MARCO TEORICO DE LA SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA.

MARCO TEORICO DE LA SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA.: ":yikes: :sst: :rip:

La Segunda Ley de la Termodinámica se ha formulado de diversas maneras, aquí seguiremos la formulación basada en máquinas térmicas (Clausius y Kelvin). Es necesario plantear una Segunda Ley porque la Primera ley no es suficiente para explicar las observaciones. Existen en la naturaleza una variedad de de procesos en que los que se cumple la Primera Ley pero que ocurren en una sola dirección, o sea que no se dan en el sentido “inverso” al observado: Un cubo de hielo que se derrite al colocarse en una taza de agua caliente. La igualación de los niveles de agua en dos depósitos a que estaban a diferente nivel y a la misma presión. La apertura de un depósito con gas a presión mayor que la exterior. La rotura de un vaso de vidrio. Ninguno de los fenómenos anteriores se invierte sin un aporte externo de energía,no hay espontaneidad en el proceso inverso. Entre las utilidades de la Segunda Ley podemos citar: 1) Predecir la “dirección” de los procesos. 2) Establecer las condiciones de equilibrio. 3) Determinar las mejores prestaciones teóricas de ciclos y motores térmicos. 4) Cuantificar el alejamiento al caso óptimo en máquinas reales. 5) Definir una escala absoluta de temperatura (independiente de la sustancia termométrica). Antes de plantear la Segunda Ley, es necesario fijar dos conceptos previos: reversibilidad y máquinas térmicas.
Un proceso es reversible si, una vez producido, es posible retornar al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios, e invirtiendo todas las interacciones con el entorno, de forma que en el entorno no quede ningún efecto del proceso completo de “ida y vuelta”. Para que esto se cumpla las condiciones son: · Proceso cuasiestático (es decir, todos los estados intermedios son de equilibrio). · Sin efectos disipativos (que son los únicos cuyo signo no puede invertirse, siempre es Wd < 0). Ejemplos de procesos reversibles: Expansión o compresión controlada. Movimiento sin fricción Deformación elástica de un sólido Circuitos eléctricos de resistencia cero Efectos de polarización y magnetización Descarga controlada de una pila Procesos internamente reversibles: Un proceso sin irreversibilidades dentro del sistema, aunque hay irreversibilidades a ambos lados de la frontera del sistema. La mayoría de los procesos que estudiamos en termodinámica son internamente reversibles. Ejemplos de procesos irreversibles: · Resistencia eléctrica · Deformación inelástica · Ondas de choque · Efectos de histéresis · Flujo viscoso de un fluido · Amortiguamiento interno de un sistema en vibración · Fricción sólido-sólido · Expansión sin restricciones de un fluido · Flujo de fluidos a través de válvulas y filtros porosos (laminado o estrangulamiento) · Reacciones químicas espontáneas. Máquinas térmicas son sistemas compuestos, formados por los subsistemas siguientes: 1) Máquina: un sistema cerrado a través del cual un fluido describe un proceso cíclico cuasiestático. 2) Focos: sistemas cerrados de temperatura constante, que no se altera por una extracción o aportación continuada de calor. Una máquina térmica puede operar con varios focos a distintas temperaturas, el conjunto es una producción neta de trabajo.

ENUNCIADO DE CLAUSIUS (C) Es imposible ningún dispositivo que, funcionando según un ciclo, su único efecto sea el paso de calor de un cuerpo frío a otro más caliente. Es decir: es imposible la transmisión de calor de un cuerpo de menos temperatura a otro de más temperatura sin realizar otro efecto en el entorno. ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK (K) Es imposible construir un motor que, funcionando según un ciclo, su único efecto sea extraer calor de un foco y realizar una cantidad equivalente. Es decir: es imposible una máquina cíclica que convierta íntegramente calor en trabajo.
Si el enunciado de Kelvin (que se indicará por K ) no se cumple, entonces el enunciado de Clausius (que se indicará por C) tampoco se cumple y viceversa.
Supóngase que K no se cumple. Si K no se cumple puede haber una transformación cuyo único resultado sea tomar una cantidad de calor Q1 de una fuente a temperatura T1 y convertirla íntegramente en trabajo. Este trabajo se puede convertir íntegramente en calor sin violar ninguna ley y esta cantidad de calor ser transferida a un recipiente a temperatura T2 > T1. Se ha conseguido una transformación cuyo único resultado fue transferir calor desde una fuente a otra a mayor temperatura. Por lo tanto C no se cumple. Supóngase que C no se cumple. Si C no se cumple es posible realizar una transformación cuyo único resultado final sea transferir la cantidad de calor Q1 desde una fuente a temperatura T1 hasta otra a temperatura T2 > T1 . Si se hace funcionar una máquina de Carnot que recibe la cantidad de calor Q1 + Q2 de la fuente a temperatura T2 y entrega la cantidad de calor Q1 al recipiente a temperatura T1, la máquina realiza un trabajo - W = Q2 . Puesto que se ha devuelto a la fuente a T1 la cantidad de calor que se le tomó al comienzo, el único resultado de la transformación es tomar calor de una única fuente y transformarlo íntegramente en trabajo. Por lo tanto K no se cumple. El trabajo neto que intercambia un proceso cíclico que interacciona con un sólo foco no puede ser positivo; es decir, Wciclo con un foco<0 En esta inecuación, diremos que si se cumple el signo igual (W = 0), el ciclo es reversible; y si se cumple el signo menor (W < 0), el ciclo es irreversible.
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