Resumen de los principales conceptos de la segunda ley de la termodinámica

1. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
Ing. Carlos Fuentes
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA

2. Ing. Carlos Fuentes
SEGUNDO PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla
no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Esta incapacidad de la
primera ley o principio de identificar si un proceso puede llevarse a cabo
es explicado al introducir otro principio, es decir , la segunda ley o
principio de la termodinámica.

3. Ing. Carlos Fuentes
SEGUNDO
PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
Los procesos siguen
cierta dirección pero
no la inversa. La
primera ley no
restringe la dirección
de los procesos, lo
que es resuelto con
la segunda ley, un
proceso no sucede a
menos que satisfaga
la primera y la
segunda ley de la
termodinámica.
La Segunda Ley de
la Termodinámica
establece que “Todo
sistema que tenga
ciertas restricciones
especificadas y que
tenga un límite
superior para su
volumen
puede alcanzar,
partiendo de
cualquier estado de
equilibrio estable sin
que haya
un efecto neto sobre
los alrededores”.
Gas
Membrana rompible
Estado 1 Estado 2

4. Ing. Carlos Fuentes Ing. Carlos Fuentes
SEGUNDO
PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
El proceso reversible
es aquel que puede
invertirse sin dejar
huella en los
alrededores. Es decir,
tanto el sistema como
los alrededores
vuelven a sus estados
iniciales una vez
finalizado el proceso
inverso .
Los procesos
irreversibles son
procesos que una vez
que han ocurrido no
pueden invertirse, por
si solos de modo
espontáneo para
regresar el sistema a
su estado inicial. .
Proceso lento Reversible
Distribución de
Presión
Expansión
Compresión
Expansión Compresión
Proceso rápido Irreversible

5. Ing. Carlos Fuentes Ing. Carlos Fuentes
PROCESO REVERSIBLE PROCESO IRREVERSIBLE
Expansión y/o comprensión controlada de un gas Todos los procesos disipativos
Movimiento sin Fricción Todos los procesos Espontáneos
Flujo no viscoso de un fluido Resistencia eléctrica
Deformación elástica de un sólido Deformación inelástica de un sólido
Descarga controlada (muy lenta) de una pila Movimiento con fricción

6. Ing. Carlos Fuentes Ing. Carlos Fuentes
DEPOSITOS DE ENERGIA TERMICA
Son cuerpos hipotéticos
con una gran capacidad
de energía térmica que
puede suministrar o
absorber cantidades
finitas de calor sin que
sufra ningún cambo de
temperatura. (océanos,
lagos ríos atmosfera, ente
otros.)
Fuente:
deposito
que
suministra
energía en
forma de
calor
Sumidero:
deposito
que recibe
energía en
forma de
calor
Energía térmica
SUMIDERO
Calor
Calor

7. Ing. Carlos Fuentes Ing. Carlos Fuentes
MAQUINA TERMICA
Son dispositivos que operan en
ciclo termodinámico y que
producen una cantidad
neta de trabajo positivo
intercambiando calor desde un
cuerpo de alta temperatura
hacia uno de baja temperatura.
C
A
R
A
C
T
E
R
I
S
T
I
C
A
S
Reciben calor de una fuente de
alta temperatura (energía solar,
hornos,
reactores nucleares)
Transforman parte de ese calor en
trabajo
Liberan calor de desecho remanente
en un depósito de baja temperatura
(atmósfera, ríos, lagos)

8. Ing. Carlos Fuentes Ing. Carlos Fuentes
MAQUINA
TERMICA
ELEMENTOS
W
SUMIDERO
FUENTE

9. Ing. Carlos Fuentes Ing. Carlos Fuentes
EFICIENCIA O RENDIMIENTO
TERMICO(𝜼)
Es la fracción de la entrada de
calor que se convierte en
trabajo neto. Es una medida
del rendimiento de una
máquina térmica.
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜂 =
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝐷𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜂 =
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑁𝑒𝑡𝑜
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
=
𝑊𝑁,𝑆𝑎𝑙
𝑄𝐻
𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝐶𝑖𝑐𝑙𝑜: 𝜂𝑡 =
𝑊𝑁𝑒𝑡𝑜 𝑆𝑎𝑙𝑒
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
=
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑒
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
= 1 −
𝑄𝐻
𝑄𝐿

10. Ing. Carlos Fuentes
ENUNCIADOS SEGUNDA LEY O
PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA
Kelvin – Planck: es
imposible todo proceso
cíclico que no haga otro
efecto que tomar calor de
una fuente térmica de
temperatura uniforme y
transformarlo íntegramente
en trabajo
Clausius: es imposible la
transmisión de calor de un
cuerpo de menos
temperatura a otro de más
temperatura sin realizar otro
efecto.

