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IV
SEGUNDO PRINCIPIO
DE LA TERMODINÁMICA
FILMINAS 1 DE 3
Termodinámica - UNQ - Unidad IV - Filminas Parte 1 - Ver 200802
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INTRODUCCIÓN AL TEMA
El primer principio de la Termodinámica nos permite afirmar que las diversas formas
de Energía son equivalentes.
equivalentes Es decir que una cierta cantidad de Trabajo,
Trabajo por ejemplo,
ejemplo es
equivalente a una cierta cantidad de Calor. Pero este principio no nos dice nada en
cuanto a la posibilidad de la conversión de un cierto tipo de Energía en otro, ni
tampoco nos permite estudiar como son las limitaciones, si las hay, en esos procesos de
transformación.
El Segundo Principio de la Termodinámica es el que nos indica las limitaciones que
existen en las transformaciones energéticas.
energéticas
Termodinámica - UNQ - Unidad IV - Filminas Parte 1 - Ver 200802
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SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
REVERSIBILIDAD E IRREVERSIBILIDAD
TEOREMA DE CARNOT
ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURAS
Termodinámica - UNQ - Unidad IV - Filminas Parte 1 - Ver 200802
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ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
Fuente Térmica a T1
Una máquina térmica es un dispositivo que
Q1
produce una cierta cantidad de trabajo, W, a partir
de recibir calor de una fuente a alta temperatura, Q1,
y entregar otra determinada cantidad de calor a un
Máquina
Térmica
fuente a una temperatura menor que T1, Q2.
W
Q2
Para
que este proceso funcione correctamente
debe verificarse que T1 > T2
Fuente Térmica a T2
Reservorio / Fuente / Foco térmico: clase especial de sistema cerrado que se mantiene siempre a T
constante aún cuando se le ceda o quite E por transferencia de Q.
Ejemplos Ideales: atm terrestre , grandes masas de H2O
Fuente
→
depósito que suministra E en forma de Q
Sumidero
→
depósito que absorbe E en forma de Q
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ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
Hay procesos que ocurren en una determinada dirección y no en otra (espontáneos):
si se controlan p
pueden utilizarse p
para p
producir W.
El objeto se enfriará con el tiempo hasta alcanzar la T de su entorno: ↓ μ del cuerpo, ↑ μ del
½ ambiente (Primer Principio). El proceso inverso no ocurre espontáneamente: el cuerpo no
se calienta desde To hasta Ti.
Si se abre la válvula del tanque con aire acumulado a ↑ Pi, este fluirá espontáneamente
hacia su entorno de ↓ P0. El proceso inverso no ocurre espontáneamente: el aire no fluye
desde el entorno llenando el tanque devolviendo la P a su valor inicial
La masa suspendida a una altura Zi caerá cuando se libera. El proceso inverso no ocurre
espontáneamente: la masa no retornará sin ayuda a su posición inicial.
La condición
L
di ió inicial
i i i l del
d l sistema
i
puede
d reestablecerse,
bl
pero no a través
é de
d procesos
espontáneos. Se necesitarán dispositivos auxiliares y se requerirá un consumo de E
cambio permanente en el entorno.
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ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA NOS PERMITE
Predecir la dirección de los procesos
Establecer las condiciones de equilibrio
Predecir la máxima cantidad de W a obtener
Evaluar cuantitativamente el % del W máximo que se puede alcanzar
Definir una escala de T independiente de la sustancia termométrica empleada
Desarrollar procedimientos para evaluar U y H en función de otras propiedades
más fáciles de obtener experimentalmente
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ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
Formulaciones del Segundo Principio
Existen varias formulaciones alternativas, aunque equivalentes, del segundo principio. Dos
de las más utilizadas son:
Formulación de Clausius (comprobada experimentalmente): Es imposible la existencia
de un sistema que funcione si su único efecto es la transferencia de E mediante Q desde un
cuerpo frío a otro más caliente. Debe haber otro efecto en el sistema o en sus alrededores.
