Este documento resume los conceptos fundamentales de la segunda ley de la termodinámica. 1) Explica que los procesos naturales son irreversibles y aumentan el desorden. 2) Introduce el concepto de entropía como una medida cuantitativa del desorden. 3) Establece que la entropía total de un sistema aislado nunca disminuye en un proceso natural, solo aumenta o se mantiene constante.

1. Segunda Ley
de la
Termodinámica
1
Marcos Guerrero

2. 2
Procesos reversibles
En un proceso reversible el sistema se somete al proceso que puede
regresar a sus condiciones iniciales a lo largo de la misma trayectoria
sobre un diagrama PV, y cada punto a lo largo de dicha trayectoria
esta en estado de equilibrio.
Un gas en contacto térmico con
un deposito de energia se
comprime lentamente conforme
granos individuales de arena
caen sobre el pistón. La
compresión es isotérmica y
reversible.
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3. 3
Procesos irreversibles
Todos los procesos termodinámicos que se dan en la naturaleza son
procesos irreversibles, es decir, procesos que se efectúan
espontáneamente en una dirección pero no en otra.
El proceso reversible es una idealización; todos los procesos reales en
la Tierra son irreversibles.
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4. 4
Proceso reversible e irreversible
Marcos Guerrero

5. 5
Desorden y procesos termodinámicos
La transferencia de calor implica cambios de energía en un
movimiento molecular desordenado, aleatorio. Por lo tanto, la
conversión de energía mecánica en calor implica un aumento de la
aleatoriedad o el desorden.
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6. 6
Maquinas térmicas
Es un dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o
energía mecánica o bien Una máquina térmica es un dispositivo que
toma energia por calor y, al funcionar en un proceso cíclico, expulsa
una fracción de dicha energia mediante trabajo.
Para el análisis de las maquinas térmicas es
importante considerar:
Fuente Caliente puede dar a la sustancia de
trabajo grandes cantidades de calor a
temperatura constante TH
Fuente fría la cual puede absorber grandes
cantidades de calor desechado por la
máquina a una temperatura constante menor
TC
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7. 7
Diagrama de flujo de energia y eficiencia
QH Representa el calor absorbido por
la maquina durante un ciclo..
QC Representa el calor rechazado por
la maquina durante un ciclo.
Por lo tanto el calor Q neto absorbido
por el ciclo es:
Q QH
QC
QH
QC
La salida útil de la maquina es el
trabajo W efectuado por la sustancia
de trabajo
Nuestro interés es convertir todo
el QH en trabajo.
W
Q QH
QC
QH
QC
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8. 8
Eficiencia térmica
e
e
W
QH
QH
e 1
QC
QH
QC
QH
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9. 9
Problema
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10. 10
Solución
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11. 11
Maquinas de combustión interna
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12. 12
Ciclo OTTO o de Gasolina
a-b Compresión isentrópicos
b-c Adición de calor a volumen
constante.
c-d Expansión isentrópica.
d-a Rechazo de calor a volumen
constante.
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13. 13
Ciclo OTTO o de Gasolina
Eficiencia del ciclo
Los procesos bc y da son a volumen
constante, así que
Usando la ecuación de eficiencia
anterior tenemos:
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14. 14
Para simplificar más esto, usamos la relación temperatura-volumen
para procesos adiabáticos con gas ideal
Dividimos ambas ecuaciones entre el factor común
Eliminando por división el factor común (Td - Ta), obtenemos
e 1
1
r
1
; Donde r es la relacion de compresionr
(Va / Vb )
Eficiencia térmica del ciclo OTTO, e
siempre debe ser menor a 1. (e<1)
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15. 15
Ciclo diesel
a-b Compresión adiabática.
b-c Adición de calor a presión
constante.
c-d Expansión adiabática.
d-a Rechazo de calor a presión
constante.
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16. 16
;
Relación de compresión
Marcos Guerrero

17. 17
Siempre se cumple que
eotto
ediesel
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18. Refrigeradores
18
Un refrigerador hace lo contrario; toma calor de un lugar frío (el interior
del refrigerador) y lo cede a un lugar más caliente (generalmente al
aire del sitio donde está el refrigerador).
Por la primera ley para un proceso
cíclico
El mejor ciclo de refrigeración es el
que saca el máximo de calor del
refrigerador con el menor gasto de
trabajo mecánico, Por tanto, la razón
relevante es
COP
QC
W
QC
QH
QC
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19. 19
Marcos Guerrero

20. 20
Bomba de calor y refrigeradores
COP
QC
W
QC
QH
QC
Coeficiente de desempeño
de enfriamiento
COP
QH
W
QH
QH
QC
Coeficiente de desempeño
de calentamiento
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21. 21
La segunda ley de la termodinámica
Kelvin–Planck :“Es imposible que un sistema
efectúe un proceso en el que absorba calor
de una fuente de temperatura uniforme y lo
convierta totalmente en trabajo mecánico,
terminando en el mismo estado en que
inició.”
Replanteamiento de la segunda ley
“Es imposible que un proceso tenga como único resultado la
transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.”
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22. 22
Marcos Guerrero

