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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley no restringe la dirección de un proceso, satisfacer la primera ley no asegura que el 
proceso ocurrirá realmente.
Esta incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al 
introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica.
Un proceso no sucede a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda ley de la 
termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica es útil también en la 
determinación de los limites teóricos en el funcionamiento de 
sistemas aplicados en la ingeniería, así como para predecir el 
grado de terminación de las reacciones químicas.
Una taza de café caliente no se pondrá 
mas caliente en un cuarto mas frio.
Darle luz al foco, no se producirá carga en la batería.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Las diferencias entre las dos formas de energía, calor y trabajo, 
proporcionan elementos suficientes para sustentar la segunda 
ley de la termodinámica.
En la primera ley de la termodinámica, tanto el calor como el 
trabajo se incluyen como simples términos aditivos, lo cual 
implica que la unidad de calor, un joule, equivale a la misma 
unidad de trabajo.
Esto es valido y lo sustenta el balance de energía, la 
experiencia enseña diferencia de clase entre el calor y el 
trabajo.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Por otra parte, han fracasado todos los esfuerzos 
para diseñar un proceso de conversión continua 
y completa de calor en trabajo, o en energías 
mecánica o eléctrica.
A pesar de las mejoras realizadas a los 
dispositivos empleados, la eficiencia de 
conversión no excede de 40%.
Es evidente que el calor es una forma de energía 
intrínsecamente menos útil y, por lo tanto, 
menos valiosa que una cantidad igual de trabajo 
o de energías mecánica o eléctrica.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La segunda ley afirma que la energía tiene calidad, así 
como cantidad.
La primera ley tiene que ver con la cantidad y la 
transformación de la energía de una forma a otra sin 
importar su calidad.
Preservar la calidad de la energía es de interés principal 
para los ingenieros.
La segunda ley también mide el grado de degradación de 
la energía durante un proceso.
La mayor parte de la energía de alta temperatura es 
convertible en trabajo, por ello tiene una calidad mas alta 
que la misma cantidad de energía a temperatura mas 
baja.
DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA
En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica 
es conveniente tener un cuerpo hipotético con una 
capacidad de energía térmica (masa x calor especifico) 
grande que pueda suministrar o absorber cantidades 
finitas de calor sin que sufra ningún cambio de 
temperatura.
Un cuerpo con esas características se llama deposito 
de energía térmica, o solo deposito.
Un deposito que suministra energía en forma de calor 
recibe el nombre de fuente, y uno que absorbe 
energía en forma de calor se denomina sumidero.
Los depósitos de energía térmica se conocen como 
depósitos de calor en vista de que suministran o 
absorben energía en forma de calor. 
FUENTE
SUMIDERO
MAQUINAS TÉRMICAS
El planteamiento clásico de la segunda ley se fundamenta en un punto de vista macroscópico de las 
propiedades, que es independiente de cualquier conocimiento de la estructura de la materia o comportamiento 
de las moléculas.
Este planteamiento se origina del estudio de las maquinas térmicas, que son dispositivos o maquinas que 
producen trabajo a partir del calor en un proceso cíclico.
MAQUINAS TÉRMICAS
Las maquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el cual el calor se 
transfiere mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre de fluido de trabajo.
Para un sistema cerrado que se somete a un ciclo, el cambio en la energía interna ΔU es cero.
Por lo tanto, la Salida del trabajo neto del Sistema es igual a la transferencia de calor neto al Sistema.
Wneto, sal = Qen - Qsal
MAQUINAS TÉRMICAS
Las maquinas térmicas difieren considerablemente unas 
de otras, pero todas se caracterizan por:
1. Reciben calor de una fuente de alta temperatura 
(energía solar, hornos de petróleo, reactores 
nucleares, etc.).
2. Convierten parte de este calor en trabajo 
(normalmente en forma de un eje en rotación).
3. Liberan el calor de desecho remanente en el 
sumidero de baja temperatura (la atmosfera, ríos, 
etc.).
