2Da ley termodinamica

OBJETIVOS

• Analizar e identificar en la practica la utilización de la segunda ley de la termodinámica para fomentar nuestro conocimiento y en determinado momento sea una herramienta a contemplar en la profesión de la Ingeniería ya sea corto, mediano o largo plazo.

• Investigar los términos de el ciclo de Carnot y la Entropía, comprendiendo la relación que estos tienen con lasegunda ley de la termodinámica.

• Comprender y analizar las diferentes ecuaciones y teoremas relacionados con el Ciclo de Carnot y la Entropía.

Introducción

La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. A las magnitudesmacroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes con los principios básicos de la física.

La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley"cero", referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía. A continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo hincapié en la segunda ley y el concepto de entropía.

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámicoideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo. Fue estudiado por Sadi Carnot en su trabajo “Reflections sur la puissance motrice de feu et sur les machines propres à developper cette puissance”, de 1824.
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Esquema de una máquina de Carnot. La máquina absorbe calor desde la fuente caliente T1 y cede calor a la fría T2 produciendo trabajo.

Unamáquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por
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y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismasfuentes de temperatura.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente calientebomba de calor.

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Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen.
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Diagrama del ciclo de Carnot en función de la temperatura y la entropía.
El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente)
1. Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de unasituación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la temperatura tampoco lo hace suenergía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo:
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2. Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la...