Ley De La Termodinamica

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Cuando se frotan las manos vigorosamente, el trabajo de rozamiento que se realiza tendrá como consecuencia un incremento en la energía interna, ocasionando que la temperatura se eleve. El aire circundante forma un gran reservorio a una temperatura menor, y la energía térmica se transfiere al aire sin que la temperatura cambie apreciablemente. Cuando se deja defrotar las manos se regresa al estado anterior. De acuerdo con la primera ley, la energía mecánica se ha transformado en calor con una eficiencia del 100%.

∆W=∆Q

Tal transformación puede continuarse indefinidamente en tanto se suministre trabajo.

Considérese el proceso inverso. ¿Sera posible transformar energía térmica en trabajo mecánico con una eficiencia del 100%? En el ejemploanterior, ¿es posible todo el calor transferido al aire y regresarlo a las manos, ocasionando que ellas se froten indefinidamente en forma espontánea? En un día frio de invierno, este proceso sería beneficioso para los cazadores que tengan las manos frías. Desafortunadamente, tal proceso no puede ocurrir aun cuando no se viola la primera ley. Tampoco es posible recuperar el calor perdido al frenar unautomóvil a fin de que las ruedas comiencen a rodar nuevamente.

Se verá que la conversión de energía térmica en trabajo mecánico es un proceso con perdidas. La primera ley de la termodinámica dice que no puede ganarse en un experimento tal. En otras palabras, es imposible obtener más trabajo de un sistema que el calor que se pone en el mismo. Empero, esto no excluye la posibilidad de continuarfrenando. Debido a lo anterior, es evidente que se necesita otra regla que establezca que no es posible la conversión del 100% de energía térmica en trabajo útil. Esta regla es la base de la segunda ley de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica: Es imposible construir una maquina que, si opera continuamente, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y larealización de una cantidad equivalente de trabajo.

Para darle más profundidad y aplicación a este principio, supóngase que se estudia la operación y eficiencia de las maquinas térmicas. Un sistema particular puede ser un motor de gasolina, uno de propulsión, una máquina de vapor e incluso el cuerpo humano. La operación de una maquina térmica se puede describir mejor por medio de un diagrama similaral que se muestra en la Figura 21-9. Durante la operación de una de estas máquinas se llevan a cabo tres procesos:

1.- Se suministra una cantidad de calor Qent a la maquina desde un recipiente a alta temperatura Tent.
2.- La maquina efectúa un trabajo mecánico Wsal producido par una parte del calor de entrada.
3.- Cierta cantidad de calor Qsal se libera al recipiente a baja temperaturaTsal

Considerando que el sistema vuelve periódicamente a su estado inicial, el cambio neto de energía interna es cero. Por tanto, la primera ley nos dice que
Trabajo de salida = calor de entrada – calor de salida

Wsal=Qent-Qsal

La eficiencia de una máquina térmica se define como la razón del trabajo de salida al calor de entrada, y es comúnmente expresada como un porcentaje.Eficiencia= trabajo de salidacalor de entrada

E= Qent-QsalQent | (21-8) |

Por ejemplo, una máquina con una eficiencia de 25% (E = 0.25) debería absorber 1000 Btu, realizar 250 Btu de trabajo y desechar 750 Btu como perdida de calor. Una maquina 100% eficiente es aquella en la cual todo el calor aplicado es transformado en trabajo útil. En este caso no hay perdidas de calor hacia el medio ambiente(Qsal = 0). Aunque dicho proceso conservara energía, viola la segunda ley de la termodinámica. La maquina más eficiente es aquella que libera la menor cantidad de calor posible al medio ambiente.

| Figura 21-9 Diagrama esquemático de una máquina térmica |

CICLO DE CARNOT

Todas las maquinas térmicas están sujetas a muchas dificultades prácticas. Debido al rozamiento y a la perdida de...