1 - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional del Nordeste

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL
NORDESTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA
CURSO FÍSICA II
CLASE XII
Prof. Juan José Corace
2013
NUESTRA EXPERIENCIA DE LA VIDA SUGIERE QUE LOS
PROCESOS TIENEN UNA DIRECCIÓN DEFINIDA
SABEMOS QUE EL PRIMER PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA
ES
LA
FORMULACIÓN
DEL
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.
• LOS PROCESOS ESPONTÁNEOS VAN EN EL
SENTIDO DE…
• LAS TEMPERATURAS DECRECIENTES,
• DE LAS ALTURAS DECRECIENTES,
• DE LAS ENTALPIAS DECRECIENTES,
• DE LAS PRESIONES DECRECIENTES
• LA NATURALEZA NOS INDICA
EXISTENCIA DE UNA LIMITACIÓN
LOS PROCESOS QUE TIENEN LUGAR
FORMA ESPONTÁNEA O NATURAL
• LA SEGUNDA LEY
LA
DE
EN
DETERMINA LA
ESPONTANEIDAD EN QUE SE DAN LOS
PROCESOS EN LA NATURALEZA…
ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
DADO EL CARÁCTER EMINENTEMENTE
PRÁCTICO QUE HISTÓRICAMENTE HA
TENIDO LA TERMODINÁMICA, LOS
ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO
ESTÁN CENTRADOS EN EL CONCEPTO
DE MÁQUINA TÉRMICA …
DEFINICIÓN DE MÁQUINA TÉRMICA
FOCO O FUENTE
CALIENTE
MT PROPIAMENTE DICHA
FOCO O FUENTE FRÍA
O SUMIDERO
FOCO O FUENTE TÉRMICA
• UN FOCO O FUENTE TERMICA ES UN SISTEMA
TERMODINÁMICO QUE ES CAPAZ DE CEDER O
ABSORBER CANTIDADES FINITAS DE CALOR SIN
VARIAR SU TEMPERATURA:
• SISTEMA EN CAMBIO DE FASE
• REACCIÓN NUCLEAR
• COMBUSTIÓN
• EL OCÉANO
• LA ATMÓSFERA…
SEGÚN EL NÚMERO DE FOCOS LA MÁQUINA TÉRMICA SE
CLASIFICA EN :
BITERMA, TRITERMA, O EN GENERAL POLITERMA.
MÁQUINA TÉRMICA: CENTRAL NUCLEAR
Qab foco caliente
(uranio)
Qced foco frío
(aire)
Ciclo de
fluido (agua)
Wneto producido
(electricidad)
MÁQUINA TÉRMICA: MOTOR
COMBUSTION INTERNA
Qab foco caliente
(combustión de la nafta o
gas oil)
Qced foco frío
(aire o agua)
Wneto producido (par eje)
CLASIFICACIÓN DE LAS MT
MÁQUINA TÉRMICA DE CICLO DIRECTO:
PRODUCE TRABAJO A PARTIR DEL
CALOR INTERCAMBIADO ENTRE LOS
FOCOS
MÁQUINA TÉRMICA DE CICLO INVERSO:
A PARTIR DE UN TRABAJO EXTERIOR
ESTABLECE UN FLUJO DETERMINADO
DE CALOR ENTRE LOS FOCOS
PROPIEDADES DE LAS MÁQUINAS
TERMICAS
SON CÍCLICAS
DURANTE EL PROCESO CÍCLICO, LA MÁQUINA
ABSORBE CALOR DE UNA FUENTE CALIENTE Y
CEDE CALOR A UNA FUENTE FRÍA
APLIQUEMOS EL PRIMER PRINCIPIO A LAS
MT
U  Q  W
U   Qi  W  0
W   Qi  0
Q   X i dx i
EL TRABAJO SE DA COMO EL
PRODUCTO DE UNA PROPIEDAD
TERMODINÁ
TERMODINÁMICA INTENSIVA Y
LA DIFERENCIAL DE UNA PROPIEDAD
TERMODINÁ
TERMODINÁMICA EXTENSIVA…
EXTENSIVA….
ES IMPOSIBLE CREAR UN MÓVIL O MOTOR
