Cap. III SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 3.1. SEGUNDA

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Cap. III
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
3.1.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Para la mejor comprensión los procesos termodinámicos de un MCI se
materializan en la transformación energética del Calor en Trabajo, la segunda ley
define que:

El sentido del flujo de calor entre dos sistemas o sustancias es el de mayor
temperatura al de menor temperatura, jamás ala viceversa.

La conversión del calor en trabajo está limitada a las temperaturas a la
cuales funciona un ciclo, una temperatura máxima a una mínima.
La sencillez de este enunciado donde articulan la comprensión del porque no se
puede convertir todo el calor generado en la combustión de un MCI, en energía
mecánica, este enunciado además sirve para comprender el desarrollo de la
naturaleza energética.
Analizando la diferencia de temperaturas para que el calor fugue de cualquier
sistema o sustancia y no pueda convertirse en forma completa, esto significa que
ningún motor de combustión interna por más ideal que sea y que siga el ciclo más
perfecto imaginable pueda convertir en trabajo todo el calor suministrado por la
combustión en los MCI.
Por eso que la segunda ley es marco teórico para el estudio de los ciclos
termodinámicos y estos a la vez donde mejor pueda comprenderse, donde un ciclo
termodinámico hace posible generar un servicio energético de mejor nivel
cualitativo, donde se desarrolla el trabajo en los MCI, a través del calor generado
en la combustión, gracias a una secuencia de procesos que definen el ciclo
termodinámico.
3.2.
DIVERSOS ENUNCIADOS
TERMODINÁMICA
DE
LA
SEGUNDA
LEY
DE
LA
La idea central de esta segunda ley que tiene varios enunciados, estudiaremos
aquellos que tienen afinidad a los fenómenos de transformación energética en los
MCI las cuales mencionaremos.

Una batería se descarga a través de una resistencia, con desprendimiento
de cierta cantidad de energía, lo que no puede suceder al contrario.
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
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El flujo de calor desde una temperatura alta hacia una baja, en ausencia
de otros efectos, lo que significa que un cuerpo caliente se enfría al
ponerse en contacto con un cuerpo de temperatura inferior, lo que nunca
sucede en orden inverso.
A
T=40ºC
B
T=10ºC
cuerpo caliente

cuerpo frió
Cuando dos gases se colocan en una cámara aislada, se mezclan
uniformemente en toda la cámara, pero una vez mezclados no se separan
espontáneamente.
Aire +
Combustible

Ninguna maquina o motor por más ideal que sea, que utilice el ciclo
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termodinámico más perfecto imaginable posible, no podrá convertir en
trabajo todo el calor suministrado.
AIRE + COMBUSTIBLE
MCI
3.3.
ENTROPÍA
La entropía es una magnitud termodinámica, que expresa el grado de desorden de
un sistema, particularmente lo que ocurre en el sistema cilindro pistón en un MCI.
Esta propiedad se encarga de medir el desorden de un sistema aislado crece en el
transcurso de un proceso que se le de forma natural, pero esta energía no puede
utilizarse para producir un trabajo.
La palabra entropía procede del griego y significa evolución o transformación,
esta idea fue plasmada mediante una función ideada por Clausius a partir de un
proceso de un ciclo reversible.
La entropía como es una propiedad es expresa por la siguiente expresión:
S  
dq
T
J/º K 
Donde:
ΔS  Variación de la entropía [J/º K]
dq  Cantidad de calor [J]
T  Temperatura [º K]
Para poder calcular las variaciones de la entropía para distintos procesos a
volumen constante o a presión constante, entonces tendremos expresiones que
involucren.
S 

T 
mCvdt
 mCvLn 2  J/º K 
T
 T1 
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S 
3.4.

T 
mCpdt
 mCpLn 2  J/º K 
T
 T1 
CONSIDERACIONES DE LA ENTROPÍA
La entropía nos da una referencia del grado de ordenamiento interno de la
sustancia a través de los procesos lo que significa que un incremento de entropía
significa un mayor desorden interno de la sustancia, estas tendencias del desorden
de la sustancia está representada energéticamente por el calor, lo que induce a dos
afirmaciones:

Un ordenamiento interno de las substancias significara una disminución
de su entropía.

Un desordenamiento interno de las substancias significara un incremento
de su entropía.
3.5.
CICLO TERMODINÁMICO
Un ciclo termodinámico es una serie de procesos durante los cuales el sistema
inicia en un estado particular y retorna a su estado inicial luego de una serie de
procesos, en los MCI, un ciclo garantiza la producción continua de trabajo, al
generar de forma periódica, continua, repetitiva ventajosas para que el calor se
pueda convertir en trabajo.
Los elementos para definir un ciclo termodinámico son:

La sustancia de trabajo, es la encargada de producir las transformaciones
energéticas en los MCI, es considerada como la masa gaseosa, [mezcla de
aire + combustible].

