2Da ley termodinamica

Segunda Ley de la Termodinámica
Explorando la segunda ley
1. Una bomba de calor recibe energía por transferencia de calor desde el aire exterior en 0 ºC y descarga energía por transferencia de calor a una vivienda en 20 ºC. ¿Esto está en una violación de la declaración de Clausius de la segunda ley de la termodinámica? Explique.
2. Aire como un gas ideal se expande isotérmicamente en 20ºC desde un volumen de 1 m3 a 2 m3. Durante este proceso hay transferencia de calor al aire desde la atmosfera circundante, modelado como un reservorio térmico, y el aire trabaja. Evalúe el trabajo y la transferencia de calor para el proceso, en kJ/kg. ¿Está este proceso en violación de la segunda ley de la termodinámica? Explique.
3. Complete la demostración de equivalencia de lasdeclaraciones de la segunda ley de Clausius y Kelvin-Planck dada en la Sec. 5.1 mostrando que una violación de la declaración de Kelvin-Planck implica una violación de la declaración de Clausius.
4. Un inventor reclama tener desarrollado un dispositivo que sufre un ciclo termodinámico mientras se comunica térmicamente con dos reservorios. El sistema recibe energía desde el reservorio frio y descargaenergía al reservorio caliente mientras entrega una cantidad neta de trabajo a su medio ambiente. No hay otras transferencias de energía entre el dispositivo y su medio ambiente. Usando la segunda ley de la termodinámica, evalúe el reclamo del inventor.
5. Un reservorio térmico caliente es separado desde un reservorio térmico frio por una barra cilíndrica aislada en su superficie lateral. Latransferencia de energía por conducción entre los dos reservorios ocurre a través de la barra, el cual permanece en estado estacionario. Usando la declaración de Kelvin-Planck de la segunda ley, demuestre que tal proceso es irreversible.
6. Gas de metano dentro de un arreglo pistón-cilindro se comprime en un proceso de casi-equilibrio. ¿Es este proceso internamente reversible? ¿Es este procesoreversible?
7. Agua dentro de una arreglo pistón-cilindro enfría isotérmicamente en 120 ºC desde vapor saturado a líquido saturado mientras interactúa térmicamente con su medio ambiente en 20 ºC. ¿Es el proceso isotérmicamente reversible? ¿Es reversible? Discuta.
8. Complete la discusión de la declaración de Kelvin-Planck de la segunda ley en la Sec. 5.3.1 mostrando que un sistema sufre unciclo termodinámico reversible mientras se comunica térmicamente con un único reservorio, aplique la igualdad en la Ec. 5.1 .
9. Un ciclo de potencia I y un ciclo de potencia reversible R opera entre los mismos dos reservorios, como se muestra en la Fig. 5.6. El ciclo I tiene una eficiencia térmica igual a dos terceras partes de que para el ciclo R. Usando la declaración de Kelvn-Planck de lasegunda ley, probar que el ciclo I debe ser irreversible.
10. Un ciclo de potencia reversible R y un ciclo de potencia irreversible I opera entre los mismos dos reservorios.
a) Si cada ciclo recibe la misma cantidad de energía desde el reservorio caliente, mostrar que el ciclo I necesariamente descarga más energía al reservorio frio que el ciclo R. Discutir las implicaciones de estopara ciclos de potencia reales.
b) Si cada ciclo desarrolla el mismo trabajo neto, mostrar que el ciclo I necesariamente recibe más energía desde el reservorio caliente que el ciclo R. Discutir las implicaciones de esto para ciclos de potencia reales.
11. Proveer detalles al leer la demostración del segundo corolario de Carnot dado en la Sec. 5.3.2.
12. Usando la declaración deKelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, demostrar los siguientes corolarios:
* El coeficiente de rendimiento de un ciclo de refrigeración irreversible es siempre menor que el coeficiente de rendimiento de un ciclo de refrigeración reversible cuando ambos intercambian energía por transferencia de calor con los dos mismos reservorios.
* Todos los ciclos de refrigeración...