Segundo Principio de la Termodinámica: Entropía y Máquinas Térmicas - Prof. Jiménez, Apuntes de Física

¡Descarga Segundo Principio de la Termodinámica: Entropía y Máquinas Térmicas - Prof. Jiménez y más Apuntes en PDF de Física solo en Docsity! TEMA 9 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA TEMA 9. Segundo Principio de la Termodinámica 2 1. Introducción: sentido de los procesos naturales 2. Segundo principio de la Termodinámica. Enunciados de Kelvin y Clausius 3. Máquinas térmicas y refrigerador. Rendimiento 4. Ciclo de Carnot 5. Entropía y procesos irreversibles 5.1 Definición 5.2 Entropía de un gas ideal 5.3 Entropía en el ciclo de Carnot 5.4 Entropía y probabilidad Trabajos para entregar: Ejemplos de máquinas térmicas 2. Segundo Principio de la Termodinámica 5 La energía total es la misma, pero el sistema ha perdido la posibilidad de realizar trabajo EC = EC (c.m.)+EC(moléculas en torno al c.m.) EC = EC(moléculas en torno al c.m.) 2. Segundo Principio de la Termodinámica 6 W  Q  U ↑ y T↑ T ↓ U↓  Q W A B El Primer Principio de la Termodinámica permite ambos procesos. Sin embargo B no ocurre nunca de manera espontánea: A ES UN PROCESO IRREVERSIBLE. Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirle en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo Segundo principio de la Termodinámica. Enunciado de Kelvin: (La transformación de trabajo en calor es un proceso espontáneo, mientras que el inverso no) 2. Segundo Principio de la Termodinámica 7 T1 T2 Q T1>T2 A B T1 T2 Q T1>T2 El Primer Principio de la Termodinámica permite ambos procesos. Sin embargo B no ocurre nunca de manera espontánea: A ES UN PROCESO IRREVERSIBLE. No es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un objeto a otro de mayor temperatura Segundo principio de la Termodinámica. Enunciado de Clausius: El segundo principio de la Termodinámica está ligado a la existencia de procesos irreversibles 3. Máquinas térmicas 10 El segundo principio en las máquinas térmicas: (No es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor de un objeto a otro de mayor temperatura) 0CQ Es imposible construir una máquina que convierta todo el calor en trabajo en un ciclo cerrado Segundo principio de la Termodinámica. Enunciado de las máquinas termodinámicas (consecuencia del enunciado de Kelvin): 3. Refrigerador y bomba de calor 11 QH TH TC QC W “Coeficiente de funcionamiento” W QCRefrigerador: W QHBomba calor: 1A B CD 2 3 4 Es imposible construir una refrigerador que funcione cíclicamente sin producir otro efecto que la transferencia de calor de un objeto frío a otro caliente Segundo principio de la Termodinámica. Enunciado de los refrigeradores (consecuencia del enunciado de Clausius): 3. Máquinas térmicas 12 Equivalencia entre el enunciado de Kelvin y Clausius del 2º Principio Si se viola el enunciado de Kelvin Entonces se viola el enunciado de Clausius 5. Entropía y procesos irreversibles 15 La ENTROPÍA es una medida del desorden del sistema T Q dS rev   • Es una función de estado • Se define a partir de su variación • Se calcula a partir del calor en procesos reversibles que conecten ambos estados (*) (*) Siempre es conectar dos estados mediante procesos reversibles (isoterma+adiabática) 5.1 Definición 5. Entropía y procesos irreversibles 16 5.2 Entropía de un gas ideal 1 2 1 2 lnln V V nR T T CS V dV nR T dT CdS v v   Expansión isoterma: Expansión libre: Proceso a P constante: Conducción térmica desde focos: 1 2ln V V nRS  Proceso gasS 1 2ln V V nRS  1 2ln T T CS p T Q S  5. Entropía y procesos irreversibles 17 5.2 Entropía de un gas ideal Expansión isoterma: Expansión libre: 1 2ln V V nRS  Proceso gasS 0 universoS universoS 1 2ln V V nRS  1 2ln V V nRS  En cualquier proceso, la entropía del universo nunca disminuye Segundo principio de la Termodinámica. Enunciado de la entropía: Ejemplos de máquinas térmicas (trabajo) 20 MÁQUINA DE VAPOR W1 QC 1: Vapor alta presión Máquina 2: Vapor bifásico a baja presión Condensador 3: Líquido saturado Bomba 4. Agua líquida QH W2 W2 QC W1 QH “Ciclo Rankine” W2 QC W1 QH “Ciclo Rankine con sobrecalentamiento” Ejemplos de máquinas térmicas (trabajo) 21 MÁQUINA DE COMBUSTIÓN INTERNA “Ciclo de Otto” 1→2: Entrada de la mezcla y compresión adiabática 2 →3: Aumento de P a volumen constante (Ignición: T aumenta) 3 →4: Expansión adiabática y salida de gases 4 →1: Disminución de P a volumen constante (T disminuye) 1 2 3 4 Entrada Compresión Expansión 2,3 4 Salida de gases 1