Una fuente calorífica, que añade calor a la sustancia de trabajo en los
MCI, será la combustión generada por la reacción química exotérmica de
la sustancia de:
Aire + Combustible = Calor = Gases de Combustión
3.6.

Un sumidero de calor, donde la sustancia de trabajo rechaza o sede calor,
en un MCI en términos prácticos el rechazo de calor se lo realiza por la
expulsión de los gases de escape al medio ambiente.

Un Motor, compuesto por un sistema de elementos mecánicos, donde la
sustancia de trabajo pueda desarrollar trabajo a través del calor generado
en la combustión.
CICLO CARNOT
Este ciclo es el ciclo ideal más perfecto imaginable, esto significa que en este ciclo
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se puede obtener la mayor cantidad de trabajo por el calor añadido, esto significa
que es un ciclo de más alto rendimiento, pero la inconveniencia radica que este
ciclo es prácticamente inviable en los motores de combustión interna, si no es un
ciclo de referencia que a partir de sus procesos son tomados como punto de
partida para obtener ciclos de alta eficiencia.
Como es un ciclo de referencia, puede ser adecuado para que sea la base
termodinámica de un motor de cuatro tiempos de desplazamiento alternativo bajo
las siguientes idealizaciones:



La sustancia de trabajo en todo el ciclo será el aire comportándose como
gas ideal.
El calor añadido será desarrollado por la combustión por la intervención
de la sustancia de trabajo.
Para este ciclo los procesos de admisión y escape, son los procesos más
característicos de un MCI.
p
T
3
q3  4
pV  cte
3
4
pV k  cte
W
pV k  cte
q2 3  0
4
q 4 1  0
q
2
pV  cte
2
1
1
q1 2
V
S
Para implementar un motor de cuatro tiempos con base termodinámica del ciclo
Carnot será necesario tener:




Cilindros idealmente aislados
Una fuente caliente a través del cual se agregara calor
Un sumidero de calor donde se rechazar calor
Una culata intercambiable de aislante perfecto.
Procesos
1-2 proceso de compresión a temperatura constante, llamado proceso isotérmico.
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2-3 Proceso de compresión isentrópica, también llamado proceso adiabático.
3-4 Proceso de expansión a temperatura constante llamado proceso isotérmico.
4-1 Proceso de expansión isentrópica, también llamado proceso adiabático.
La resolución del ciclo básicamente significa hallar los valores de todas las
propiedades y de los estados característicos del ciclo esto significa hallar los
valores de las condiciones iníciales y finales de cada proceso de este ciclo.
W
q  q
q  q
W
3.7.
12
 W23  W34  W4 1
12
 q23  q34  q4 1
1 2
 q 34 ( J )
RENDIMIENTO TÉRMICO
El rendimiento térmico cuya definición es la relación entre el servicio obtenido del
ciclo termodinámico y el gasto invertido para obtener este servicio. En el ciclo
planteado, con alta afinidad a un motor de combustión interna, el servicio es el
equivalente al trabajo (Potencia) entregado por el motor y el gasto estará
íntimamente ligado al calor entregado o generado.
nt 
W
1
qa
Esta relación por la importancia de referencia universal que tiene el ciclo de
Carnot explica dos recomendaciones fundamentales para obtener de los motores
térmicos más altos rendimientos.


Entregar calor a las más altas temperaturas posibles.
Rechazar calor a las más bajas temperaturas.
Otras expresiones del rendimiento térmico en función a los calores y
temperaturas:
q 1 2  q 3  4
q
 n  1  1 2
q 34
q 34
q1 2  T1 ( s 2  s1 ) y q 34  T3 ( s 4  s 3 )  s 4  s1 y s 3  s 2
T
T
n  1  1  n  1  min
T3
Tmax
w  q 1 2  q 3  4  n 
3.8.
PRESIÓN MEDIA DEL CICLO
Es un parámetro referencial que evalúa la capacidad de generar trabajo que tiene
un ciclo que tenga procesos no fluyentes, como es el caso de los motores de
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combustión interna, significa que altos valores de presión media del ciclo
significan altas cantidades de trabajo entregado por el ciclo, bajos valores de la
presión media del ciclo poca cantidad de trabajo entregado por el ciclo.
La relación que evalúa este parámetro es:
pm 

W
N / m2
Vh
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
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