Segunda Ley de la Termodinámica-física 2

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2º LEY DE LA 
TERMODINÁMICA
(inicio)
Motores Térmicos
Motor térmico
Esta máquina térmica debe funcionar entre dos focos de calor:
 uno caliente, del que extraeremos calor QH
 otro frío que recibe calor Qc
∆U = 0
U2 – U1 = Q – W = 0
 Q = W
convierte
mediante
calor  energía mecánica
Ciclo termodinámico específico y cíclico.
Motor Térmico
CH
QQW0ΔU 
• Realiza un trabajo al 
pasar calor desde un 
foco caliente a otro frío: 
TH > TC
• Al realizar un ciclo:
HQ
W
e 
1e 





H
C
H
CH
Q
Q
1
Q
QQ



Clasificación de Motores
Motores de Combustión Interna
Utiliza la explosión 
(mediante una chispa) de 
una mezcla de aire y 
combustible…
…para calentar el gas y 
aumentar su presión de 
modo que, al expandirse, 
empuja un pistón.
Similar, pero el encendido 
del combustible se realiza 
gracias a la altísima 
presión y temperatura…
…que se logra por la gran 
compresión del aire (sin 
combustible) que ingresó 
al cilindro.
Descripción del contenedor del sistema
40 s
El Ciclo Otto cuatro tiempos.avi
ADMISIÓN (ISOBÁRICA)
COMPRESIÓN (ADIABÁTICA)
EXPLOSIÓN (ISOCÓRICA) Y 
TRABAJO (ADIABÁTICO)
ESCAPE (ISOCÓRICO E ISOBÁRICO)
V
p
b
c
d
a
V R V
Q
H
Q
C
abajo
arriba
P.M.S. P.M.I.
W
E
A
Ciclo 
Otto
Otto
Fórmula teórica para calcular 
la eficiencia del Ciclo Otto
R < 10
αaire=1,4
F:/clases agrarias/motores/El Ciclo Otto cuatro tiempos.avi
El ciclo diésel (cuatro tiempos)(480p_H.264-AAC).flv
El ciclo diésel (cuatro tiempos)(480p_H.264-AAC).flv
Y TRABAJO
V
p
b c
d
a
V RV
Q
H
Q
C
abajo
arriba
P.M.S. P.M.I.
W
A
E
CICLO DIESEL
e = 0,65 a 0,70
(teórico)
debido a su mayor 
relación de 
compresión
MÁQUINA DE VAPOR
Frigorífico
Coeficiente de 
Rendimiento
W < 0
QH < 0
CICLO FRIGORÍFICO
frigorífico.mp4
frigorífico.mp4
6.5- Segunda Ley (o Principio) de la Termodinámica
• Ninguno de los motores térmicos descritos hasta el momento tiene una 
eficiencia térmica del 100%. Es decir, ninguno de ellos absorbe calor y lo 
convierte totalmente en trabajo. 
• La imposibilidad de convertir completamente calor en energía mecánica 
constituye el fundamento de uno de los enunciados de la segunda ley de la 
termodinámica
• “Es imposible para cualquier sistema experimentar un proceso en el que 
absorba calor de un foco a una sola temperatura y lo convierta totalmente en 
trabajo mecánico, finalizando en el mismo estado en que comenzó.”
• Llamaremos a éste “enunciado del motor” para la segunda ley, y nos dice que 
ningún motor térmico puede tener una eficiencia térmica del 100 %. 
6.5- Segunda Ley (o Principio) de la Termodinámica
• El análisis de los frigoríficos constituye el fundamento de un enunciado alternativo 
de la segunda ley. 
• El calor fluye espontáneamente de los cuerpos calientes a los fríos, nunca a la 
inversa. 
• Un frigorífico transporta el calor de un cuerpo frío a uno caliente, pero su 
funcionamiento depende del suministro de energía mecánica o trabajo. 
• Generalizando esta observación, enunciamos:
• “Es imposible para cualquier proceso tener como único resultado la transferencia 
de calor desde un cuerpo frío a uno caliente.”
• Conocido como “enunciado del refrigerador” para la segunda ley
6.6- Equilibrio termodinámico -
Procesos reversibles e Irreversibles
• Un sistema experimenta un proceso o transformación cuando, como mínimo, 
cambia de valor una de sus variables de estado a lo largo del tiempo. 
Si el estado inicial es distinto del estado final, el proceso es abierto. 
Si los estados inicial y final son iguales, el proceso es cerrado o cíclico. 
Si el estado final es muy próximo al inicial, el proceso es infinitesimal. 
• Cualquier proceso puede realizarse por muy diversas maneras. 
