Segunda Ley De La Termodinamica

Termofluidos 3

III. Segunda ley de la termodinámica. 3.1 Introducción. El trabajo y la energía son formas de energía mutuamente intercambiables. Para éste capitulo se estudia la interconvertibilidad de estas cantidades con el fin de determinar cualquier posible limitación de expresar ésta de manera cuantitativa. Considerar el movimiento de un bloque que se desliza a lo largo de un planohorizontal rugoso. Para que se realice el movimiento a lo largo del plano, es necesario que se haga trabajo sobre el cuerpo. Todo éste trabajo aparece después en forma de calor en la interfaz entre el bloque y el plano. El trabajo se ha convertido en calor, pero ¿puede el calor generado en éste proceso convertirse en una cantidad de trabajo equivalente?. Supóngase (erróneamente) que éste calor puedeconvertirse en trabajo sin perdida alguna en el proceso. Se sabe que la energía como calor reside en el movimiento de las moléculas individuales dentro del cuerpo. Aumentando el movimiento molecular del cuerpo, se hace, en un sentido general, trabajo; pero del mismo modo, es posible distinguir que ésta forma de trabajo no es la misma que el trabajo externo puesto en el proceso. La energía detransición original en forma de trabajo se ha convertido en calor, y éste puede expresarse como trabajo molecular; pero no podrá disponerse de ésta forma de energía para regresar el cuerpo a su estado original. De éste ejemplo se observa que el trabajo puede convertirse en calor, pero que la conversión de calor en trabajo útil no siempre es posible. 3.2 Procesos reversibles e irreversibles. El proceso quese ha considerado anteriormente es un proceso irreversible. El calor generado durante el movimiento hacia delante del bloque no se regresó al sistema como trabajo durante el movimiento de regreso. Por el contrario, se generó más calor durante el movimiento de regreso, y aun sí tanto el plano como el cuerpo estuvieran perfectamente aislados de sus alrededores, nada del calor generado se habríaregresado al sistema en forma de trabajo. Un proceso reversible es aquel que se lleva a cabo de manera tal que el sistema y todos sus alrededores pueden regresarse a sus estados iniciales efectuando el proceso inverso. La segunda ley de la termodinámica es una expresión del hecho empírico de que todas las formas de energía no necesariamente son equivalentes en su capacidad para realizar un trabajo.Una de las muchas consecuencias de la segunda ley de la termodinámica es la conclusión de que todos los proceso naturales son irreversibles. Ya se ha demostrado que la presencia de fricción hará que un proceso sea irreversible. 3.3 El ciclo de Carnot. El ciclo termodinámico reversible que él propuso lleva su nombre Nicolas Leonard Sadi Carnot. Carnot propuso un ciclo reversible compuesto por dosprocesos isotérmicos reversibles y dos proceso adiabáticos reversibles.

QH T e m p e r a t u r a 1 TH 2

QL

TL 4

3

S1 – S4 Entropía

S2 – S3

Figura 3.3-1 Ciclo de Carnot en un diagrama de temperatura- entropía. El proceso 1 → 2 es isotérmico reversible; el proceso 2→ 3 es adiabático reversible; el proceso 3→ 4 es isotérmico reversible; el proceso 4→ 1 es adiabático reversible.Para el ciclo de Carnot, se define la siguiente secuencia de sucesos: a) Se toma calor de un medio infinito (fuente) a T1 de manera isotérmica y reversible. Básicamente, esto es equivalente a una recepción de calor cuasi estática en el ciclo, sin diferencias de temperatura. b) Se deja que la energía recibida en el paso produzca trabajo mediante la expansión adiabática y reversible en unamaquina ideal libre de fricción. Durante este paso se produce un trabajo neto, pero no se permite que haya intercambio de energía en forma de calor a través de las fronteras del sistema, aun cuando la presión y la temperatura del fluido de operación puedan haber cambiado. c) En este momento la temperatura del fluido de operación en el ciclo es T2 y se quiere regresarla a su punto de partida. Para...