PERPETUO DE PRIMERA ESPECIE, ES DECIR SIN
NINGUNA FUENTE TÉRMICA
INTENTOS DE CREAR UN MÓVIL O MOTOR
PERPETUO DE PRIMERA ESPECIE, ES DECIR SIN
NINGUNA FUENTE TÉRMICA
ENUNCIADO GENERAL DEL SEGUNDO
PRINCIPIO
“Todos los fenómenos
naturales son irreversibles”
ENUNCIADO DE CLAUSIUS
“…el calor no puede pasar de forma espontánea
de una fuente fría a otra más caliente”
ENUNCIADO DE LORD KELVIN
“no todo el calor de una fuente puede
transformarse en trabajo; sino que parte de ese
calor deberá cederse a una fuente a menor
temperatura”
El Enunciado de
Lord Kelvin establece
una limitación en la
conversión de calor
en trabajo
ENUNCIADO DE KELVIN - PLANCK
es imposible la existencia de una máquina
que solamente absorba calor y produzca
trabajo ….
ENUNCIADO DE OSTWALD
el móvil o motor de segunda especie es
imposible….
El móvil de segunda especie se define como
una máquina monoterma.
ENUNCIADO DE CARATHEÓDORY
“en el entorno de cualquier estado de
un sistema cerrado existen siempre
estados que son inaccesibles por vía
adiabática”
ENUNCIADO DE SEARS-KESTIN
“de un sistema adiabático y rígido
(V=cte) no podemos obtener trabajo,
solo aportarlo. La energía interna solo
puede aumentar”
ANÁLISIS DE LOS ENUNCIADOS
• DEL
ENUNCIADO DE CLAUSIUS CONCLUIMOS
EN LA IMPOSIBILIDAD DE TRANSMITIR
CALOR DE UNA FUENTE FRÍA A OTRA DE
MAYOR TEMPERATURA
• DE LOS ENUNCIADOS DE LORD KELVIN,
KELVIN-PLANCK Y OSTWALD: CONSIDERAN
LA LIMITACIÓN EN LA CONVERSIÓN DE
CALOR EN TRABAJO
• LOS ENUNCIADOS DE CARATHEÓDORY Y
SEARS-KESTIN:
CONSIDERAN LA IMPOSIBILIDAD DE
CIERTOS PROCESOS TERMODINÁMICOS,
SEGUNDO UNA PARTICULARIZACIÓN DEL
REALIZAR
SIENDO EL
PRIMERO
• JAMAS SE PODRA REDUCIR LA
ENERGÍA
INTERNA
DEL
SISTEMA, TRANSFORMANDOSE
EN TRABAJO EN LA HÉLICE
CONCLUSIÓN: LOS ESTADOS DE MENOR
ENERGIA SON INACCESIBLES POR VIA
ADIABÁTICA
LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA PUEDEN
RESUMIRSE DE LA SIGUIENTE MANERA COMO
SI SE TRATARA DE UN JUEGO:
No se puede ganar (como la energía se
conserva, no se puede obtener algo de la nada)
No se puede empatar (la cantidad de trabajo
que produce una máquina no puede ser igual a
la cantidad de energía que consume)
No se puede salir del juego (el cero absoluto es
inalcanzable).
CONSECUENCIAS DEL SEGUNDO
PRINCIPIO
RENDIMIENTO DE LAS MAQUINAS : η
EL CONCEPTO DE ENTROPÍA :  Q
T
c P T
LA ENCRETÍA : 
T
CONSECUENCIAS DEL SEGUNDO
PRINCIPIO
• UNA DE LAS CONSECUENCIAS MAS IMPORTANTES
DEL SEGUNDO PRINCIPIO ES LA LIMITACION EN EL
RENDIMIENTO DE LAS MÁQUINAS TERMICAS
EL
SEGUNDO
PRINCIPIO
IMPONE QUE LAS MAQUINAS
DEBEN INTERCAMBIAR CALOR
CON AL MENOS DOS FOCOS
W
W