6.6- Equilibrio termodinámico -
Procesos reversibles e Irreversibles
Diremos que un sistema se halla en equilibrio termodinámico si satisface los siguientes 
requisitos:
a- el sistema se halla en un estado de equilibrio mecánico (no hay ninguna fuerza 
desequilibrada en el interior del sistema ni ninguna fuerza desequilibrada entre el 
sistema y su entorno).
b- el sistema se encuentra en equilibrio térmico (todas las partes del sistema están a 
la misma temperatura y es igual que la del entorno).
c- el sistema se encuentra en equilibrio químico (no tiende a sufrir un cambio 
espontáneo de su estructura interna).
6.6- Equilibrio termodinámico
a) Proceso irreversible
• Un sistema en equilibrio termodinámico puede espe-cificarse 
macroscópicamente dando los valores de al-gunas cantidades, 
tales como presión, volumen, tempe-ratura y cantidad de 
sustancia de la que se trate.
• Supongamos ahora que cambiamos las condiciones del sistema. 
Un cambio de dichas condiciones o estado debe ocasionar 
alguna alteración del equilibrio termodinámico. 
• Supongamos, por ejemplo, que reducimos su volumen a la 
mitad a T = cte y que lo hacemos empujando rápidamente el 
émbolo que lo limita. El sistema no estará en equilibrio 
termodinámico. 
• Por supuesto, en el transcurso del tiempo si se abandona a sí 
mismo al sistema puede alcanzar un nuevo estado de equilibrio 
termodinámico (cuando se homogeneice la T) y se conocerá la 
nueva presión (pf). Sin embargo, durante el proceso de cambio, 
los estados intermedios no fueron de equilibrio termodinámico.
• La única representación gráfica posible son los puntos que 
representan el estado inicial (i) y el final (f).
V
p
i
f
Vi
pi
Vf
pf
T
6.6- Equilibrio termodinámico 
b) Proceso reversible
• La mayoría de los procesos de interés, comienzan en un 
estado de equilibrio, pasan por estados de no equilibrio, y 
terminan en otro estado de equilibrio. La Termodinámica 
trata de interpretar esos procesos. 
• Pero, en lugar de ocuparse de los detalles de los procesos 
extraordinariamente complejos mediante los cuales los 
estados de no equilibrio conducen al equilibrio, la 
Termodinámica se esfuerza en obtener información simple 
y general acerca de esos procesos comparando su 
comportamiento con el de un proceso ideal llamado 
“proceso reversible”. 
• En un proceso reversible cambiamos el estado de un 
sistema mediante una “sucesión ininterrumpida de estados 
de equilibrio”. Esto es, en todo instante y para cada estado 
intermedio se conocen las magnitu-des “p”, “V”, “T”, “m”, 
etc.
El mismo proceso men-
cionado antes queda-
ría representado por…
V
p
i
f
Vi
pi
Vf
pf
T
…una línea continua.
i
6.6- Eq. termodinámico – Aproxim. a un Proc. reversible
V
p
f
Vi
pi
Vf
pf
T
Como una transformación reversible para un sistema, se realiza mediante una
sucesión de estados de equilibrio del sistema, entonces puede invertirse haciendo
sólo cambios infinitesimales en su entorno y volver al estado inicial por el
mismo camino. Reversibilidad y equilibrio son, por tanto, equivalentes.
Una transformación irreversible para un sistema también puede “revertirse”. Sin
embargo, como no se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del
sistema con su entorno, sólo puede invertirse el proceso haciendo cambios
finitos en su entorno (no infinitesimales).
Todos los procesos naturales son irreversibles.
Supongamos tratar de reducir el volumen de un gas a la mitad de su
valor inicial mediante una sucesión de pequeños cambios. Aumenta-
mos ligeramente la fuerza sobre el émbolo. El volumen del sistema se
reduce un poco; el sistema se aleja del equilibrio, pero sólo ligera-
mente. Pronto, el sistema llega a un nuevo estado de equilibrio.
Luego aumentamos la fuerza sobre el émbolo otra vez en una cantidad
muy pequeña, reduciendo el volumen un poco más. De nuevo
esperamos que se establezca un nuevo estado de equilibrio,
y así seguimos. Repitiendo este proceder lograremos el cambio de
volumen requerido. Imaginemos este procedimiento con sucesivos
cambios de presión aún más pequeños: los estados intermedios se
alejarán del equilibrio todavía menos.
6.7- Ciclo de Carnot
Introducción - Descripción
Carnot, sin tener en cuenta los mecanismos complicados de las 
diversas máquinas, logró describir el proceso fundamental en el 
que se basaba el trabajo de todas ellas: la transformación de un 
tipo de energía, el calor, en trabajo mecánico. 
