SEGUNDA LEY DE LA

TERMODINAMICA

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía generalizada para incluir el calor como una forma de transferencia de energía.

Esta ley sólo afirma que un aumento en algunas de las formas de energía debe estar acompañado por una disminución en alguna otra forma de la misma.

La primera ley no produce ninguna restricción sobre los tipos de conversiones de energía que pueden ocurrir. Además no hace distinción entre el trabajo y el calor.

De acuerdo con la primera ley, la energía interna de un sistema se puede incrementar ya sea agregando calor o realizando un trabajo sobre el sistema.

Pero existe una diferencia muy importante entre el trabajo y el calor que no se evidencia de la primera ley. Por ejemplo, es posible convertir completamente el trabajo en calor, pero en la practica, es imposible convertir completamente el calor en trabajo sin modificar los alrededores.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley.

1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido.

2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa.

3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

Existen diferentes formas de enunciar la segunda ley de la termodinámica, pero en su versión más simple, establece que:

“El calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frío a un objeto caliente”.

A continuación se lista tres de las más empleadas. Si bien estas tres parecen no tener conexión entre ellas, todas son equivalentes entre sí.

Antes de presentar la formulación de kelvin-Planck del segundo principio. Debemos aclarar el concepto de reservorio o foco térmico, que es una clase espacial de sistema cerrado que se mantiene siempre a temperatura constante, aun cuando se le ceda o quite calor energía por transferencia de calor.

Las propiedades extensivas de un reservorio térmico, como la energía interna, puede cambiar en su interacción con otros sistemas aun cuando la temperatura del reservorio se mantiene constante.

1.- ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK

La formulación del segundo principio de kelvin-Planck puede expresarse como sigue:

“Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo termodinámico, ceda una cantidad neta de trabajo a su entorno mientras recibe energía por transferencia de calor procedente de un único reservorio térmico”.

“Es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a una temperatura más elevada”.

La formulación de clausius implica que es imposible construir un ciclo de refrigeración que funcione sin un consumo de trabajo.

2.- ENUNCIADO DE CLAUSIUS

La entropía puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden de un sistema aislado, nunca puede decrecer. Por tanto, cuando el sistema aislado alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. Puede demostrarse que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura baja a una región de temperatura mas alta. Es una función del estado del sistema, ya que tiene un valor único para cada estado.

ΔS = ΔQ/T

La entropía es una propiedad del intrínseca del STD relacionada con parámetros que lo caracterizan:

dS = dQ/T

dS: entropía del S T D.

dQ: intercambio de energía térmica entre el medio y el S T D.

T: temperatura a la que se registra el intercambio de energía térmica entre el medio y el S T D.

La expresión permite el calculo de variaciones pero no el conocimiento de valores absoluto. La variación entrópica de cualquier STD y su ambiente conjuntamente es positiva tendiendo a cero en los procesos reversible:

ΔS Total ≥0 (proceso irreversible) ΔS = 0 (proceso reversible)

3.- ENTROPIA

A partir del enunciado de clausius, para cualquier proceso que implique una transferencia espontanea de calor desde un cuerpo caliente a otro frio es irreversible y para los procesos que involucren cualquier otra clase de suceso espontaneo. Hay muchos efectos cuya sola presencia en un proceso define su irreversibilidad. El rozamiento, la resistencia eléctrica, la histéresis y la deformación inelástica son ejemplos.

Los procesos irreversibles incluyen una o mas de las siguientes irreversibilidades:1.- transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas.2.- expansión libre de un gas o liquido hasta una presión mas baja.3.- reacción química espontanea.4.- mezcla espontanea de sustancias con diferentes composición o estado.5.- rozamiento (tanto deslizamiento como viscosidad en un fluido).6.- flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia.7.- Magnetización o polarización de histéresis.8.- deformación inelástica.

Todo proceso involucra efectos como los ya mencionados, tanto si son procesos naturales como si son procesos desarrollados en dispositivos construidos, desde el mecanismo mas simple hasta la mas compleja planta industrial.

PROCESOS IRREVERSIBLES

El proceso de un sistema es reversible si el sistema y todas las partes de su entorno pueden devolverse exactamente a sus estados iniciales, después de que el proceso haya tenido lugar. Tras la discusión realizada sobre los procesos irreversibles, resulta evidente que los procesos reversibles son puramente hipotéticos. No pueden ser reversibles, lógicamente, los procesos que suponen una transferencia espontanea de calor a través de una diferencia finita de temperatura.

En el sentido estricto de la palabra, un proceso reversible es aquel que es ejecutado perfectamente.

PORCESOS REVERSIBLES

Como ningún ciclo de potencia puede tener un rendimiento térmico del 100%, resultara de interés determinar si existe un rendimiento máximo teórico. El rendimiento máximo teórico de los sistemas que desarrollan ciclos de potencia mientras intercambian calor con dos reservorios térmicos a diferentes temperaturas será evaluado por los corolarios de Carnot. Los dos siguientes corolarios del segundo principio explica que:

1.- El rendimiento térmico de un ciclo de potencia irreversible es siempre menor que el rendimiento térmico de un ciclo de potencia reversible cuando ambos operan entre los dos mismos focos térmicos.

2.- Todos los ciclos de potencia reversibles que operan entre los dos mismos focos térmicos tienen el mismo rendimiento térmico.

COROLARIOS DE CARNOT

Los dos corolarios de Carnot pueden demostrarse usando el enunciado de kelvin-Planck del segundo principio:

Wciclo ≤ 0 (un único foco)

A partir de los coeficientes máximos teóricos se establecen los corolarios del segundo principio:

1.- El coeficiente de operación de un ciclo de refrigeración irreversible es siempre menor que el rendimiento térmico de un ciclo de refrigeración reversible cuando ambos operan entre los dos mismos focos térmicos.

2.- todos los ciclos de refrigeración reversibles que operan entre los dos mismos focos térmicos tienen el mismo coeficiente de operación.

COROLARIOS PARA CICLOS DE REFRIGERACION Y BOMBA DE

CALOR