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Segunda Ley de la Termodinámica - Coggle Diagram
Segunda Ley de la
Termodinámica
Establece la diferencia en calidad entre las diferentes formas de energía y explica por qué algunos procesos pueden ocurrir de manera espontánea mientras que otros no lo logran.
Máquinas térmicas
Es un dispositivo que convierte energía térmica en un trabajo mecánico; es decir, se alimenta energía
térmica a la máquina en forma de calor y se obtiene como resultado trabajo mecánico.
El calor | Qc | proporcionado por el foco caliente.
El calor | Qf | cedido al foco frío
El trabajo | Wext | realizado por la turbina
El trabajo Wint necesario para hacer funcionar la máquina térmica
La cantidad neta de trabajo que proporciona la máquina es lo que produce, menos lo que emplea en funcionar
El primer principio de la termodinámica, por
tratarse de un proceso cíclico la energía interna del sistema no cambia en un ciclo, y el trabajo neto equivale a la diferencia entre el el calor que entra y el calor que sale
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Postulados de Clausius, Kelvin y Planck para la Segunda Ley de la Termodinámica
Clausius: Es imposible construir un
dispositivo que, operando de manera continua, solamente producirá el efecto de transferir calor desde un cuerpo de baja temperatura a un cuerpo de alta temperatura.
Kelvin-Planck: Es imposible
construir un dispositivo que, operando de manera continua (en un ciclo) solamente producirá el efecto de transferir calor desde un solo depósito y producir la misma cantidad de trabajo.
Otros enunciados para la Segunda
Ley son:
Todos los procesos espontáneos dan por resultado un estado más probable.
La entropía de un sistema aislado nunca disminuye.
Procesos reversibles
Para un sistema se define como un proceso que una vez efectuado puede revertirse y no producir ningún cambio en el sistema o en los alrededores.
Un proceso reversible, o ciclo reversible si el proceso es cíclico, puede revertirse mediante cambios infinitesimales en alguna propiedad del sistema sin que existan pérdidas o disipación de energía.
Un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial después de que el proceso tuvo lugar.
Un proceso que involucra la transferencia de calor espontánea de un cuerpo caliente a otro de menor temperatura es irreversible.
Si no fuese así, sería posible regresar esta energía desde el cuerpo de menor temperatura hacia el cuerpo caliente sin ningún efecto sobre los dos cuerpos o en sus alrededores.
Irreversibilidades
Los procesos irreversibles incluyen una o más de las siguientes irreversibilidades:
Transferencia de calor debido a una diferencia finita de temperaturas
Expansión irrestricta de un gas o líquido a una presión más baja.
Reacción química espontánea.
Fricción.
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Ciclo de Carnot
un sistema que ejecuta un ciclo entre dos depósitos térmicos, uno de alta temperatura y otro de baja temperatura mientras produce un trabajo neto,denominado Wciclo.
Segunda Ley de la
Termodinámica por lo que una operación así de una máquina térmica no es posible.
La eficiencia térmica de un ciclo de potencia
irreversible siempre es menor a la eficiencia térmica de un ciclo de potencia reversible cuando ambos operan entre los mismos depósitos térmicos.
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Ciclo de Carnot
La Segunda Ley de la Termodinámica limita también la operación de los ciclos de
refrigeración y de bomba de calor, tal y como lo hace para los ciclos de potencia.
La operación de los ciclos de refrigeración o de bomba de calor no se evalúa utilizando la eficiencia térmica, para ello se utiliza el coeficiente de
Para un ciclo de refrigeración el coeficiente de operación se calcula así
:
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La escala de temperatura termodinámica
La Ley Cero de la Termodinámica proporciona una base para la medición de la temperatura.
Una escala de temperatura que sea independiente de cualquier sustancia, la cual puede denominarse la escala de temperatura absoluta, es algo deseable
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ENTROPÍA
En concepto de temperatura está comprendido en la ley cero de la termodinámica y el de energía interna en la primera ley.
Es decir se pueden utilizar para describir el estado de un sistema. Otra función de estado, relacionada con la segunda ley de la termodinámica, es la función entropía
el cambio de entropía, dS, entre dos estados de equilibrio está dado por el calor transferido, dQ, dividido entre la temperatura absoluta T del
sistema, en ese intervalo.
La unidad de medida de la entropía en el SI es J/K.
Cuando el sistema absorbe calor, dQ es positivo y la entropía aumenta
Cuando el sistema libera calor, dQ es negativo y la entropía disminuye
Se pueden expresar estos resultados diciendo que un arreglo desordenado es más probable que uno ordenado, si se dejan actuar las leyes de la naturaleza sin interferencia.
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En el caso de un proceso reversible y adiabático, no se transfiere calor entre el sistema y sus alrededores, y por lo tanto, en este caso ∆S = 0
Como no hay cambio en la entropía, un proceso adiabático también se conoce como un proceso isentrópico (de igual entropía)
Considerar la transferencia de calor Q,
desde una fuente caliente a la temperatura TC hacia una fuente fría que está a la temperatura TF.
Como la fuente fría absorbe el calor Q, su entropía aumenta en Q/TF
Al mismo tiempo, la fuente caliente
pierde el calor Q, y su entropía
disminuye en Q/TC. El aumento en la
entropía de la fuente fría es mayor que la disminución de la entropía en
la fuente caliente, ya que TF es menor que TC.
Entropía en la transferencia de calor irreversible.
En general, la entropía total y el desorden siempre aumentan en los procesos irreversibles.
De estas consideraciones, se puede enunciar la segunda ley de la termodinámica como sigue:
“la entropía total de un sistema aislado que efectúa un cambio no puede disminuir”
Si el proceso es irreversible, la entropía total de un sistema aislado siempre aumenta
En un proceso reversible, la entropía total
de un sistema aislado permanece constante.
“el cambio en la entropía del Universo debe ser mayor que cero para un
proceso irreversible e igual a cero para un proceso reversible”
ENTROPÍA EN REACCIONES QUÍMICAS
Cuando se analiza una reacción química lo que se suele hacer es
Expansión isoterma cuasiestática
Teniendo en cuenta que la temperatura es constante podemos sacarla fuera de la integral en el cálculo de la variación de entropía:
Teniendo en cuenta que la temperatura es constante podemos sacarla fuera de la integral en el cálculo de la variación de entropía:
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Calentamiento a volumen constante
Supongamos ahora una cierta cantidad de gas ideal que se va calentando
gradualmente en un recipiente rígido.
En este caso, el calor que entra en
el gas para producir un incremento de temperaturas dT vale
Transformación adiabática
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