Q1 Qabsorbido
APLICANDO EL PRIMER PRINCIPIO A UNA
MT DE CICLO DIRECTO
ΔU = ΣQi – W = 0
W = Q1 +Q2 = Qabs — Qced > O

W
Qabsorbido
Qabsorbido  Qcedido
Qcedido

 1
Qabsorbido
Qabsorbido
El rendimiento de una máquina térmica será
siempre inferior a la unidad…
EN EL CASO
DE MT DE
CICLO
INVERSO
Q2 Qabsorbido


W
W
ΔU = ΣQi - W = 0
W = Q2 + Q1 = Qabs – Qced < 0
Qcedido > Qabsorbido

Qabsorbido
Qabsorbido
1


Qcedido
W
Qabsorbido  Qcedido
1
Qabsorbido
LA
EFICIENCIA DE ESTAS MÁQUINAS
FRIGORÍFICAS NO ESTÁ LIMITADA EN 1,
INCLUSO ES HABITUAL QUE SEA VARIAS
VECES SUPERIOR A UNO
EN LAS APLICACIONES DONDE LAS MAQUINAS
TERMICAS INVERSAS SE UTILIZA COMO BOMBA
DE CALOR, ES DECIR PARA CALEFACCION,
APROVECHAMOS EL CALOR CEDIDO
 calef
Qc
Q cedido


W
Q absorbido  Q cedido

1
Q absobido
1
Q cedido
EL COEFICIENTE DE CALEFACCIÓN SE DEFINE COMO EL
COCIENTE ENTRE EL CALOR CEDIDO Y EL TRABAJO
ABSORBIDO POR LA MÁQUINA. EL COEFICIENTE DE
CALEFACCIÓN ES SIEMPRE SUPERIOR LA UNIDAD.
RENDIMIENTO DE UN CICLO DE CARNOT
•LA IDEA DE CARNOT CONSISTIÓ EN CREAR
UN CICLO COMPLETAMENTE REVERSIBLE,
TANTO INTERNA COMO EXTERNAMENTE
•POR SIMPLICIDAD VAMOS A CALCULAR EL
RENDIMIENTO DE LA MAQUINA DE CARNOT
PARA EL CASO PARTICULAR QUE EL CICLO
DE FLUIDO LO CUMPLE UN GAS PERFECTO
CICLO DE CARNOT
• Expansión isoterma: el cilindro entra en
contacto con el foco
caliente Ta
experimentando una expansión reversible
q12  q abs  w 12  RTA  ln
v2
v1
• Expansión adiabática: El cilindro se pone en
contacto con la pared aislante. El fluido
evoluciona de manera adiabática hasta la
temperatura Tc
q23  0  w 23  cv  T3  T2 
•
Compresión isoterma: La base del cilindro se
pone en contacto con la fuente fría y el émbolo
invierte el sentido
q34  qced  w 34  RTC  ln
•
v4
v3
Compresión adiabática: El émbolo continúa
comprimiendo mientras la base del cilindro se
pone en contacto con la pared aislante, hasta
alcanzar la temperatura Ta
q 41  0  w 41  cv  T1  T4 
Por tratarse de un proceso cíclico, la variación
de la energía interna del gas ideal es nula a lo
largo del ciclo, aplicando el Primer Principio
Δuciclo = qciclo - wciclo = Σqi – Σwi
qciclo = q12 + q34 = qabs - qced =
= w12 + w23 + w34 + w41 = wneto
w net qced  qabs


qabs
qabs
v
v
v2
v
 RTc ln 3 Ta ln 2  Tc ln 3
v1
v4
v1
v4

v2
v2
RTa ln
Ta ln
v1
v1
RTa ln

Como los procesos 2 - 3 y 4 - 1 son adiabáticos:
T av
 1
2
 T cv
T av 1 1  T cv 4 1
 1
3
v 2 
 
v 1 
v2 v3

v1 v 4
 1
v 3 
  
v 4 
 1
Ta  Tc
Tc

 1
Ta
Ta
• El ciclo de Carnot establece el máximo
rendimiento que puede alcanzar una máquina
térmica:
Qc
Tc
  1
 1   CARNOT
Qa
Ta
•TODAS LAS MAQUINAS TÉRMICAS QUE FUNCIONAN ENTRE DOS FOCOS
A LAS MISMAS TEMPERATURAS TIENEN EL MISMO RENDIMIENTO.
•ESTE RENDIMIENTO ES INDEPENDIENTE DEL FLUIDO DE TRABAJO
•EL CICLO TENDRÁ MAYOR RENDIMIENTO CUANTO MAYOR SEA LA
TEMPERATURA DEL FOCO CALIENTE Y MENOR SEA LA TEMPERATURA
DEL FOCO FRÍO.
RENDIMIENTO DE LAS MÁQUINAS TERMICAS
DIRECTAS E INVERSAS EN FUNCIÓN DE LAS
TEMPERATURAS

W
Qabsorbido
T1  T2
T2

 1
T1
T1
Qabsorbido
T2
1
1
T2





W
T2  T1 T1  1 T1  T2 T1 T 2
T2
T2
 calef
Qc
Qcedido
1
1
T1





W Qabsorbido  Qcedido 1  Qabsobido 1  T2 T1  T2
Qcedido
T1
PRÓXIMA CLASE CONSECUENCIAS
DEL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA