Segunda Ley de Termodinamica

•Arriaga Sánchez Gustavo.
•Hernández Velázquez Karla María
•Merino Aguilar Héctor Baruc.
•Polanco Martínez Raymundo.
•Solares Becerril Fernando
•Roa Blancas Alejandro.

INTRODUCCIÓN A LA SEGUNDA LEY
Existen varios enunciados válidos de la segunda ley de la
termodinámica, dos de ellos se presentan y analizan
posteriormente , en relación con algunos dispositivos de ingeniería
que operan en ciclos.
Sin embargo, el uso de la segunda ley de la termodinámica no se
limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma que
la energía tiene calidad así como cantidad. La primera ley se
relaciona con la cantidad de energía y las transformaciones de
energía de una forma a otra sin considerar su calidad.

Conservar la calidad de la energía es una cuestión importante para
los ingenieros, y la segunda ley provee los medios necesarios para
determinarla, así como el grado de degradación que sufre la
energía durante un proceso.
Mayor cantidad de energía a alta temperatura se puede convertir en
trabajo, por lo tanto tiene una calidad mayor que esa misma
cantidad de energía a una temperatura menor.
La segunda ley de la termodinámica se usa también para
determinar los límites teóricos en el desempeño de sistemas de
ingeniería de uso ordinario, como máquinas térmicas y
refrigeradores, así como predecir el grado de terminación de las
reacciones químicas.

DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA
En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica, es muy conveniente
tener un hipotético cuerpo que posea una capacidad de energía térmica
relativamente grande (masa calor específico) que pueda suministrar o
absorber cantidades finitas de calor sin experimentar ningún cambio de
temperatura.
Tal cuerpo se llama depósito de energía térmica, o sólo depósito. En la
práctica, los grandes cuerpos de agua, como océanos, lagos y ríos, así
como el aire atmosférico se pueden modelar de manera precisa como
depósitos de energía térmica debido a sus grandes
capacidades de almacenaje de energía o masas térmicas.
La atmósfera, por ejemplo, no se calienta
como resultado de las pérdidas de calor
ocurridas en invierno desde edificios
residenciales.

También es posible modelar un sistema de dos fases
como un depósito, ya que puede absorber y liberar
grandes cantidades de calor mientras permanece a
temperatura constante.
Los depósitos de energía térmica suelen
denominarse depósitos de calor porque proveen o
absorben energía en forma de calor.
Un depósito que suministra
energía en la forma de calor se
llama fuente, y otro que absorbe
energía en la forma de calor se
llama sumidero
(Fig. 6-7).

MÁQUINAS TÉRMICAS
Como se señaló antes, el trabajo se
puede convertir fácilmente en otras
formas de energía, pero convertir
éstas en trabajo no es fácil.
Se sabe por experiencia que cualquier
intento por revertir este proceso
fallará, es decir, transferir calor al
agua no causa que la flecha gire. De
ésta y otras observaciones se
concluye que el trabajo se puede
convertir en calor de manera directa y
por completo, pero convertir el calor
en trabajo requiere usar algunos
dispositivos especiales. Estos
dispositivos se llaman máquinas
térmicas.
El trabajo mecánico que realiza
la flecha mostrada en la figura
6-8, por ejemplo, se convierte
primero en la energía interna
del agua, energía que puede
entonces salir del agua como
calor.

Las máquinas térmicas difieren bastante
entre sí, pero es posible caracterizarlas a
todas mediante (Fig. 6-9):
1. Reciben calor de una fuente a
temperatura alta (energía solar, horno de
petróleo, reactor nuclear, etcétera).
2. Convierten parte de este calor en
trabajo (por lo general en la forma de una
flecha rotatoria).
3. Rechazan el calor de desecho hacia
un sumidero de calor de baja
temperatura (la atmósfera, los
ríos, etcétera).
4. Operan en un ciclo. Las máquinas
térmicas y otros dispositivos cíclicos por
lo común requieren un fluido hacia y
desde el cual se transfiere calor mientras
experimenta un ciclo. Al fluido se le
conoce como fluido de trabajo.

