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Física Térmica 2004

Segunda Ley de la Termodinámica
Gonzalo Abal -- abril 2004
versión corregida – abril 2005: Agradezco a Leonardo Rosés la revisión de éste material
-- G.A.

1.Formulación Histórica
a) Necesidad de la Segunda Ley
•

Ejemplo: T de calor entre diferencia finita de T

•

Ejemplo: ciclo de refrigeración

b) Formulación de Kelvin-Planck
•

Definiciones: máquinatérmica, eficiencia térmica

•

Formulación de la segunda ley

c) Formulación de Clausius
•

Definiciones: refrigerador, bomba de calor, COP's

•

Formulación de la segunda ley

•

Equivalencia con formulación de KP

2. Reversibilidad e irreversibilidad
a) Procesos reversibles
•

Concepto General

b) Procesos irreversibles
•

Ejemplos varios con irreversibilidades externae interna.

c) Una máquina térmica reversible: el Ciclo de Carnot
•

Ejemplo con gas ideal: cálculo directo de eficiencia de carnot

•

Corolarios de carnot
1. La eficiencia de Carnot es la máxima posible.
2. Toda máquina térmica reversible opera con eficiencia de Carnot.

•

Rendimiento real de una máquina térmica reversible.

1

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1. FormulaciónHistórica
a) Necesidad de la Segunda Ley

¿Porque necesitamos una segunda ley?
La Primera ley (conservación de la energía) pone ciertos límites a los proceso posibles, pero
existen muchos procesos que la cumplen y no ocurren en la realidad.

Ejemplo 1: Transferencia de Calor a diferencia de temperatura finita.
Proceso directo:

Dos bloques idénticos de hierro: (m = 1kg, c = 0.450 kJ/kgK)intercambian calor en un recinto
aislado.

El bloque A esta a 100 C y el B a 20 C. De acuerdo a la primera ley, al cabo del proceso
intercambian 18 kJ y alcanzan la temperatura común de 60 C.

 U B=mc T B =mc 60−20= 18 kJ

A

B

 U A=mc  T A=mc 60−100=−18 kJ
U AB =0

T (C)
100
60
20

tiempo

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Para el "proceso en reversa":

Los bloques seencuentran inicialmente a la misma temperatura (60 C) y B cede 18 kJ de calor a A,
de modo que, de acuerdo a la primera ley, A alcanza los 100 C y B se enfría hasta 20 C.
Las ecuaciones de arriba siguen siendo válidas:

 U B =mc 20−60=mc  T B =−18 kJ

A

B

 U A=mc  T A=mc 100−60= 18 kJ
 U AB =0

T (C)
100

60
tiempo
20

Pero este tipo de procesos no tiene lugar en larealidad en forma espontánea.
El calor fluye espontáneamente en la dirección de menor temperatura.

La primera ley no es suficiente para discriminar entre los proceso reales y los virtuales.

3

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Ejemplo 2: Ciclo de Refrigeración

En clase se discutió el siguiente ciclo de refrigeración:

qe
3

2
evaporador

válvula
isentálpica

w

condensador

1

4

qcq e=h 3−h 2=1096,9 kJ / kg
q c =h 4 −h 1=−1342,8 kJ / kg
w=h 4−h 3=−246 kJ / kg

estado

P (kPa) T(C)

v (m3/kg)

h (kJ/kg)

s (kJ/kgK)

x
liq. s/comp.

1

1500

32

1'

1250

32

0,00169

332,6

0

2

268

-12

0,07360

332,6

0,16

3

268

-12

0,45050

1429,5

5,5015

1

4

1500

110

0,11730

1675,4

5,5015

vapors/calent.

El ciclo transcurre en sentido antihorario (1-2-3-4) y de acuerdo a la primera ley
qe = 1096,9 kJ/kg, qc = -1342,8 kJ/kgK y w = -246 kJ/kg.

El coeficiente de perfomance (COP) es:

o, como bomba de calor:

∣q e∣
COP r = =4,45
∣w∣
∣q c∣
COP b= =5,45
∣w∣

4

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¿Se puede, conforme a la primera ley, operar el ciclo en reversa?
es decir, en sentido horario(1-4-3-2-1), invirtiendo las flechas de calor y trabajo...

qe

opera, en reversa,
como una turbina
adiabática

3

2
ex-evaporador

válvula
isentálpica

w

ex-condensador

1

4

qc

q e =h 2 −h 3=−1096,9 kJ / kg
q c =h 4 −h1=1342,8 kJ / kg
w=h 4 −h3 =246 kJ / kg

Sin embargo, el proceso en la válvula es absurdo y no tiene lugar!
Sabemos que el flujo por una válvula...