRMICA QUE,
OPERANDO EN UN CICLO,
NO PRODUZCA OTRO
EFECTO QUE
TRANSFERIR ENERGÍA
TÉRMICA
CONTINUAMENTE DE UN
FOCO FRÍO A UN FOCO
CALIENTE
EFICACIA

= QC/W
EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOS DE KELVIN
Y DE CLAUSIUS
EQUIVALENCIA DE LOS ENUNCIADOS DE KELVIN
Y DE CLAUSIUS
REFRIGERADORES
REFRIGERADOR: Máquina compuesta de un
fluido refrigerante que es forzado a recorrer un
circuito cerrado, un compresor, un
condensador, un tubo capilar (válvula de
expansión) y un evaporador.
FLUIDO REFRIGERANTE: baja temperatura de
vaporización y baja presión de condensación a
temperatura ambiental.
COMPRESOR: máquina de succión accionada
por un motor eléctrico. Extrae fluido de una
rama, bajando su presión y lo inyecta en otra
rama aumentando su presión. Impulsa al fluido
refrigerante a lo largo del circuito
CONDENSADOR: formado por un tubo
largo en forma de serpentín. Localizado
en la parte posterior del refrigerador. A la
salida del compresor el fluido presenta
estado gaseoso y debido a la presión y a
la pérdida de energía con el medio
ambiente pasa a estado líquido.
TUBO CAPILAR: tubo de diámetro interno
de medio milímetro. El fluido que entra al
tubo capilar en forma líquida al salir se
expande rápidamente pasando al estado
gaseoso. Expansión que ocurre en el
evaporador.

EVAPORADOR: Formado por un tubo en forma de
serpentín acoplado al congelador. Para pasar al estado
gaseoso el fluido refrigerante absorbe calor del
congelador. Al salir del evaporador el fluido llega al
compresor y el ciclo comienza de nuevo.
EJEMPLO.- Una máquina térmica trabaja sobre tres
moles de un gas monoatómico, realizando el ciclo ABCD
mostrado en la figura. El volumen en el estado C es el
doble del volumen en el estado B y TA= 20 ºC.
P
V
T
p(atm)
B
C
atm litros ºK 30
A
1.5
48.1 293
B
30
7.96 971
isoterma
D
adiabática
C
D
30
15.9 1942 1.5
9.95 48.1 1942
A
v
2v
Gas ideal: cv= 3R/2
v(L)
U
atml
W
atml
Q
atml
A
B
250
-250
0
B
C
358
239
597
C
D
0
528
528
D
A
-608
0
-608
RENDIMIENTO
DEL CICLO
Qabs= 1125 atml
Qced= 608 atml
W= 516 atml
 = 46 %
EJEMPLO.- Un refrigerador trabaja según el ciclo
ABC mostrado en la figura. La sustancia de
trabajo es un mol de gas ideal diatómico
P
V
atml litros
A
1.3
16
T
ºK
P(atm)
C
p
252
adiabática
B
1.3
24
378
C
2.3
16
445
1.3
A
B
16
24 v(l)
gas diatómico cv = 5R/2
U
atml
Q
atml
W
atml
A
B
25.8
36.2
10.4
B
C
14
0
-14
C
A
-39.8
-39.6
0
COEFICIENTE DE
EFICACIA DEL
CICLO.
W = 3.6 atml
(trabajo sobre el
sistema)
Q = 36.2 atml
( absorbido por
el sistema)
 = 10
PROCESOS REVERSIBLES
CONDICIONES DE REVERSIBILIDAD
1) No debe realizarse trabajo por rozamiento,
fuerzas viscosas u otras fuerzas
disipativas que producen calor.
2) No puede existir conducción de calor
debido a una diferencia de temperatura
finita.
3) El proceso debe ser cuasiestático, de modo
que el sistema se encuentre siempre en un
estado de equilibrio.
Todo proceso que viole alguna de las
condiciones anteriores es irreversible.
Máquina de Carnot
La máquina de Carnot es una máquina que
trabaja cíclicamente entre dos focos térmicos.
La sustancia de trabajo sufre un proceso cíclico
reversible absorbiendo calor del foco caliente
y cediéndolo al foco frío.
La reversibilidad del proceso exige que la
absorción y la cesión de calor de los focos se
produzca con la sustancia de trabajo a la
misma temperatura que los focos. Procesos
isotermos reversibles.
La forma más sencilla de conectar los procesos
isotermos en ambos focos es mediante dos
procesos adiabáticos reversibles.
Ciclo de Carnot
PROCESO 1
2
Absorción isoterma de
calor del foco caliente.
PROCESO 2
3
Expansión adiabática
hasta una temperatura
menor.
PROCESO 3
4
Cesión isoterma de
calor al foco frío.
PROCESO 4
1
Compresión adiabática
hasta el estado
original.
Representación esquemática del ciclo de
Carnot
Teorema de Sadi Carnot
Establecido por Sadi Carnot en 1824, antes de
que se enunciaran el primer y segundo
principios de la termodinámica.
Constituye otra forma de enunciar el segundo
principio de la termodinámica.
Ninguna máquina térmica que
funcione entre dos focos térmicos
puede tener un rendimiento mayor
que una máquina térmica reversible
(máquina de Carnot) que opere entre
esos mismos focos
Máquina de Carnot que opera entre dos focos.
Por ser reversible puede invertirse y se
invierten los flujos de energía
Supongamos una máquina real con mayor
rendimiento que la de Carnot. Para un mismo QC
absorbido proporciona mayor trabajo ( W` > W )
La combinación con una máquina de Carnot inversa
proporciona una máquina que convierte íntegramente
en trabajo el calor extraído del foco frío.
Rendimiento de un ciclo de Carnot
Conclusiones
El rendimiento de cualquier máquina de
Carnot que opere entre dos focos dados es
el mismo.
No depende de la sustancia de trabajo.
Solamente depende de la temperatura de
los focos.
El segundo principio prohíbe un
rendimiento igual a 1.
Por lo tanto el máximo rendimiento de una
máquina no es 1, sino que viene dado por
el rendimiento de una máquina de Carnot
que opere entre esos focos.
Ejemplo.- Una máquina térmica funciona entre
un foco a 100 ºC y otro a 0 ºC.
No es posible construir una
máquina real con rendimiento
por encima del 26.8 % para
esos focos.
En la práctica una máquina
que funcione entre esos focos
y que convierta en trabajo
una cuarta parte de la energía
absorbida del foco caliente es
una buena máquina.
Ejemplo.- Una máquina frigorífica funciona entre
un foco a 100º C y otro a 0º C. Determinar su
máximo rendimiento teórico