23. 23
Marcos Guerrero

24. 24
Marcos Guerrero

25. 25
Problema
Marcos Guerrero

26. 26
Solución
Marcos Guerrero

27. 27
Problema
Marcos Guerrero

28. 28
Solución
Marcos Guerrero

29. Ciclo de Carnot
29
Marcos Guerrero

30. 30
Pasos del ciclo de Carnot
1. El gas se expande isotérmicamente a temperatura TH,
absorbiendo calor QH (ab).
2. El gas se expande adiabáticamente hasta que su
temperatura baja a Tc (bc).
3. El gas se comprime isotérmicamente a Tc, expulsando
calor
4. El gas se comprime adiabáticamente hasta su estado
inicial a temperatura TH
(da).
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31. Ciclo de Carnot
31
Conociendo que:
De forma similar,
La razón de las dos cantidades de calor es entonces
Esto puede simplificarse aún más usando la relación temperaturavolumen para un proceso adiabático.
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32. Ciclo de Carnot
32
Dividiendo la primera expresión entre la segunda:
Por lo tanto, los dos logaritmos de la ecuación anterior son iguales,
y esa ecuación se reduce a
Transferencia de calor de una
maquina de Carnot
La eficiencia de una máquina de Carnot es
eCarnot
TC
1
TH
TH TC
TH
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33. 33
Refrigerador de Carnot
Dado que cada paso del ciclo de Carnot es reversible, todo el ciclo
podría revertirse, convirtiendo la máquina en refrigerador.
COP
QC
QC / QH
QH
QC
1 QC / QH
Reemplazamos QC / QH
El resultado es :
TC
COPCarnot
TH TC
COPCarnot
TH
TH
TC
TC / TH
Coeficiente de rendimiento
de un refrigerador de Carnot
Coeficiente de rendimiento
de calentamiento de Carnot
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34. 34
Ciclo de Carnot y la Segunda Ley
Marcos Guerrero

35. 35
Definición de la escala de temperatura Kelvin
Define
una
escala
de
temperatura con base en el
ciclo de Carnot y la segunda ley
de la termodinámica, y es
independiente
del
comportamiento de cualquier
sustancia específica. Por lo
tanto, la escala de temperatura
Kelvin es en verdad absoluta.
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36. 36
Problema
Marcos Guerrero

37. 37
Solución
Marcos Guerrero

38. 38
Entropía (J/K) y Desorden
La entropía es una medida cuantitativa del desorden.
Para introducir este concepto, consideremos una expansión
isotérmica infinitesimal del gas ideal.
Introducimos el símbolo S para la entropía del sistema, y definimos el
cambio infinitesimal de entropía dS durante un proceso reversible
infinitesimal a temperatura absoluta T como
Si se agrega un calor total Q durante un proceso isotérmico
reversible a temperatura absoluta T, el cambio de entropía total
está dado por
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39. 39
Problema
Marcos Guerrero

40. 40
Entropía en procesos reversibles
f
S
ds
i
Qr
f
i
dQr
T
El subindice r, es un recordator de
io
que la energia transferi se medira a lo largo
da
de una trayector reversible.
ia
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41. 41
Problema
Marcos Guerrero

42. 42
Solución
Marcos Guerrero

43. 43
Entropía en procesos cíclicos
Concluimos que el cambio de entropía total en un ciclo de
cualquier máquina de Carnot es cero.
Marcos Guerrero

44. 44
Entropía en procesos cíclico reversible
Marcos Guerrero

45. 45
Entropía en procesos irreversibles
“La entropía total de un sistema aislado que se somete a un cambio
no puede disminuir”.
S
0
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46. 46
Problema
Marcos Guerrero

47. 47
Solución
Marcos Guerrero

48. 48
Solución
Marcos Guerrero

49. 49
Cambio en entropía en conducción térmica
El cambio en entropía del sistema (y del Universo)
es mayor que cero:
Marcos Guerrero

50. 50
Cambio en entropía en una expansión libre
Ya que T es constante en este proceso,
se encuentra que el cambio de entropía para el gas es
Ya que Vf > Vi, se concluye que la cambio de entropía es positivo.
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51. 51
Entropía para cualquier proceso
Ds =
DQ
T
dQ
Ds12 = ò
T
dU = dQ - dW
dQ = dU + dW
dQ = nCV dT + PdV
s12
PV = nRT
nRT
P=
V
s12
s12
dV
nCV dT nRT
V
T
2
dT
dV
nCV
nR
T
V
1
T2
V2
nCV ln
nR ln
T1
V1
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52. 52
Entropía para proceso isotérmicos
0
s12
T2
V2
nCV ln
nR ln
T1
V1
s12
V2
nR ln
V1
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53. 53
Entropía para proceso isovolumetrico
0
dq dU dW
0
s12
T2
V2
nCV ln
nR ln
T1
V1
s12
T2
nCV ln
T1
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54. 54
Solución
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55. 55
Entropía para proceso isobáricos
dQ = nC p dT
Ds12 =
2
ò
1
nC p dT
T
T2
Ds12 = nC p ln
T1
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56. 56
Entropía para proceso adiabático
dQ
T
s12
s12
0
0
Marcos Guerrero

57. 57
Problema
Marcos Guerrero

58. 58
Solución
Marcos Guerrero

59. 59
Entropía y Segunda Ley de
termodinámica
“Si se incluyen todos los sistemas que
participan en un proceso, la entropía se
mantiene constante, o bien, aumenta. En
otras palabras, no puede haber un proceso
en el que la entropía total disminuya, si se
incluyen todos los sistemas que participan en
el proceso”.
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