4. Operan en un ciclo.
EFICIENCIA TÉRMICA
Los dispositivos cíclicos de interés practico, como las maquinas térmicas, refrigeradores y las bombas 
de calor, operan entre un medio de alta temperatura (o deposito) a temperatura TH y un medio a baja 
temperatura TL.
QH = magnitud de la transferencia de calor entre un 
dispositivo cíclico y un medio de alta temperatura TH
QL = magnitud de la transferencia de calor entre un 
dispositivo cíclico y un medio de baja temperatura 
TL
EFICIENCIA TÉRMICA
El rendimiento o eficiencia, en general, puede expresarse en términos de la salida deseada y de la 
entrada requerida.
𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 =
𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆𝒔𝒆𝒂𝒅𝒂
𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒄𝒂
𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒕𝒆𝒓𝒎𝒊𝒄𝒂 =
𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆 𝒕𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 𝒏𝒆𝒕𝒐
𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒏𝒆𝒕𝒐
𝜼𝒕 =
𝑾𝒏𝒆𝒕𝒐,𝒔𝒂𝒍
𝑸𝒆𝒏
Puesto que Wneto, sal = Qen - Qsal
𝜼𝒕 = 𝟏 −
𝑸 𝒔𝒂𝒍
𝑸𝒆𝒏
TEOREMA DE CARNOT
PARA DOS DEPÓSITOS DE CALOR DETERMINADOS NINGUNA MAQUINA TIENE LA EFICIENCIA 
TÉRMICA MAS ALTA QUE LA MAQUINA DE CARNOT.
COLORARIO DEL TEOREMA DE CARNOT
LA EFICIENCIA TÉRMICA DE UNA MAQUINA DE CARNOT DEPENDE ÚNICAMENTE DE LOS NIVELES DE 
TEMPERATURA Y NO DE LA SUSTANCIA DE TRABAJO DE LA MAQUINA.
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
El calor fluye de la dirección de alta a baja 
temperatura, este proceso ocurre por si solo, sin 
requerir ningún dispositivo.
El proceso inverso no puede ocurrir, salvo que 
tenga dispositivos especiales llamados 
refrigeradores.
Los refrigeradores, como las maquinas térmicas, 
son dispositivos cíclicos.
El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de 
refrigeración se llama refrigerante.
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
Los refrigeradores y las bombas de calor operan en el mismo 
ciclo, aunque difieren en sus objetivos.
El objetivo del refrigerador es mantener el espacio refrigerado 
a baja temperatura quitándole calor. La descarga de este calor 
a un medio de mayor temperatura es tan solo una parte de la 
operación, no el propósito.
El objetivo de la bomba de calor es mantener un espacio 
calentado a alta temperatura. Lo cual consigue al absorber el 
calor de una fuente de baja temperatura para suministrarla a 
un medio de alta temperatura.
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
Coeficiente de operación:
La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de operación (COP), denotado 
por COPR
Observe que el valor del COPR puede ser mayor que la unidad.
La cantidad de calor extraído del espacio refrigerado puede ser mayor que la cantidad de entrada de 
trabajo.
La cual contrasta con la eficiencia térmica que nunca puede ser mayor que uno. 
𝑪𝑶𝑷𝑹 =
𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆𝒔𝒆𝒂𝒅𝒂
𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒂
=
𝑸𝑳
𝑾𝒏𝒆𝒕𝒐,𝒆𝒏
=
𝑸𝑳
𝑸𝑯 − 𝑸𝑳
=
𝟏
 
𝑸𝑯
𝑸𝑳
− 𝟏
REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR
La medida del rendimiento de una bomba de calor se expresa también en términos del coeficiente de 
operación COPBC , definido como:
𝑪𝑶𝑷𝑩𝑪 =
𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆𝒔𝒆𝒂𝒅𝒂
𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝒓𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒂
=
𝑸𝑯
𝑾𝒏𝒆𝒕𝒐,𝒆𝒏
=
𝑸𝑯
𝑸𝑯 − 𝑸𝑳
=
𝟏
𝟏 − 
𝑸𝑳
𝑸𝑯
COPBC = COPR +1
ENUNCIADO DE KELVIN - PLANCK
Es imposible para cualquier dispositivo que opera en un ciclo recibir calor de un solo dispositivo y 
producir una cantidad neta de trabajo.