Reconoció que solamente se podía lograr trabajo cuando el calor 
fluía de una fuente a temperatura elevada hacia otra fuente a 
temperatura baja. 
Ideó un ciclo (que hoy llamamos “Ciclo de Carnot”) consti-tuido 
por cuatro procesos reversibles: dos isotérmicos y dos 
adiabáticos…
c
p
V
b
a QH
d
QC
Según la segunda ley, ningún motor térmico (o máquina térmica) puede 
tener una eficiencia del 100 %. Pero, entonces, ¿cuál es la máxima 
eficiencia posible de un motor, dados dos focos a las temperaturas TH
y TC? 
6.7- Ciclo de Carnot
Máquina de Carnot
La máquina de Carnot no tiene una eficiencia del 100%, pero puede demostrarse 
que es más eficiente que cualquier otra máquina para la transformación de calor en 
trabajo operando entre las mismas dos temperaturas.
Carnot analizó la transformación de la energía durante un ciclo completo del 
comportamiento de esta máquina y determinó las condiciones para una eficiencia 
máxima.
…y propuso una máquina térmica “ideal” que opera “bajo ese ciclo” en 
forma “reversible” entre “dos temperaturas: TH y TC”. 
6.7- Ciclo de Carnot
Máquina de Carnot – Descripción
En principio, supondremos que la sustancia activa de la máquina es un gas ideal, 
confinado dentro de un cilindro provisto de un émbolo sin rozamiento. 
La Figura 6-8 muestra los otros componentes de la máquina de Carnot. 
- Un cuerpo caliente de capacidad térmica infinita, llamado depósito de alta 
temperatura o foco caliente suministra energía térmica sin modificar su propia 
temperatura. 
- Una plataforma aislante, junto con los lados del cilindro y émbolo, actúan 
como aislante perfecto contra el flujo de calor.
- El cuerpo frío, llamado depósito de baja temperatura o foco frío, también de 
capacidad térmica infinita, de modo que pueda recibir el calor sin elevar su 
temperatura. 
- Un conjunto de granos de arena (actuando como pequeñísimas pesas) 
permiten, al colocarlos o sacarlos lentamente, aumentar o disminuir la carga 
sobre el émbolo.
Máquina de Carnot (hipotética)
(Advertencia: NI el desplazamiento de émbolo NI la variación de 
la carga de arena ESTÁN detallados en el dibujo del cilindro)
Foco Caliente 
(TH)
Foco Frío 
(TC)
Envoltura 
Aislante
c
p
V
b
a QH
d
QC
TH
6.7- Ciclo de Carnot - Análisis
El gas está en un estado de 
equilibrio inicial “a” representado 
por pa, Va, TH (Fig. 6-8-a).
Ponemos el cilindro sobre el foco 
caliente cuya temperatura es TH,
y, sacándole granos de arena, 
dejamos que el gas se expanda 
lentamente hasta el estado “b”
pb, Vb, TH. 
Durante el proceso, el gas 
absorbe calor QH por conducción 
desde la base. 
La expansión es isotérmica a TH
y el gas trabaja elevando el 
pistón y su carga.
Etapa 1

b
a  QH
V
p
U = Qab– Wab
0 = Qab– Wab
Qab = Wab
a
b
ab
V
V
nRTW ln
QH TH
6.7- Ciclo de Carnot - Análisis
Ponemos el cilindro sobre la plata-
forma aislante y permitimos que el 
gas se expanda lentamente, desde 
el estado b descargando arena, 
hasta el estado c pc, Vc, TC
(Fig. 6-8-b). 
p
V
b
aQH
c
El gas efectúa un trabajo elevando 
el émbolo y, su temperatura 
disminuye hasta TC.
La expansión es adiabática 
porque ni entra ni sale calor al 
sistema. 
ΔUbc = –Wbc = nCV (Tc – Tb)
Etapa 2
6.7 – Ciclo de Carnot - Análisis
Colocamos el cilindro sobre 
el foco frío a TC
c
p
V
b
a
QH
QC 0 = Qcd – Wcd
Qcd = Wcd
d
Durante este proceso se
transfiere calor QC del gas al
depósito, por conducción a
través de la base.
La compresión es isotérmica
a TC y el pistón con su carga
efectúan trabajo sobre el gas.
Etapa 3
QC TC
y comprimimos el gas
lentamente (agregándole
arena) hasta el estado “d
pd, Vd, TC (Fig. 6-8-d).