11. REFRIGERADORES Y
BOMBAS DE CALOR
Refrigeradores : son dispositivos
especiales que transfieren calor
de un medio de baja temperatura
a uno de alta temperatura.
Bombas de Calor : son
dispositivos que transfieren
calor de un medio de baja
temperatura a uno de alta
temperatura.
Ing. Carlos Fuentes

12. Ing. Carlos Fuentes
COEFICIENTE DE OPERACION O
REALIZACIÓN (COP)
La eficiencia de una máquina de refrigeración y una bomba de
calor se expresa como coeficiente de realización u operación
y se denota como COP. Al igual que una máquina térmica es
la relación entre la energía solicitada y la entrada requerida.
T1 › T2

13. Ing. Carlos Fuentes
Para una máquina de refrigeración, la energía solicitada es QL el calor
transmitido al refrigerante desde el espacio refrigerado. El COPR puede ser
mayor que la unidad debido a que la cantidad de calor absorbido puede ser mayor
que el trabajo de entrada
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝐷𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
=
𝑄𝐿
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜, 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
=
1
𝑄𝐻 𝑄𝐿 − 1
COEFICIENTE DE OPERACION O
REALIZACIÓN (COP)

14. Ing. Carlos Fuentes
COEFICIENTE DE OPERACION O
REALIZACIÓN (COP)
Para una bomba de calor la energía objetivo es QH, el calor
transmitido desde el refrigerante al cuerpo de alta
temperatura.
𝐶𝑂𝑃𝐵𝐶 =
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝐷𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
=
𝑄𝐻
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜, 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
=
1
1 − 𝑄𝐻 𝑄𝐿

15. Ing. Carlos Fuentes
CICLO DE CARNOT
Es el ciclo que ocurre entre dos depósitos que se encuentran a la misma
temperatura. Todos los equipos involucrados trabajan de forma reversible,
de
forma tal, que el ciclo completo sea reversible.

16. Ing. Carlos Fuentes
CICLO DE CARNOT
El ciclo de Carnot se compone de cuatro procesos reversibles –dos
isotérmicos y dos adiabáticos- y puede ejecutarse en un sistema cerrado
como o en uno de flujo estable.
Expansión
isotérmica
reversible
Expansión
adiabática
reversible
Compresión
isotérmica
reversible
Compresión
adiabática
reversible
Al ser un ciclo reversible, el ciclo de Carnot es el ciclo más
eficiente que opera entre dos límites de temperatura específicos

17. Ing. Carlos Fuentes
Ciclo de Carnot en un diagrama pV

18. Ing. Carlos Fuentes
.
Ciclo de Carnot inverso: el ciclo
permanece exactamente igual,
excepto en que las direcciones de
cualquier interacción de calor y
trabajo están invertidas.
Principios de Carnot:
1. La eficiencia de una máquina térmica
irreversible siempre es menor que la
eficiencia de una reversible que funciona
entre los dos mismos depósitos.
2. Las eficiencias de todas las máquinas
térmicas reversibles que funcionan entre los
dos mismos depósitos son iguales
CICLO DE CARNOT

19. Ing. Carlos Fuentes
La eficiencia de una máquina reversible es independiente del fluido de
trabajo empleado y de sus propiedades, de la manera que se ejecuta el
ciclo o del tipo de máquina reversible que se emplee. Puesto que los
depósitos de energía se caracterizan por sus temperaturas, la eficiencia
térmica de máquinas térmicas reversibles es una función exclusiva de las
temperaturas del depósito. Esto es:
𝜂𝑡,𝑟𝑒𝑣 = 𝑔 𝑇𝐻, 𝑇𝐿 𝑜
𝑄𝐻
𝑄𝐿
= 𝑓 𝑇𝐻, 𝑇𝐿
CICLO DE CARNOT