El dispositivo productor de
trabajo que mejor se ajusta a la
definición de una máquina
térmica es la central eléctrica de
vapor, la cual es una máquina
de combustión interna, es
decir, la combustión se lleva a
cabo fuera de la máquina y la
energía liberada durante este
proceso se transfiere al vapor
como calor. El esquema de una
central eléctrica de vapor se
muestra en la figura 6-10. Éste
es un diagrama bastante
simplificado y el análisis de la
central
eléctrica de vapor real .

Las distintas cantidades
mostradas en esta figura son:
Q entrada cantidad de calor
suministrada al vapor en una
caldera desde una fuente de
temperatura alta (horno)
Q salida cantidad de calor
rechazada del vapor en el
condensador hacia un
sumidero de temperatura baja
(atmósfera, río, etcétera)
W salida cantidad de trabajo
que entrega el vapor cuando
se expande en una turbina
W entrada cantidad de trabajo
requerida para comprimir agua
a la presión
de la caldera
Observe que las direcciones de
las interacciones de calor y
trabajo se indican
mediante los subíndices entrada y
salida. Por lo tanto, las cuatro
cantidades
descritas son positivas siempre.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:
ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK
Respecto a la máquina térmica mostrada en la figura 6-15 se demostró que incluso bajo
condiciones ideales una máquina de este tipo debe rechazar algo de calor hacia un depósito
que se encuentra a baja temperatura con la finalidad de completar el ciclo.
Es decir, ninguna máquina térmica puede convertir todo el calor que recibe en trabajo útil.
Esta limitación de la eficiencia térmica de las máquinas térmicas forma la base para el
enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica, que se expresa como
sigue:
Es imposible que un dispositivo que opera en un ciclo reciba calor de un solo
depósito y produzca una cantidad neta de trabajo.

Es decir, una máquina térmica debe intercambiar calor con un
sumidero de baja temperatura así como con una fuente de
temperatura alta para seguir funcionando.

-Observe que la imposibilidad de tener una máquina
térmica con 100% de eficiencia no se debe a la
fricción o a otros efectos de disipación, es una
limitación que se aplica a las máquinas térmicas
ideales y reales.
Asimismo, se demuestra que este valor
máximo depende sólo de la temperatura del depósito.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:
ENUNCIADO DE CLAUSIUS
Hay dos enunciados clásicos de la segunda ley, el de
Kelvin-Planck que se relaciona con las máquinas
térmicas y analizado en la sección precedente, y el de
Clausius, relacionado con refrigeradores o bombas de
calor.
El enunciado de Clausius se expresa como sigue:
“Es imposible construir un dispositivo que opere en un
ciclo sin que produzca ningún otro efecto que la
transferencia de calor de un cuerpo de menor
temperatura a otro de mayor temperatura.”

Se sabe bien que el calor, por sí solo, no se transfiere de
un medio frío a uno más caliente. El enunciado de
Clausius no significa que sea imposible construir un
dispositivo cíclico que transfiera calor de un medio frío a
otro más caliente.
De hecho, esto es precisamente lo que hace un
refrigerador doméstico común.
El enunciado establece simplemente que un refrigerador
no puede operar a menos que su compresor sea
propulsado mediante una fuente de energía
externa, como un motor eléctrico (Fig. 6-26).

De este modo, el efecto neto sobre los alrededores tiene que
ver con el consumo de cierta energía en la forma de
trabajo, además de la transferencia de calor de un cuerpo más
frío a otro más caliente; es decir, deja un rastro en los
alrededores.
Por lo tanto, un refrigerador doméstico concuerda por completo
con el enunciado de Clausius de la segunda ley.
Ambos enunciados de la segunda ley, el de Kelvin-Planck y el
de Clausius, son negativos, y un enunciado de este tipo no se
puede comprobar

Como cualquier otra ley física, la segunda ley de la
termodinámica está basada en observaciones
experimentales. A la fecha, no se ha realizado ningún
experimento que contradiga la segunda ley y esto se
debe tomar como prueba suficiente de su validez.

EQUIVALENCIA DE LOS DOS ENUNCIADOS
Los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius son
equivalentes en sus consecuencias, y se puede usar
cualquiera como expresión de la segunda ley de la
termodinámica.
Cualquier
dispositivo que viole
el enunciado de
Kelvin- Planck
también viola la de
Clausius, y
viceversa. Esto se
puede demostrar
como sigue. Figura
6-27

BIBLIOGRAFÍA:
 Termodinámica, Cengel, 5th, Paginas: 278 a 309

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