Download Actividad Experimental No. 7 “Segunda Ley de la Termodinámica”

COLEGIO DE BACHILLERES
PLANTEL No. 9 ARAGÓN
Asignatura: Física II
Profesor: ________________________________Fecha: _____________
Grupo: ________
Alumno (a): ______________________________________________
Actividad Experimental No. 7 “Segunda Ley de la Termodinámica”
El Laboratorio Virtual Ibercaja (LV) es un proyecto del Ministerio de Educación de España,
cuyo principal objetivo es facilitar la comprensión de los conceptos científicos mediante las
tecnologías de la información y la comunicación (TIC), fundamentalmente de los niveles de
ESO, Bachiller y equivalentes. Le recomendamos que consulte antes las instrucciones de
uso.Para ello el Laboratorio Virtual ofrece su aula y esta página web:
http://www.ibercajalav.net/curso.php
1.- Objetivo:
Al final de la actividad el alumno será capaz de:
1.1 Comprender que los cambios en la energía se pueden aprovechar para hacer trabajo.
1.2 Comprender que se puede convertir un tipo de energía en otro.
1.3 Describir el funcionamiento de una máquina térmica.
1.4 Explicar el significado de la Segunda Ley de la Termodinámica.
Aprendizajes:
 Conocerá el principio de funcionamiento de una Máquina Térmica.
 Eficiencia o Rendimiento de una Máquina Térmica
 Analizará la transferencia de la energía por medio del Calor y el Trabajo.
 Conocerá las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica.
2.- Contenidos Conceptuales Previos
2.1 Calor
2.2 Trabajo
2.3 Transformaciones de energía
2.4 Máquina Térmica
2.5 Eficiencia o Rendimiento de una Máquina Térmica
2.6 Segunda Ley de la Termodinámica
2.4 Máquina Térmica: Una máquina térmica es un dispositivo que produce trabajo a partir de
calor. Algunos ejemplos de máquinas térmicas son: las máquinas de vapor, motores de
gasolina y motores diesel.
Las máquinas de vapor usan agua, mientras que los motores diesel y a gasolina usan una
mezcla de combustible y aire.
La figura 1 muestra un esquema de una Máquina Térmica que trabaja entre un foco caliente
a temperatura T1 y un foco frío a temperatura T2. En un ciclo, se extrae calor Q1 del foco
caliente; parte de este calor se convierte en trabajo, W, y el calor restante, Q2, es cedido al
foco frío.
1
Figura No. 1 Esquema de una Máquina Térmica
Consideraremos al calor que absorbe la máquina positivo, es decir, +|Q1| y al calor que es
cedido como -|Q2|. En un ciclo completo la energía interna de la sustancia de trabajo (agua o
aire y gasolina, por ejemplo) no cambia. De acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica
ΔEi = Q - W = 0,
El trabajo neto hecho por la máquina en un ciclo es igual al flujo entrante neto, es decir:
W = Q1-
Q2
2.5 La eficiencia () de la máquina térmica se define como el trabajo producido (W) dividido
entre el calor introducido (Q1) es decir:
=
=
𝑾
𝑸𝟏
𝑾
𝑸𝟏
=
=
𝐐𝟏− 𝐐𝟐
𝑸𝟏
= 1−
𝐐𝐞𝐧𝐭−𝐐𝐬𝐚𝐥
𝐐𝐞𝐧𝐭
𝑸𝟐
𝑸𝟏
= 1−
𝐐𝐬𝐚𝐥
𝐐𝐞𝐧𝐭
Dónde:
 = Eficiencia o Rendimiento de la Máquina Térmica
W = Trabajo (J)
Q1 = 𝐐𝐞𝐧𝐭 = Calor suministrado a la Máquina Térmica (J)
Q2 = 𝐐𝐬𝐚𝐥 Calor que se disipa por el escape de la máquina térmica (J)
Otra forma de determinar la eficiencia o rendimiento de una Máquina Térmica real es
empleando sus temperaturas absolutas que son proporcionales a las cantidades de Calor ,
tanto de la Fuente caliente como de la Fuente fría.
2
=
𝑾
𝑻𝟏
=
𝐓𝟏− 𝐓𝟐
𝑻𝟏
= 1−
𝑻𝟐
𝑻𝟏
Las Temperaturas en las expresiones anteriores deben expresarse en escala Kelvin.
Un 100 por ciento de eficiencia, es decir,  = 1 sólo se obtendría si Q2 = 0. En este caso, todo
el calor absorbido sería convertido en trabajo, éste es el caso de una máquina térmica ideal.
Sin embargo, esto no es posible y la eficiencia de una máquina térmica real es menor a 100
por ciento. Una máquina de gasolina tiene una eficiencia de 20 por ciento mientras que una
de diesel tiene una eficiencia de alrededor de 40 por ciento.