Formulación de Kelvin – Planck: (relacionada con ciclos termodinámicos): Es
imposible la existencia de un sistema cíclico que opere termodinámicamente cediendo una
cantidad neta de W al entorno si recibe E por transferencia de Q de un único foco / fuente
térmica. Un sistema puede producir una cantidad neta de W a partir de una transferencia de
Q de
d una sola
l fuente
f
pero no puede
d funcionar
f
i
como un ciclo
i l termodinámico
di á i
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ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
Equivalencia entre las dos formulaciones
Foco Caliente
Qf
Clausius Falso:
El sistema I transfiere E del foco frío al caliente sin producir otros
efectos, violando el enunciado de Clausius. Tenemos un refrigerador
perfecto.
f t No
N consume W.
W
Foco Caliente
Foco Frío
Qc
Kelvink Plank Verdadero: El sistema II funciona cíclicamente,
recibiendo Qc del foco caliente, dando Qf al foco frío y produciendo un
W neto hacia su entorno.
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L
Qf
Foco Frío
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ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
Equivalencia entre las dos formulaciones
Foco Caliente
Qc
W
Qf
Foco Caliente
Qc - Qf
Qf
=
L
Foco Frío
Kelvink Plank Falso!!!
La violación de una formulación implica
p
la violación de la otra
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REVERSIBILIDAD E IRREVERSIBILIDAD
Irreversible: cuando el sistema y sus alrededores no vuelven a su estado inicial
Reversible: el sistema y sus alrededores vuelven al estado inicial después que el
proceso tuvo lugar
El segundo principio puede utilizarse para determinar si un proceso dado es
reversible o irreversible. Del enunciado de Clausius, cualquier proceso que implique una
transferencia espontánea de Q desde un cuerpo caliente a otro frío es irreversible.
EJEMPLOS DE PROCESOS IRREVERSIBLES
―Transferencia de Q a través de una ≠ finita de T
― Expansión libre de un fluido hasta una P más baja
― Reacción química espontánea
― Mezcla espontánea de sustancias con diferente composición o estado
― Rozamiento
R
i
producido
d id por ell desplazamiento
d
l
i
d un cuerpo o ell que produce
de
d
all circular
i l
una sustancia a través de una cañería por efecto de la viscosidad
― Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia
― Deformación
D f
ió inelástica
i lá ti
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REVERSIBILIDAD E IRREVERSIBILIDAD
Todos los procesos reales son irreversibles
Irreversibilidades internas: aquellas que ocurren dentro del sistema
Irreversibilidades externas: aquellas que ocurren en el entorno
Los ingenieros deben ser capaces de reconocer las irreversibilidades, evaluar su influencia
y desarrollar medios prácticos para reducirlas (bajar el rozamiento con lubricación) →
mejora en la eficiencia termodinámica.
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TEOREMA DE CARNOT
Ciclos Termodinámicos
(refrigeración, generación electricidad, motores para propulsión vehículos)
ΔE ciclo
i l = Q ciclo
i l – W ciclo
i l =0
B l
Balance
d
de E
Cómo el sistema recupera su estado inicial al final del ciclo, no hay cambio neto de
su E
W ciclo = Q ciclo
El sistema recorre un ciclo mientras se comunica térmicamente
con dos cuerpos, uno caliente y otro frío
Ciclo de Potencia
Transferencia neta de E mediante W a su entorno durante
cada ciclo
W ciclo = Qe - Qs
Qe > Qs
η = W ciclo/ Qe
η = (Qe - Qs) / Qe
η = 1 – (Qs
(Q / Qe)
Q )
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TEOREMA DE CARNOT
Ciclo de Refrigeración / Bomba de Q
Transferencia neta de E requiere un W neto incorporado al ciclo
W ciclo = Qs - Qe
Qs > Qe
Sistema a T < que el cuerpo frío cuando se transfiere Qe
Si t
Sistema
a T > que ell cuerpo caliente