El enunciado de Kelvin – Planck también puede expresarse como que ninguna maquina térmica puede 
tener una eficiencia térmica de 100 por ciento.𝜼𝒕 = 𝟏 −
𝑸 𝒔𝒂𝒍
𝑸𝒆𝒏
= 𝟏 −
𝟎
𝑸𝒆𝒏
= 𝟏
ENUNCIADO DE CLAUSIUS
Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo y cuyo único efecto sea producir la 
transferencia de calor de un cuerpo de temperatura mas baja a un cuerpo de temperatura mas alta.
Este proceso es denominado el Refrigerador térmico de Clausius.
EQUIVALENCIA DE LOS DOS ENUNCIADOS
Los enunciados de Kelvin – Planck y de Clausius son equivalentes en sus consecuencias y cualquiera de 
ellas es útil como la expresión de la segunda ley d la termodinámica.
Cualquier dispositivo que viole el enunciado de Kelvin – Planck viola también el enunciado de Clausius, 
y viceversa.
MAQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO
Se conocen como maquinas de movimiento perpetuo son todos los dispositivos que violan la primera 
ley y/o segunda ley de la termodinámica.
Un dispositivo que viole la primera ley de la termodinámica (creando energía) se denomina maquinas 
de movimiento perpetuo de primera especia (MMP1).
Un dispositivo que viole la segunda ley de la termodinámica se llama maquina de movimiento 
perpetuo de segunda especie (MMP2).
LA ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURAS
La escala de temperatura termodinámica se usa para medir los 
valores de temperatura.
Estas escalas de temperatura son independientes de las propiedades 
de las sustancias.
Las eficiencias de las maquinas reversibles son función de las escalas 
de temperatura, por ellos se deduce que estas son independientes 
del fluido de trabajo empleado y de sus propiedades.
LA ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURAS
Los depósitos de energía se caracterizan por ser función (g) de su temperatura.
La eficiencia térmica de las maquinas térmicas reversibles son una función exclusiva de las 
temperaturas del deposito.
𝜂𝑡 = 1 −
𝑄𝐻
𝑄𝐿
ηt.rev = g(TH ,TL)
𝑄𝐻
𝑄𝐿
= f (TH ,TL)
Para una maquina térmica reversible que opera entre dos depósitos a temperaturas TH y TL , puede 
escribirse como:
𝑄𝐻
𝑄𝐿
=
 𝛷(𝑇𝐻
 𝛷(𝑇𝐿
Lord Kelvin propuso tomar 𝛷(𝑇 = T para definir una escala de temperatura, entonces se tiene:
 𝛷(𝑇𝐻
 𝛷(𝑇𝐿
=
𝑇𝐻
𝑇𝐿
Esta escala de temperatura recibe el nombre de escala de Kelvin, y las temperaturas en ella se 
denominan temperaturas absolutas.
CICLO DE CARNOT
Llamado también el ciclo perfecto (aunque el 
segundo principio fue anunciado por el alemán 
Rodolfo Clausius en 1850), en 1852 el joven físico 
francés Sadi Carnot lo expreso en su trabajo 
titulado “Reflexiones acerca de la potencia motriz 
del fuego”.
Es un ciclo teórico de mayor rendimiento
que cualquier maquina térmica trabajando a 
las mismas fuentes de temperatura.
El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos 
procesos isotermos (a temperatura constante) y 
dos adiabáticos (aislados térmicamente). 
