2da ley de termodinámica

1. Cuaderno de Actividades: Física I
12) 212) 2dada
Ley de laLey de la
Termodinámica.Termodinámica.
EntropíaEntropía
Mg. Percy Víctor Cañote Fajardo
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2. Cuaderno de Actividades: Física I
12) 212) 2dada
Ley de la Termodinámica. EntropíaLey de la Termodinámica. Entropía
La 1ra
Ley muestra la conservación de la energía, la equivalencia entre W y Q
para cambiar U, o sea, son indistinguibles, en ese sentido para un observador
dentro del sistema. Sin embargo, el conocimiento de W y Q demanda MAS, por
ejemplo, la 2da Ley de la Termodinámica nos indicará que no será siempre
posible convertir todo el Q en W, siendo esto un comportamiento natural de
nuestro universo. Definiremos la función de estado S, entropía, para describir la
2da
Ley de la Termodinámica.
12,1) Máquinas Térmicas y la 2da
Ley de la
Termodinámica
Una máquina térmica, MT, es un dispositivo capaz de convertir energía térmica
(calor) en otras formas de energía: Energía eléctrica o mecánica, por ejemplo.
Podemos esquematizar una MT de la siguiente forma,
Como indica la figura, la MT toma energía del foco caliente, Qc, en un ciclo
realiza trabajo W, entregando energía al foco frío Qf, esto es, recibe por ciclo la
cantidad de energía Qn ≡ Qc – Qf realizando W.
La eficiencia, ε, de la MT se define de la siguiente forma,
1c f f
c c c
Q Q QW
Q Q Q
ε
−
≡ ≡ ≡ −
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Tc
Qc En un ciclo: ∆U ≡ O
→ W ≡ Qneto≡ Qn
W → W ≡ Qc - Qf
MT
Qf
Tf
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De la 2da
ley se desprende que, debido a que Qf < Qc, entonces, ε < 1, esto es,
no todo el Q se puede transformar en W. Esta es la llamada forma de Kelvin
– Planck para la 2da
Ley.
¿? Determine la eficiencia de diversas MT, motor de auto, diesel, OTTO,
STIRLING, etc.
¿? Que variedad de MT existen.
¿? Cuál es el enunciado de R. Clausius de la 2da
Ley.
12,2) Procesos Reversibles e Irreversibles
Un proceso es reversible cuando un sistema termodinámico y los exteriores
retornan a sus condiciones iniciales al final del proceso. Un proceso irreversible
es lo contrario, esto es, una vez terminado el proceso el sistema o los
exteriores no seguirán en sus condiciones iniciales.
En la naturaleza todos los procesos son irreversibles.
¿? Porqué la naturaleza permite procesos irreversibles.
¿? Conoce algunos procesos aproximadamente reversibles.
¿? En las MT los procesos son reversibles o irreversibles.
12,3) La máquina de Carnot
Es una MT ideal basada en un ciclo reversible ideal de tal forma que su
eficiencia delimita la eficiencia de una MT real, trabajando entre los mismos
focos de temperatura,
: de la MT de Carnot
: de la MT real
c
c
ε ε
ε ε
ε ε

<

El ciclo reversible ideal que usa la MT de Carnot se denomina ciclo de Carnot
y esta constituido por 2 procesos adiabáticos y 2 isotérmicos, tal como la
representa el diagrama p-V siguiente,
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La eficiencia de la máquina de Carnot es,
1 f
c
c
T
T
ε ≡ −
¿? Como se puede mostrar que la MT ideal de Carnot corresponde al caso
ideal de máquina térmica.
¿? Porqué los calores son proporcionales a las temperaturas absolutas
de los focos.
¿? Existen otras MT con eficiencia comparable a la MT ideal de Carnot.
¿? Será posible usar la MT ideal de Carnot para definir escalas absolutas
de Ts.
¿? En que consiste la 3ra Ley de la Termodinámica.
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p A
D
Qf
VV
9
Qc
B
C
Tc
Tf

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12,4) Entropía, S
Es la función de estado termodinámico que describe el grado de desorden del
sistema.
Debido a que es una función de estado los cambios de entropía, ∆S ≡ Sf – Si,
sólo dependerán de los estados inicial- final.
La definición de Clausius del cambio infinitesimal de la entropía, cuando un
sistema termodinámico desarrolla un proceso infinitesimal, siguiendo una
trayectoria reversible a la temperatura T, transfiriéndole una cantidad de
energía dQr es,
rdQ
dS
T
≡
Esta definición conduce a dos resultados interesantes: primero, en los
sistemas aislados la entropía aumenta, esto es, el desorden del sistema
aumenta (mecánica estadística) y, como veremos, la entropía del universo
aumenta en todos los procesos.
Segundo, ahora, un cambio macroscópico de la entropía, finito, resulta,
f f
r
i i
dQ
S ds
T
∆ ≡ ≡∫ ∫
Esto conduce a que ∆S ≡ O, en procesos cíclicos,
0
f i
r
i
dQ
S
T
≡
∆ ≡ ≡∫
Caso especial: Ciclo de Carnot ∆S ≡ 0.
¿? Los procesos reversibles no cambian la entropía del universo.
¿? Los procesos irreversibles sí cambian la entropía del universo.
¿? A que se denomina muerte térmica del universo.
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