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Tema 12. Segundo principio de la Termodinámica

Tema 12. Segundo Principio de la Termodinámica

12.1 Máquinas térmicas y bomba de calor 12.2 Enunciado de Kelvin Planck 12.3 Máquinas frigoríficas 12.4 Enunciado de Clausius 12.5 Ciclo de Carnot 12.6 Concepto de entropía

Introducción
Capa de aislante térmico

Foco caliente Tc

L Foco frío Tf
Barra conductora del calor

Los procesostermodinámicos se desarrollan de forma espontánea en una determinada dirección y no en la otra

1 Motor térmico

Proceso cíclico: El sistema termodinámico experimenta una secuencia de procesos termodinámicos de tal manera que el estado final del sistema coincide con el inicial.

Ejemplo de proceso cíclico

Motor termodinámico
Sistema termodinámico que experimenta una transformacióncíclica que produce trabajo, absorbiendo calor de un foco caliente y cediendo calor a un foco frío

El motor contiene lo que se denomina SUSTANCIA DE TRABAJO (agua en las máquinas de vapor, mezcla de aire y gasolina o diesel en los motores de combustión interna…)

Ejemplo de máquinas térmicas
MÁQUINA DE VAPOR

Rendimiento de un motor térmico
En el ciclo ΔU = 0  W = Q

W  Qc  Q fDefinición de rendimiento

W  Qc

2 Enunciado de Kelvin-Plank del segundo principio

•El rendimiento de un motor termodinámico sería 1 si Qf=0

•La experiencia demuestra que esta situación no es posible
•Kelvin-Plank dan a este resultado experimental categoría de PRINCIPIO (2º principio de la Termodinámica):

•No es posible un proceso termodinámico cuyo único resultado sea la absorción decalor de una fuente y su conversión íntegra en trabajo.

9.3 Máquina frigorífica
Sistema termodinámico que experimenta una transformación cíclica absorbiendo calor de un foco frío y cediéndolo a un foco caliente, consumiendo trabajo en el proceso.

Eficacia de una máquina frigorífica:

9.2 Enunciado de Clausiuss del segundo principio
•La eficacia de una máquina frigorífica sería infinita siW=0
•La experiencia demuestra que esta situación no es posible •Clausiuss plantea este resultado con categoría de PRINCIPIO (2º principio de la Termodinámica):

•No es posible un proceso termodinámico cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente sin consumir trabajo.

Equivalencia entre los enunciados de KelvinPlank y Clausiuss
Proposición A:No existe el motor ideal (con η=1)

Proposición B: No existe el frigorífico ideal (con ε = ∞)

Si No A  No B
Si No B  No A

A B

Si es posible el motor ideal entonces será posible el frigorífico ideal

Foco caliente, TC
Q´C=W

QC W QF
Frigorífico

W
Motor ideal

Foco frío, TF
El conjunto es una máquina frigorífica ideal  No B

Bomba de calor
Es una máquina frigoríficacuyo propósito es calentar el foco caliente.

Foco caliente, TC
QC W QF
Bomba de Calor

Definición de eficacia

Foco frío, TF

1≤ε < ∞

5 Ciclo de Carnot

Según el 2º principio, ningún motor termodinámico puede tener rendimiento 1, pero ¿cual será el motor de rendimiento máximo que podemos construir tal que funcione entre dos fuentes dadas?

Reversibilidad
Procesos espontáneosirreversibles: -transferencia de calor desde un foco caliente a otro frío - Disipación de trabajo de rozamiento en calor

Rozamiento

Reversibilidad
Carnot postula una máquina térmica reversible : sin rozamiento mecánico y sin transferencia de calor entre focos con diferencias finitas de temperatura

T+dT T

T

T+dT

Flujo de calor

Flujo de calor

Ciclo de Carnot Expansiónisoterma a TC
Expansión adiabática

QC

compresión adiabática compresión isoterma a TF

QF

Ciclo de Carnot

•Todos los procesos que constituyen el Ciclo de Carnot son reversibles. •Si se recorre en sentido inverso tenemos un frigorífico de Carnot.

•Puede demostrarse que el rendimiento de un motor de Carnot depende sólo de las temperaturas de las fuentes caloríficas:

TC  TF TF...