20. Ing. Carlos Fuentes
MAQUINA TERMICA DE
CARNOT
La máquina térmica hipotética que funciona con el ciclo reversible de Carnot se
llama máquina térmica de Carnot. En las máquinas térmicas reversibles, el
cociente de transferencia de calor puede ser sustituido por el cociente de
temperaturas absolutas del los dos depósitos. La eficiencia de una máquina de
Carnot, o de cualquier máquina térmica reversible, se vuelve:
H
L
T
T

1
η rev
t,

21. Ing. Carlos Fuentes
La relación anterior se conoce como la eficiencia de Carnot. Esta es la más
alta eficiencia que puede tener una máquina térmica que opere entre dos
depósitos de energía térmica TL y TH
. Todas las máquinas térmicas irreversibles
(esto es, reales) que operen entre estos límites de temperatura (TL y TH)
tendrán eficiencias más bajas. Las eficiencias térmicas de las máquinas
térmicas reales y reversibles que operan entre los mismos límites de
temperatura se comparan de la manera siguiente:
MAQUINA TERMICA DE
CARNOT

22. Ing. Carlos Fuentes
La mayoría de los dispositivos que
producen trabajo (máquinas
térmicas) actualmente en operación,
tienen eficiencias por debajo de
40%. La eficiencia térmica de las
máquinas térmicas reales puede
maximizarse al suministrar calor a la
máquina a la temperatura más alta
posible (limitada por la resistencia
del material) y desechando calor de
la máquina a la temperatura más
baja posible (limitada por la
temperatura del medio de
enfriamiento como ríos, lagos o
atmósfera).
Depósito de alta
temperatura
TH = 1000 K
Depósito de baja
temperatura
TL= 300K
MT
rev
ηt = 70%
MT
Irrev
ηt = 45%
MT
imposible
ηt =80%
MAQUINA TERMICA DE
CARNOT

23. Ing. Carlos Fuentes
REFRIGERADOR Y BOMBA DE
CALOR DE CARNOT
Un refrigerador o una bomba que operen en un ciclo de Carnot invertido se
llama refrigerador de Carnot, o bomba de calor de Carnot. En ese caso, las
relaciones del COP para refrigeradores y bombas de calor reversibles se
vuelven:
Ing. Carlos Fuentes

24. Ing. Carlos Fuentes
Todos los refrigeradores o bombas de
calor reales que operen entre esos
límites de temperatura (TL y TH)
tendrán coeficientes de
funcionamiento inferiores.
los COP de refrigeradores reales y
reversibles (como el de Carnot) que
funcionen entre los mismos límites de
temperatura pueden compararse
como sigue:
Ambiente Caliente
TH = 300 K
Espacio refrigerado frío
TL= 275 K
REF
rev
CDFR = 11
REF
CDFR = 7
REF
imposible
CDFR = 13
REFRIGERADOR Y BOMBA DE
CALOR DE CARNOT
< 𝐶𝑂𝑃𝑅, 𝑟𝑒𝑣 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝐼𝑟𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
= 𝐶𝑂𝑃𝑅, 𝑟𝑒𝑣 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑅𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
> 𝐶𝑂𝑃𝑅, 𝑟𝑒𝑣 𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝐼𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒
COP

25. Ing. Carlos Fuentes
ENTROPIA
En el ámbito de la termodinámica clásica la
entropía es una función matemática y no se debe
caer en la tentación de asignarle a priori un
significado físico. Al igual que otras propiedades
termodinámicas, solo se esta en capacidad de
calcular cambios de entropía y no su valor
absoluto. La entropía es una herramienta esencial
de la termodinámica estadística. El punto clave
aquí es la ecuación de Ludwig Boltzmann: 𝑆 = 𝑘𝑥 𝑙𝑛𝑥 𝑤

26. Ing. Carlos Fuentes

27. Ing. Carlos Fuentes
Donde S es la entropía absoluta, k es la
constante de Boltzmann y w es el número
de estados (o configuraciones) en las que
se puede encontrar el sistema.
De la relación de Boltzmann se puede
decir que la entropía es proporcional al
número de estados posibles.
ENTROPIA

28. Ing. Carlos Fuentes