6.7 – Ciclo de Carnot - Análisis
Colocamos el cilindro en el
soporte sobre la plataforma
aislante y comprimimos
lentamente el gas
(agregando arena) hasta el
estado “a” pa, Va, TH.
c
p
V
b
a QH
d
QC ΔUda = – Wda = nCV (TH – TC)
Se efectúa trabajo sobre el 
gas y su temperatura se 
calienta y se eleva hasta TH
Etapa 4
La compresión es adiabática
porque ni entra ni sale calor
del sistema.
6.7- Ciclo de Carnot
Particularidades
• De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, el trabajo neto en todo el ciclo 
debe ser igual al flujo neto de calor:
W = QH – QC = QH + QC
• Es posible demostrar que, para el ciclo de Carnot, el cociente entre el calor cedido 
al foco frío QC y el extraído del foco caliente QH (en valor absoluto) es igual cociente 
entre las respectivas temperaturas absolutas de dichos focos, es decir:
• Reemplazando en la ecuación 6-3 , tendremos que la eficiencia para 
el ciclo viene dada por:
(6-7)
e =
(6-8)
H
C
T
T
e 1
H
CH
T
TT
e


6.7- Ciclo de Carnot - Particularidades
Este resultado, sorprendentemente simple, muestra que la eficiencia de un 
motor de Carnot depende sólo de las temperaturas de los focos caloríficos, 
y señala las condiciones que ha de reunir un motor real para aproximarse todo 
lo posible a la eficiencia máxima. 
Estas condiciones son: 
que la temperatura del foco caliente (TH) sea lo más alta posible y la 
del foco frío (TC), lo más baja posible. 
Cuando la diferencia entre ambas temperaturas es grande (para una TH dada), 
la eficiencia es mayor.
Cuando TC tiende a cero o TH tiende a infinito la eficiencia tiende a hacerse 
igual a la unidad. 
(6-8)
Puede demostrarse, con el Teorema de Carnot, que ningún 
motor, funcionando entre las mismas temperaturas, puede 
ser más eficiente que uno de Carnot.
6.7- Ciclo de Carnot - Inversión Frigorífico de 
Carnot 
Como todos los procesos de un ciclo de Carnot son reversibles, puede invertirse el 
ciclo completo, convirtiendo el motor en un frigorífico. 
El coeficiente de rendimiento del frigorífico de Carnot se obtiene combinando la 
ecuación (6-5) y la ecuación (6-7) 
(6-9)
6.7- Ciclo de Carnot - Inversión 
Frigorífico de Carnot
Cuando la diferencia de temperaturas es pequeña, K es mucho mayor que la 
unidad, en este caso puede “bombearse” mucho calor desde el foco (o ambiente) a 
temperatura inferior hacia el de temperatura superior con sólo un pequeño gasto 
de trabajo  “el motor de la heladera trabaja aliviado”.
Cuando la diferencia de temperaturas es grande, K es más pequeño, en este caso 
para “bombear” tanto calor como antes desde el foco frío (interior de la heladera) 
hacia el foco caliente (ambiente donde se halla la heladera) el gasto de trabajo 
deberá ser mayor  “el motor de la heladera trabaja más exigido”. 
6.7- Ciclo de Carnot
Como ya se dijo, puede demostrarse (Teorema de Carnot) que ningún motor, 
funcionando entre las mismas temperaturas, puede ser más eficiente que uno de 
Carnot.
Por lo tanto, otro enunciado equivalente de la segunda ley es:
Ningún motor que funcione entre dos temperaturas dadas puede ser más eficiente 
que un motor de Carnot operando entre las mismas temperaturas.
También es posible deducir que:
Todos los motores de Carnot operando entre dos temperaturas dadas tienen la 
misma eficiencia térmica, independientemente de la naturaleza de la sustancia 
activa.
Por lo tanto, aunque las ecuaciones (6-8) y (6-9) se hayan deducido para un motor y 
un frigorífico de Carnot que utiliza un gas ideal como sustancia activa, de hecho, son 
válidas para cualquier motor y frigorífico de Carnot, independientemente de la 
sustancia activa utilizada en el ciclo.
Respuestas del Probl. 15
3
V
2
1
U1;2 = 0
QH = W1;2 = +829,89 J
QC = W3;4 = ─ 518,6 J
U3;4 = 0
V1 = 1,197 L V2 = 2 V1 = 2,394 L
p2
p
4
V2 = 2 V1 = 2,394 L
p2 = 500 000 Pa
V3 = 7,753 L
p3 = 96 505 Pa
p1 V1 = 1,197 L
p1 = 1 000 000 Pa
T1 = T2 = TH = 480 K
T3 = T4 = TC = 300 K
V4 = 3,877 L
p4 = 183 061 Pa
Q2;3 = 0
U2;3 = ─270 cal
W2;3 = + 270 cal
Q4;1 = 0
U4;1 = + 270 cal
W4;1 = ─ 270 cal