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Máquinas térmicas y segunda ley
de la termodinámica
Física II

Máquinas térmicas y la segunda
ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica establece cuáles procesos pueden ocurrir
y cuáles no en la naturaleza. Los siguientes son ejemplos de procesos que son
consistentes con la primera ley de la termodinámica pero que proceden de un
orden gobernado por la segunda ley:•Cuando dos objetos a diferente temperatura se ponen en contacto térmico
entre sí, la energía térmica siempre fluye del objeto más caliente al más frío,
nunca del más frío al más caliente.
•Una bola de hule que se deja caer al suelo rebota varias veces y finalmente
queda en reposo, pero una bola que se encuentra en el suelo nunca empieza a
botar por sí sola.
•Debido a los choques con las moléculasde aire y la fricción, un péndulo
oscilante finalmente se detiene en el punto de suspensión. La energía
mecánica se convierte en energía térmica; la transformación inversa de
energía nunca ocurre.

Representación esquemática de una máquina térmica. La
máquina absorbe energía térmica Qc de un depósito caliente,
libera la energía térmica Qf al depósito frío y efectúa un trabajo
W.
Unamáquina térmica lleva a
cierta sustancia de trabajo a
Deposito caliente a T
través de un proceso de un
ciclo durante el cual 1) la
Q
W
energía térmica se absorbe de
una fuente a alta temperatura,
Motor
2) la máquina realiza trabajo, y
3) la máquina expulsa energía
Q
térmica a una fuente de menor
temperatura.
Depósito frío a T
c

c

f

f

A partir de la primera ley de latermodinámica vemos que el
trabajo neto W hecho por la
máquina térmica es igual al
calor neto que fluye hacia ella.
Como podemos ver de la figura,
Qneto = Qc - Qf; por lo tanto
 W = Qc - Qf
El trabajo neto hecho por un
proceso cíclico es el área
encerrada por la curva que
representa el proceso en el
diagrama PV.

Diagrama PV para un
proceso cíclico arbitrario.
El trabajo neto realizadoes
igual al área encerrada por
la curva.

La eficiencia térmica, e, de una máquina térmica se define como
el cociente del trabajo neto realizado a la energía térmica
absorbida a una temperatura más alta durante el ciclo:
Qf
W Qc  Q f
e

1 
Qc
Qc
Qc

Esta fórmula muestra que una máquina tiene un 100% de
eficiencia sólo sí Qf = 0. Es decir, no se entrega energía térmica
alreservorio frío.

La forma de Kelvin-Planck de la segunda ley de la
termodinámica establece lo siguiente:

Es imposible construir
una máquina térmica que,
operando en un ciclo, no
produzca otro efecto que
la absorción de energía
térmica de un depósito y
la realización de una
cantidad igual de trabajo.

Deposito caliente a Tc

Qc

Motor

Depósito frío a Tf

W

EjemploCalcule la eficiencia de una máquina térmica que absorbe
2000 J de energía de un depósito caliente y entrega 1500 J a
un depósito frío.
Qf
W Qc  Q f
e

1 
Qc
Qc
Qc

Ejemplo
Una máquina térmica tiene una eficiencia del 26%, ¿cuál es el
trabajo realizado si el depósito frío absorbe 240 J?
e

Qf
W Qc  Q f

1 
Qc
Qc
Qc

Tarea
Una máquina térmica absorbe 360 J de energíay realiza 25.0 J
de trabajo en cada ciclo. Encuentre a) la eficiencia de la
máquina, y b) la energía liberada al depósito frío en cada
ciclo.
Qf
W Qc  Q f
e

1 
Qc
Qc
Qc

Procesos reversibles e irreversibles
Un proceso reversible, es uno que puede efectuarse de manera tal que, a su conclusión,
tanto el sistema como sus alrededores, hayan regresado a sus condiciones inicialesexactas. Un proceso que no cumple con esta condición es irreversible.
TODOS LOS PROCESOS EN LA NATURALEZA SON IRREVERSIBLES

Muro
aislado
Vacío

Arena
Membrana
Depósito
caliente

Gas a Ti

Refrigeradores y bombas de calor
Los refrigeradores y las bombas de calor son máquinas térmicas
que operan a la inversa. La máquina absorbe energía térmica Qf del
depósito frío y entrega...