li t cuando
d se produce
d
Q
Qs
Parámetros de eficiencia = Coeficientes de Operación
Ciclo de Refrigeración
Enfriar un espacio / mantener la T de una vivienda por debajo
de la del entorno
β = Qe / W ciclo = Qe / (Qs – Qe)
Bomba de Calor
Mantener
M
t
la
l T de
d un espacio
i por encima
i
d lla d
de
dell entorno
t
Proporcionar Q en procesos industriales de ↑ T
γ = Qs / W ciclo = Qs / (Qs – Qe)
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TEOREMA DE CARNOT
Corolarios de Carnot del Segundo Principio sobre Ciclo de Potencia
η = W ciclo / Qc = 1 – (Qf / Qc)
W = Qc - Qf
Si Qf = 0
→ η = 100 % (ciclo reversible)
Este modo de operación viola el enunciado de
Kelvin – Planck → η < 100 %
Corolario
C
l i I
Para un ciclo irreversible el rendimiento es < que el rendimiento de un ciclo
reversible cuando operan entre los dos mismos focos térmicos
Corolario II
Todos los ciclos reversibles que operan entre los mismos focos térmicos
tienen igual rendimiento térmico independientemente del fluído de trabajo y
la serie de p
procesos
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TEOREMA DE CARNOT
Corolarios del Segundo Principio sobre Ciclo de Refrigeración - Bomba de Q
W = Qc – Qf < 0
β = Qf / W ciclo = Qf / (Qc - Qf)
refrigeración
σ = Qc / W ciclo = Qc / (Qc - Qf)
bomba de Q
Si W ciclo Š 0
βŠ∞y σŠ∞
W=0
toma y cede Qf = Qc violando Clausius
Los coeficientes de operación deben ser finitos ≠ ∞
Corolario I
El coeficiente
fi i t de
d operación
ió de
d un ciclo
i l de
d refrig
f i (β) o bomba
b b de
d Q (σ))
irreversible es siempre < que β / σ de un ciclo de refrig o bomba de Q
reversible cuando ambos intercambian E por transferencia de Q con los dos
mismos reservorios térmicos.
térmicos
Colorario II
Todos los ciclos de refrig o bombas de Q reversibles que operen entre los dos
mismos focos térmicos tendrán el = β / σ
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TEOREMA DE CARNOT
Máximo Rendimiento Térmico
η máx= 1 – (Tf / Tc)
rendimiento Ciclo de Potencia / Carnot
↑ η si ↑ Tc y / o si ↓ Tf (reversible)
Ciclos de potencia reales tienen η ~ 40%
β máx = Tf / (Tc – Tf)
rendimiento Refrigerador
σ máx = Tc / (Tc – Tf)
rendimiento Bomba de Q
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ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA
La Escala Kelvin de T
Utilizando en Corolario II de Carnot se pueden asignar valores de T
independientes de las propiedades de la sustancia termométrica.
La eficiencia de una máquina reversible está determinada por las T de la fuente y
del sumidero (la ≠ de T proporciona el impulso para la transferencia y la
producción de W).
η = η (Tf , Tc) = 1 – (Qf / Qc)
(Qf / Qc) = 1 - η (Tf , Tc)
(Qf / Qc) ciclo rev = ψ (Tf , Tc)
Se define ψ = Tf / Tc Š
(Qf / Qc) ciclo rev = Tf / Tc
1
Kelvin sugirió una escala termodinámica de T de tal forma que la T real es
proporcional al Q absorbido o cedido por la sustancia que realiza el W en las
etapas de transformación isotérmica de un ciclo reversible.
Escala de Kelvin = T absolutas.
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ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA
Si T de un foco es = 273,16 K (punto triple del H2O)
T = 273,16 (Q / Q pt) ciclo rev
Si Q = 0 Š T = 0 es el cero absoluto
Resumen
Para que una máquina convierta continuamente Q en W sin producir cambios en
otras partes del sistema, es necesario que la máquina tome Q de una fuente a T
más elevada, que convierta parte de ese Q en una cantidad equivalente de W y
que ceda el restante a un sumidero que se encuentra a una T inferior.
La fracción de Q absorbida de la fuente a T elevada que se convierte en W, se
denomina EFICIENCIA de la máquina.
máquina No existe aún una máquina cuya
eficiencia sea el 100%.
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