La segunda ley de la termodinamica

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trabajode fisica ii
PRESENTADO A:
EMELDO CABALLERO
PRESENTADO POR:
YONATHAN OTERO M.
PAUL BOLAÑO
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE
27 DE OCUTBRE DEL 2014-10-24
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA.
La versión más simple de la segunda ley de la termodinámica, establece que “el calor jamás fluye espontánea-mente de un objeto frío a un objeto caliente”.
La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada
La segunda ley de la termodinámica describe la direccionalidad de los procesos termodinámicos naturales y puede plantearse de varias formas equivalentes.
El planteamiento de máquina es que ningún proceso cíclico puede convertir calor totalmente en trabajo; el planteamiento de refrigerador es que ningún proceso cíclico puede transferir calor de un lugar más frío a uno más caliente sin aporte de trabajo mecánico.
Maquina térmicas
Una máquina térmica toma calor QH de una fuente, convierte parte de él en trabajo W y desecha o expulsa el resto a una temperatura menor.
La eficiencia térmica e de una máquina térmica mide qué tanto del calor absorbido se convierte en trabajo.
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual 1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza un trabajo y 3) libera calor a una fuente a temperatura más baja. 
Por ejemplo, en un motor de gasolina, 1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape. O en un proceso característico para producir electricidad en una planta de potencia, el carbón o algún otro tipo de combustible se quema y el calor genera-do se usa para producir vapor de agua. El vapor se dirige hacia las aspas de una turbina, poniéndola a girar. Posteriormente, la energía asociada a dicha rotación se usa para mover un generador eléctrico. 
Eficiencia de una máquina térmica
Es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico). Se designa con la letra griega ηter:
 
Dependiendo del tipo de máquina térmica, la transferencia de estas energías se realizará en forma de calor, Q, o de trabajo, W.
Se dice que la eficiencia es la relación entre la salida, la energía que se busca tener, y la entrada, la energía que cuesta pero se debe definir la salida y la entrada. Se puede decir que una maquina térmica, la energíaque se busca es el trabajo y la energía que cuesta es el calor de la fuente de alta temperatura (costo del combustible) la eficiencia térmica se define como: 
ðTérmica =W (Energía que se busca) = Qh - Ql = 1 – Ql
Qh (Energía que cuesta) Qh Q
La eficiencia térmica, de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo, se escribe de la forma: W QC − QF Q e= = = 1− F (15.2) QC QC QCSe puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía). Este resultado muestra que una má-quina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si QF = 0, es decir, sino se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida QCen trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica, que enseguida analizamos, establece que esto es imposible.
CICLOS.
Entre los ciclos más importantes tenemos:
· Ciclo Rankine, para máquinas de vapor.
· Ciclo Otto, que aproxima el comportamiento de los motores de explosión.
· Ciclo Diesel, para motores diésel.
· Ciclo Brayton (o Joule), que modela la conducta de una turbina de gas como las presentes en los motores de aviones.
Un ciclo ideal que sirve como referencia para el resto es él:
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de la fuente de alta temperatura, cede un calor Q2 a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido por
y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot.
Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es ceder calor a la fuente caliente, bomba de calor.
Ciclo Otto 
Es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores de combustión interna de encendido provocado (motores de gasolina). Se caracteriza porque en una primera aproximación teórica, todo el calor se aporta a volumen constante.
Ciclo del motor diésel 
Ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, en el que se omiten las fases de renovación de la carga., y se asume que el fluido termodinámico que evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos son ideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a un modelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer una serie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores. No hay que olvidar que los grandes motores marinos y de tracción ferroviaria son del ciclo de 2 tiempos diesel.
CICLO BRAYTON
Este es un ciclo con aire, que es ampliamente utilizado en los motores de reacción de los aviones, y en todas aquellas centrales termoeléctricas que no operan con vapor de agua. Consiste en dar presión al aire para luego calentarlo a base de quemar combustible. Posteriormente este gas a alta temperatura se hace pasar por una turbina donde se extrae su energía; una parte de esa energía se emplea para impulsar el compresor, y la energía restante se utiliza para girar un generador eléctrico.
CICLO RANKINE
El ciclo Rankine es un ciclo que opera con vapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas (y antiguas máquinas de vapor en locomotoras o barcos). Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión para nuevamente poder introducirlo a la caldera.
EJERCICIOS
· Un motor de gasolina de un camión toma 10,000 J de calor y produce 2000 J de trabajo mecánico por ciclo. El calor se obtiene quemando gasolina, cuyo calor de combustión es Lc 5 5.0 3 104 J>g. a) Calcule la eficiencia térmica del motor. b) ¿Cuánto calor se desecha en cada ciclo? c) ¿Cuánta gasolina se quema en cada ciclo? d) Si el motor ejecuta 25 ciclos por segundo, ¿qué potencia desarrolla en watts y en hp? e) ¿Cuánta gasolina se quema por segundo? ¿Y por hora?
SOLUCION
Diagrama
a) Por la primera expresión de la ecuación (20.4), la eficiencia térmica es:
Ésta es una cifra típica para automóviles y camiones, si W sólo incluye el trabajo suministrado a las ruedas.
b) Por la ecuación (20.2), W 5 QH 1 QC así que
Es decir, 8000 J de calorsalen del motor en cada ciclo.
c) Sea m la masa de gasolina quemada en cada ciclo. Entonces,
d) La potencia P (rapidez con que se efectúa trabajo) es el trabajo por ciclo multiplicado por el número de ciclos por segundo:
e) La masa de gasolina quemada por segundo es la masa por ciclo multiplicada por el número de ciclos por segundo:
La masa quemada por hora es:
· El refrigerante 134ª entra como mezcla saturada de liquido vapor a una presión de 160 kPa en el serpentín de un evaporador de un sistema de refrigeración. El refrigerante absorbe 180 kJ de calor del espacio refrigerado que se mantiene – 5 oC y sale como vapor saturado a la misma presión. Determinar a) cambio de entropía del refrigerante, b) Cambio de entropía del espacio refrigerado, c) Cambio de entropía total.
Solución.
En la zona de mezcla saturada la presión y la temperatura son constantes, por lo tanto la temperatura del refrigerante sea la temperatura de saturación a la presión dada de 160 kPa, por lo que Ts = - 15,62 oC.
a) Cambio de entropía del refrigerante:
b) Cambio de entropía del espacio refrigerado:
El Qer es negativo ya que el espacio refrigerado cede calor.
c) Cambio de entropía total:
ΔStotal = ΔSistema + ΔSalrrededores = ΔSref + ΔSer = (0,699 – 0,672)kJ/K = 0,027 kJ/k por el resultado obtenido el proceso es posible e irreversible., ya que Sgenerada = 0,027 kJ/k.
Bibliografía 
Física Parte I R. Resnick Y D. Halliday 5ta edición 
Física Universitaria vol. 1 12a edición Sears, Zemansky, Young & Freedman
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