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Segunda Ley de la Termodinámica - Coggle Diagram
Segunda Ley de la Termodinámica
Fundamentos y Conceptos Iniciales
4.1. Principios básicos
Dirección de procesos espontáneos
Ocurren naturalmente en un solo sentido
El calor fluye espontáneamente de mayor a menor temperatura
Restricciones de la Primera Ley
La energía se conserva, pero la 1ª Ley no predice si un proceso es posible
La 2ª Ley establece condiciones de factibilidad
Entropía y Desorden
La entropía del universo siempre aumenta en procesos reales ($\Delta S_{univ} > 0$)
Medida del desorden molecular y dispersión de energía
4.2. Depósitos de energía térmica (Fuentes y Sumideros)
Concepto
Cuerpo hipotético de capacidad calorífica infinita
Suministra o absorbe calor sin cambiar su temperatura
Fuente Térmica ($T_H$)
Suministra energía térmica a alta temperatura
Sumidero Térmico ($T_L$)
Absorbe energía térmica sobrante a baja temperatura (ej. atmósfera, ríos)
4.6. La escala termodinámica de temperatura
Definición de Kelvin
Independiente de las propiedades de las sustancias
Relación de calores y temperaturas en máquinas reversibles
$\frac{Q_H}{Q_L} = \frac{T_H}{T_L}$
Cero Absoluto ($0\text{ K}$)
Estado donde cesa el movimiento molecular (imposible de alcanzar según la 3ª Ley)
4.10. Procesos reversibles e irreversibles
Procesos Reversibles (Ideales)
Se pueden invertir sin dejar rastro en el sistema ni en los alrededores
Rendimiento máximo y sin generación de entropía
Procesos Irreversibles (Reales)
Generan entropía ($\Delta S > 0$)
Causas de irreversibilidad
Fricción y resistencia mecánica
Expansión libre e incontrolada
Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura
Mezcla de sustancias diferentes
Dispositivos Termodinámicos y Leyes Fundamentales
4.3. Enunciado de Kelvin-Planck
Postulado
Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y no produzca otro efecto que extraer calor de un solo depósito y realizar una cantidad equivalente de trabajo.
Implicación práctica
Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia del $100\%$ ($\eta_{th} < 1$)
Necesidad obligatoria de rechazar calor a un sumidero ($Q_L > 0$)
4.4. Máquinas térmicas
Función principal
Convertir calor transferido desde una fuente en trabajo mecánico continuo
Componentes principales
Entrada de calor ($Q_H$) desde la fuente
Salida de trabajo neto ($W_{net,out}$)
Rechazo de calor ($Q_L$) al sumidero
Eficiencia Térmica ($\eta_{th}$)
Fórmula general: $\eta
{th} = \frac{W
{net,out}}{Q_H} = 1 - \frac{Q_L}{Q_H}$
4.5. Refrigeradores y bombas de calor
Enunciado de Clausius
Es imposible construir un dispositivo que opere en ciclo y transfiera calor de un cuerpo frío a uno caliente sin recibir trabajo externo.
Refrigerador
Objetivo: Extraer calor ($Q_L$) de un espacio frío para mantenerlo a baja temperatura
Coeficiente de Desempeño: $COP_R = \frac{Q
L}{W
{in}} = \frac{Q_L}{Q_H - Q_L}$
Bomba de Calor
Objetivo: Suministrar calor ($Q_H$) a un espacio caliente para mantener su temperatura
Coeficiente de Desempeño: $COP_{HP} = \frac{Q
H}{W
{in}} = \frac{Q_H}{Q_H - Q_L}$
Relación entre coeficientes
$COP_{HP} = COP_R + 1$
4.8. La desigualdad de Clausius
Definición matemática
$\oint \frac{\delta Q}{T} \le 0$
Casos
Proceso Reversible: $\oint \frac{\delta Q}{T} = 0$
Proceso Irreversible: $\oint \frac{\delta Q}{T} < 0$
Proceso Imposible: $\oint \frac{\delta Q}{T} > 0$
Base formal para el concepto de Entropía ($dS = \frac{\delta Q_{rev}}{T}$)
Ciclo de Carnot y Análisis Teórico Máximo
4.7. La máquina térmica de Carnot
Máquina ideal que opera en el Ciclo Reversible de Carnot
Máxima eficiencia posible entre dos temperaturas
Eficiencia de Carnot
$\eta_{th,Carnot} = 1 - \frac{T_L}{T_H}$ (Temperaturas en Kelvin)
4.9. El refrigerador y la bomba de calor de Carnot
4.11. El ciclo de Carnot y principios de Carnot
Las 4 etapas del Ciclo de Carnot
Expansión isotérmica reversible (a $T_H$, absorbe $Q_H$)
Expansión adiabática reversible (la temperatura baja de $T_H$ a $T_L$)
Compresión isotérmica reversible (a $T_L$, rechaza $Q_L$)
Compresión adiabática reversible (la temperatura sube de $T_L$ a $T_H$)
Principios de Carnot
La eficiencia de una máquina irreversible es siempre menor que la de una reversible entre los mismos depósitos.
Las eficiencias de todas las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos son exactamente iguales.