Maquinas térmicas

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 caucho 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 lasmoléculas de aire y la fricción, un péndulo
oscilante finalmente se detiene en el punto de equilibrio. La energía mecánica
se convierte en energía térmica; La transformación inversa de energía en este
caso no 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 trabajoW.
Una máquina térmica lleva a
cierta sustancia de trabajo a
través de un proceso de un
Deposito caliente a Tc

Qc

Motor

ciclo durante el cual: 1) la
W

energía térmica se absorbe de
una fuente a alta temperatura,
2) la máquina realiza trabajo, y

Qf
Depósito frío a Tf

3) la máquina expulsa energía
térmica a una fuente de menor
temperatura.

A partir de la primera ley dela
termodinámica 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 netorealizado es
igual al área encerrada por
la curva.

La Eficiencia térmica (o Rendimiento) – ε, 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


1
Qc
Qc
Qc

Esta fórmula muestra que una máquina tiene un 100% de
eficiencia sólo sí Qf = 0. Es decir, no seentrega energía térmica
al reservorio frío.


Enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica:
“Es imposible para cualquier
dispositivo operando en un ciclo
que recibe calor de un solo
depósitio y produce una cantidad
neta de trabajo”.
Con otras palabras:
Es decir, para mantenerse en operación
una máquina térmica debe intercambiar
calor tanto con un deposito de bajatemperatura como con una fuente de
alta temperatura. Este enunciado
también tiene el mensage: “Ninguna
máquina térmica puede tener una
eficiencia térmica del 100%”

Deposito caliente a Tc

Qc

Motor

Depósito frío a Tf

W

Ejemplo
Calcule 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  Qf


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?
Qf
W Qc  Q f


1
Qc
Qc
Qc



Tarea
Una máquina térmica absorbe 360 J de energía y realiza 25 J
de trabajo en cada ciclo. Encuentre:
a) la eficiencia de la máquina,
b) la energía liberada al depósito frío en cadaciclo.

Qf
W Qc  Q f


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 iniciales
exactas. Un proceso que no cumple con esta condición es irreversible.
TODOS LOS PROCESOS EN LA NATURALEZA SON IRREVERSIBLES...