Trabajo de investigación: Segunda ley de la termodinámica y sus consecuencias

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Una máquina térmica lleva a cierta sustancia de trabajo a través de un proceso de un ciclo durante el cual 1) la energía térmica se absorbe de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza trabajo, y 3) la máquina expulsa energía térmica a una fuente de menor temperatura.[pic 4]

A partir de la primera ley de la termodinámica vemos que el trabajo neto W hecho por la máquina térmica es igual al calor neto que fluye hacia ella. Como podemos ver de la figura, Qneto = Qc - Qf; por lo tanto [pic 5][pic 6]

W = Qc - Qf El trabajo neto hecho por un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa el proceso en el diagrama PV.

La eficiencia, e, de una máquina térmica se define como el cociente del trabajo neto realizado a la energía térmica absorbida a una temperatura más alta durante el ciclo:

Esta fórmula muestra que una máquina tiene un 100% de eficiencia sólo sí Qf = 0. Es decir, no se entrega energía térmica al reservorio frío. [pic 7]

Enunciados de Clausius y Kelvin-Planck[pic 8]

Enunciado de Clausius

No es posible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.

Enunciado de Kelvin-Planck[pic 9]

No es posible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de un foco y la conversión de este calor en trabajo.

[pic 10]

[pic 11]

De otra manera: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía térmica de un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.

Equivalencia de la 2ª ley de Kelvin-Planck y Clausius[pic 12]

Procesos reversibles e irreversibles

Un proceso reversible, es uno que puede efectuarse de manera tal que, a su conclusión, tanto el sistema como sus alrededores, hayan regresado a sus condiciones iniciales exactas. Un proceso que no cumple con esta condición es irreversible.

TODOS LOS PROCESOS EN LA NATURALEZA SON IRREVERSIBLES

[pic 13]

Refrigeradores y bombas de calor

Los refrigeradores y las bombas de calor son máquinas térmicas que operan a la inversa. La máquina absorbe energía térmica Qf del depósito frío y entrega energía térmica Qc al depósito caliente.

Esto puede lograrse sólo si se hace trabajo sobre el refrigerador.

Por el enunciado de Clausius que afirma que “Es imposible construir una máquina que opere en un ciclo y que no produzca ningún otro efecto más que transferir energía térmica continuamente de un objeto a otro de mayor temperatura.

En términos simples, la energía térmica no fluye espontáneamente de un objeto frío a uno caliente.

Diagrama esquemático de un refrigerador [pic 14][pic 15]

Entropía

Otra función de estado, relacionada con la segunda ley de la termodinámica, es la entropía.

La cual se define como una medida de la termodinámica, que representa a la fracción de energía en un sistema que no está disponible para poder realizar o llevar a cabo un trabajo específico. En un sentido mas ampli también se define como una medida del orden o restricciones para llevar a cabo un trabajo

Algunos sistemas pueden revertir los cambios que se pudieron haber realizado, a esto se les llama proceso reversible, cuya variación de entropía es cero. En cambio si el cambio de las condiciones en el sistema no puede volver a la normalidad se habla de un proceso irreversible, donde su entropía sería mayor que cero. En la naturaleza sólo se han visto procesos irreversibles. Por lo tanto se concluye que los sistemas tienden al desorden.

Con la segunda ley de la termodinámica se concluyó que en un sistema, la entropía nunca puede decrecer, y en el caso de que haya alcanzado la máxima entropía, el sistema no podrá experimentar cambios, de esta manera habría alcanzado su máximo equilibrio.

Considere un proceso infinitesimal en un sistema entre dos estados de equilibrio.

Sea dQr es la cantidad de energía térmica que se transferiría si el sistema hubiera seguido una trayectoria reversible, entonces el cambio en la entropía dS, independientemente de la trayectoria real seguida, es igual a la cantidad de energía térmica transferida a lo largo de la trayectoria reversible dividida entre la temperatura absoluta del sistema:

[pic 16]

Cuando la energía térmica es absorbida por el sistema, dQr, es positiva y por lo tanto la entropía crece. Cuando la energía térmica es liberada por el sistema, dQr, es negativa y la entropía disminuye.En la mecánica estadística, el comportamiento de una sustancia se describe en función del comportamiento estadístico de átomos y moléculas contenidos en la sustancia. Uno de los principales resultados de este tratamiento es que:

Los sistemas aislados tienden al desorden, y la entropía es una medida de dicho desorden.

Todos los procesos físicos tienden a estados más probables para el sistema y sus alrededores. El estado más probable siempre es el de mayor desorden. Debido a que la entropía es una medida del desorden, una manera alternativa de decir lo anterior es:

La entropía del universo aumenta en todos los procesos. [pic 17]Para calcular el cambio en la entropía en relación con un proceso finito, debemos recordar que T por lo general no es constante.

Si dQr es la energía térmica transferida cuando el sistema está a una temperaturazT, entonces el cambio de entropía en un proceso reversible arbitrario entre un estado inicial y un estado final es

[pic 18]

Debido a que la entropía es una función de estado, el cambio en la entropía de un sistema al ir de un estado a otro tiene el mismo valor para todas las trayectorias que conectan los dos estados.

Es decir, el cambio