2.6 Enunciado de la Segunda Ley de la Termodinámica:
Es imposible construir una máquina térmica que al trabajar en un ciclo termodinámico
transforme todo el calor (Q) que se le suministra en trabajo mecánico (W).
El calor no puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo pasar de un cuerpo
frío a un cuerpo caliente.
De acuerdo con la segunda Ley de la Termodinámica en un motor de gasolina de un
automóvil, el Calor producido por la combustión de la gasolina con el aire impulsa los
pistones y la biela manivela del motor, y parte de ese calor se expulsa por el escape es decir
no todo el calor suministrado al motor se convierte en Trabajo mecánico.
3. Ejercicios de la Segunda Ley de la Termodinámica empleando un Laboratorio Virtual de
Termodinámica que se localiza en la siguiente dirección electrónica del Internet:
http://www.ibercajalav.net/curso.php?fcontenido=Term_2Pri_1.swf
Ejercicio 1: Un motor térmico con una eficiencia o rendimiento del 70 % se le suministra en
cada ciclo 15000 Joules de un foco de alta temperatura. Calcular:
a) El Trabajo (W) que realiza
b) El Calor Q2 cedido al foco de Baja Temperatura en cada ciclo.
3
Datos:
Fórmula
Q1 = 15000 Joules
=
Despeje
Sustitución
𝑾
𝑸𝟏
 = 70 % = 0.70
W=
W = Q1-
Q2
Q2 =
Ejercicio 2: Una máquina térmica absorbe en cada ciclo 20900 Joules (Q1) de un foco
caliente y cede 5000 Joules a un foco frío (Q 2). Calcular:
a) El Trabajo W que realiza en cada ciclo.
b) La Eficiencia o rendimiento de la máquina térmica. ()
Datos:
Q1 = 20900 Joules
Q2 = 5000 Joules
W=
=
4
Ejercicio 3
Analiza cada una de las partes de la Central Termoeléctrica de la simulación, comprobando
las pérdidas de Energía en cada una de ellas.
Transformaciones de Energía en una Central Termoeléctrica
Ejercicio 4
En la Central Termoeléctrica que aparece en la simulación, se observa que no toda la
energía aportada por el combustible es aprovechable.
¿Cuál es la eficiencia global de la Central Termoeléctrica?
Datos:
Qsal =
Qent = 100 KJ
Fórmula:
=
=
𝑄𝑒𝑛𝑡−𝑄𝑠𝑎𝑙
𝑄𝑒𝑛𝑡
70 KJ
𝑸𝒆𝒏𝒕−𝑸𝒔𝒂𝒍
𝑸𝒆𝒏𝒕
=
5
Ejercicio 5
Calcula la eficiencia de la Central Térmica en cada una de las partes del proceso.
Nota: Considera que la Energía saliente de los procesos 1 y 2 de la Energía entrante para los
procesos 3 y 4.
Calcular el rendimiento o eficiencia en los procesos 1 y 2.
Qsal =
Qent = 100 KJ
Fórmula:
=
=
15 KJ
𝑸𝒆𝒏𝒕−𝑸𝒔𝒂𝒍
𝑸𝒆𝒏𝒕
𝑄𝑒𝑛𝑡−𝑄𝑠𝑎𝑙
𝑄𝑒𝑛𝑡
Calcular el rendimiento o eficiencia en los procesos 3 y 4.
Qsal =
Qent = 85 KJ
Fórmula:
=
=
55 KJ
𝑸𝒆𝒏𝒕−𝑸𝒔𝒂𝒍
𝑸𝒆𝒏𝒕
𝑄𝑒𝑛𝑡−𝑄𝑠𝑎𝑙
𝑄𝑒𝑛𝑡
6
4. Cuestionario.
4.1 Explique que es una Máquina Térmica y cual es el principio básico de cualquier tipo de
máquina térmica.
4.2 Explique cual es la diferencia entre un motor de combustión interna y combustión
externa.
4.3 Diga cuales son las diferencias entre un motor de gasolina y un motor Diesel.
4.4 Explique que es una máquina térmica ideal y una máquina térmica real.
4.5 ¿A que se le llama eficiencia o rendimiento de una máquina térmica?
4.6 ¿Cuáles son las expresiones matemáticas para determinar la eficiencia de una máquina
térmica?
4.7 Explica el funcionamiento de un refrigerador y cuales son los elementos que lo
constituyen.
4.8 ¿Cuáles son los postulados de la Segunda Ley de la Termodinámica?
4.9 Explique el concepto de Entropía.
4.10 Mencione las partes más importantes que conforman a una Central Termoeléctrica.
7