Termodinamica

TERMODINÁMICA y FÍSICA ESTADÍSTICA I
Tema 5 - LAS MÁQUINAS TÉRMICAS Y EL SEGUNDO PRINCIPIO
DE LA TERMODINÁMICA
Transformación de trabajo en calor y viceversa. Ciclo de Otto. Ciclo de Diesel. Ciclo de
Rankine. Ciclo de Stirling. Refrigeradores. Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius del
segundo principio de la termodinámica. Ciclo de Carnot. Teorema de Carnot.
Reversibilidad e irreversibilidad.Escala termodinámica de temperaturas.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA:
• Zemansky, Capítulos 6 y 7 (7 y 8 en las ediciones más antiguas).
• Aguilar, Capítulos 7 y 17.

Transformación de trabajo en calor y viceversa

∆U=Q+W

⇒ si U = constante, W = −Q

* procesos donde W → Q , pueden ser indefinidos
* procesos donde Q → W , no puede utilizarse indefinidamente pues implican un cambio de estado delsistema

→ CICLOS TÉRMICOS (∆U=0)

−Qf : calor cedido por el
sistema a un foco frío

Qc > 0
Qc : calor absorbido por el
sistema desde un foco caliente

SISTEMA

Q f< 0

W<0
−W : trabajo realizado por el sistema

Motores térmicos

Qc > Q f ⇒ W < 0
Se define RENDIMIENTO TÉRMICO:

trabajo _ producido W
η=
=
calor _ absorbido
Qc
−Qf : calor cedido por el
sistema a un foco frío

Qc > 0
Qc : calor absorbidopor el
sistema desde un foco caliente

SISTEMA

Q f< 0

W<0
−W : trabajo realizado por el sistema

Motores térmicos

∆U = 0 = Q + W ⇒ Qc − Q f = W

η=

W
Qc

=

Qc − Q f
Qc

= 1−

Qf
Qc

=η

Si Qf = 0, el rendimiento sería ¡¡ η = 100% !! ???

MOTORES
TÉRMICOS
BÁSICOS

• Combustión externa

• Combustión interna

- Motor de Stirling
- Máquina de vapor (ciclo Rankine)
- Motor de gasolina (cicloOtto)
- Motor Diesel

Motores térmicos: Motor de Stirling

Qf
QR
QR

Qc

Qc

QR
QR

Qf

Motores térmicos: Máquina de vapor

Qc

Qc

Qf

Qf

Ciclo de Rankine

Motores térmicos de combustión interna

Qc

Motor de
gasolina
(Ciclo Otto)

Qc

Motor
Diesel
Qf

Qf

Enunciado de Kelvin-Planck
del 2º Principio de la Termodinámica

Qc

W

Qf

No es posible un proceso cuyo único
resultado sea la absorciónde calor
de una fuente y la conversión de
calor en trabajo

Frigoríficos

Qc > Q f ⇒ W > 0

Qc

Qf

Frigoríficos

Qc

Qc

Qf
Qf

Ciclo de Rankine inverso

Frigoríficos

Se define EFICIENCIA de un FRIGORÍFICO:

Qf
calor _ extraido _ del _ foco _ frío
ω=
=
trabajo _ realizado _ sobre _ el _ refrigerante W

∆U = 0 = Q + W ⇒ Qc − Q f = W

ω=

Qf
W

=

Qc − W
W

=

Qc
W

−1 = ω

Si W = 0, laeficiencia sería infinita ???

Enunciado de Clausius
del 2º Principio de la Termodinámica

Qc

Qf

No es posible un proceso cuyo
único resultado sea la transferencia
de calor desde un cuerpo frío a uno
caliente

Equivalencia de los enunciados de Kelvin-Planck
y de Clausius del 2º Principio de la Termodinámica

Reversibilidad e Irreversibilidad

Proceso REVERSIBLE: Aquél que ocurre de tal modo que,
alfinalizar el mismo, tanto el sistema como su entorno
inmediato pueden recuperar sus estados iniciales sin ocasionar
ningún cambio en el resto del “universo”. (Un proceso que no
cumple estos requisitos se dice que es irreversible).
→ ¡Como consecuencia del Segundo Principio de la
Termodinámica, todos los procesos naturales (espontáneos)
son irreversibles!
Tipos
de
IRREVERSIBILIDAD

•Irreversibilidad MECÁNICA (externa/interna)
• Irreversibilidad TÉRMICA (externa/interna)
• Irreversibilidad QUÍMICA

Irreversibilidad MECÁNICA
• Irreversibilidad mecánica externa
→ PROCESOS DISIPATIVOS:

Transformación isoterma de trabajo
en energía interna de un foco de calor

- viscosidad
- rozamiento
- inelasticidad
- resistencia eléctrica
- histéresis magnética
Transformación adiabática de trabajo
enenergía interna de un sistema

W
∆U=0

SISTEMA
Foco térmico

Q

W

∆U=W

T=constante

NO es posible volver reversiblemente al estado inicial sin violar el enunciado de K-P del 2º principio

Irreversibilidad MECÁNICA
• Irreversibilidad mecánica interna
→ Procesos que implican la transformación de la energía interna de un
sistema en energía mecánica (como resultado de una inestabilidad
mecánica) que...