Carnot Termodinamica

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
EXPERIENCIA:

Q

Dos consecuencias empíricas y el sentido de evolución de los procesos:
Siempre se observa transferencia de energía térmica desde un sistema de mayor temperatura a otro con
menor temperatura, y aunque la 1ª Ley lo permite, nunca se observa el caso contrario.
Siempre es posible transformar todo el trabajo en calor, pero nunca se ha conseguidotransformar todo el
calor en trabajo, aunque la 1ª Ley lo permita.
Hay procesos que sólo pueden seguirse en una dirección y no en la opuesta:

PROCESO
El objeto de la segunda Ley termodinámica es establecer la posible evolución de un proceso.
DEFINICIONES: Baño, depósito o fuente térmica; Baño, depósito o sumidero térmico, baño frío, baño
caliente.
Maquina térmica: Sistema termodinámico que recibe calor(QH) de un baño caliente, cede calor (QL) a
un baño frío y produce trabajo (W), todo ello en un proceso cíclico. Ejemplo de una central eléctrica
junto con el diagrama general de las máquinas térmicas:

TURBINA

QH

CALDERA

BOMBA

W
QL

CONDENSADOR

Dos advertencias:
* El fluido que sigue el ciclo es el mismo en la central eléctrica, pero no tiene porque ser así como ocurre
en los motores decombustión como veremos.
* Por definición QH, QL y W se toman como cantidades positivas (naturalmente esto genera confusión y
hay que tener cuidado: cuando se use la 1ª Ley como el calor QL sale del sistema (o VC) habrá que poner
un signo negativo).

La 1ª Ley establece que: ∆U=Q-W=QH – QL – W, como el proceso es un ciclo (∆U=0):
QH – QL = W
No todas las máquinas obtienen el mismo trabajo consumiendoel mismo calor y por tanto, se define
rendimiento o eficiencia de una máquina al cociente entre lo que se desea (trabajo) y lo que se gasta
(QH):
η = W/QH = (QH – QL)/QH = 1 – QL/QH,
que necesariamente tiene que ser η<1 (si fuera igual a 1 ⇒ QL=0 y todo el calor se ha convertido en
trabajo, algo que no ocurre nunca como hemos visto).
¿Dónde está el origen de la pérdida de energía QL?
Hay doscausas: una es debida a la fricción y que puede ser reducida en principio sin límite, es una
cuestión de técnica. Otra es inevitable y forma parte del comportamiento de la materia: la segunda ley
nos enseña a saber hasta donde podemos llegar para aumentar el rendimiento al máximo posible, que
nunca será UNO. El siguiente proceso muestra claramente la imposibilidad de eliminar todas las pérdidas
en unproceso cíclico.

W=15kJ

30ºC

90ºC

30ºC

Q=100kJ

Q=-85kJ

Baño a 100ºC

Baño a 20ºC

De lo dicho podemos concluir con el enunciado de Kelvin-Planck de la 2ª Ley:
Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño caliente, producir trabajo y no ceder
nada de calor a un baño frío.
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR:
Q
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A

EVAPORADOR

800kPa30ºC

QH

VÁLVULA

W
QL

800kPa
60ºC

COMPRESOR

120kPa
-25ºC

120kPa
-20ºC
CONDENSADOR

Son “máquinas térmicas” usadas en la dirección opuesta: gastando trabajo, W, se saca energía de un
baño frió, QL, y se cede calor, QH, a un baño caliente. La 1ª Ley exige que W+QL=QH, es decir QH>QL
Según se utilice para enfriar el baño frío o calentar el caliente se llama refrigerador o bomba de calorrespectivamente. Los acondicionadores de aire suelen actuar de las dos formas mediante un sistema de
controles de forma que en invierno enfrían la calle para calentar la casa y en verano al revés.
Coeficientes de operación o rendimiento (NO ES LO MISMO QUE η)
COP(refrigerador)
=energía deseada/coste energético =QL/W = 1/(QH/QL – 1)
que puede ser mayor que 1.
COP(bomba de calor)=energía deseada/costeenergético= QH/W = 1/(1 – QL/QH)
que es necesariamente mayor que 1
De lo dicho podemos concluir con otro enunciado de la 2ª Ley debido a Clausius:
Es imposible para cualquier máquina térmica recibir calor de un baño frío y cederlo a un baño caliente sin
gasto de trabajo.
Equivalencia entre los dos enunciados

TH
QH

QH+QL
W=QH
η=100%
QL

≡

QL

QL

TL

Movimientos perpetuos de primera y segunda...