CICLO DE CARNOT
ESCALA DE TEMPERATURAS DEL GAS IDEAL
ECUACIONES DE CARNOT
El ciclo recorrido por un gas ideal que sirve como fluido 
de trabajo en una maquina de Carnot consta de 4 
procesos reversibles .
a → b Compresión adiabática hasta que la temperatura aumente de TC a TH. 
b → c Expansión isotérmica a un punto arbitrario c con absorción de calor │QH│.
c → d Expansión adiabática hasta que la temperatura disminuya a TC . 
D → a Compresión isotérmica hasta el estado inicial con disipación de calor │QC│.
a
b
c
d
TH
TL
Vb Va Vc Vd 
QH
QL
ESCALA DE TEMPERATURAS DEL GAS IDEAL
ECUACIONES DE CARNOT
Para las etapas isotérmicas b → c y d → a, se tiene:
a
b
c
d
TH
TL
Vb Va Vc Vd 
QH
QL
│𝑄𝐻│ = 𝑅𝑇𝐻𝑙𝑛
𝑉𝑐
𝑉𝑏
y │𝑄𝐶│ = 𝑅𝑇𝐶𝑙𝑛
𝑉𝑑
𝑉𝑎
Por lo tanto,
│𝑄𝐻│
│𝑄𝐶│
=
𝑇𝐻𝑙𝑛
𝑉𝑐
𝑉𝑏
𝑇𝐶𝑙𝑛
𝑉𝑑
𝑉𝑎
Para un proceso adiabático se tiene dU = δQ – δW
Como δQ = 0, se tiene dU = – δW
𝐶𝑉𝑑𝑇 = −𝑃𝑑𝑉 =
𝑅𝑇
𝑉
𝑑𝑉
−𝐶𝑉
𝑅
𝑑𝑇
𝑇
=
𝑑𝑉
𝑉
→
CICLO DE CARNOT
ESCALA DE TEMPERATURAS DEL GAS IDEAL
ECUACIONES DE CARNOT
Para las etapas a → b y c → d, la integración da:
a
b
c
d
TH
TL
Vb Va Vc Vd 
QH
QL
y
Dado que los lados izquierdos de estas dos ecuaciones
Son iguales,
Entonces se tiene,
 
𝑇𝐶
𝑇𝐻 𝐶𝑉
𝑅
𝑑𝑇
𝑇
= 𝑙𝑛
𝑉𝑎
𝑉𝑏
 
𝑇𝐶
𝑇𝐻 𝐶𝑉
𝑅
𝑑𝑇
𝑇
= 𝑙𝑛
𝑉𝑑
𝑉𝑐
𝑙𝑛
𝑉𝑎
𝑉𝑏
= 𝑙𝑛
𝑉𝑑
𝑉𝑐
𝑙𝑛
𝑉𝑐
𝑉𝑏
= 𝑙𝑛
𝑉𝑑
𝑉𝑎
o
│𝑄𝐻│
│𝑄𝐶│
=
𝑇𝐻
𝑇𝐶
CICLO DE CARNOT
ESCALA DE TEMPERATURAS DEL GAS IDEAL, ECUACIONES DE CARNOT
Como la eficiencia de una maquina térmica esta definida como,
Reemplazando se tiene
Esta ecuación se conoce como la ecuación de Carnot.
Los depósitos fríos que están disponibles de manera natural sobre la tierra son la atmosfera, los lagos, los ríos y los 
océanos, para los cuales TC ≈ 300°K.
Los depósitos calientes son objetos tales como los hornos donde la temperatura se mantiene por ignición de 
combustibles fósiles que alcanzan TH ≈ 600°K.
Con estos valores podemos aproximar eficiencias reales de 𝜂𝑡 = 1 −
300
600
= 0.5
CICLO DE CARNOT
𝜂𝑡 =
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜,𝑠𝑎𝑙
𝑄𝐻
= 1 −
𝑄 𝐶
𝑄𝐻
𝜂𝑡 =
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜,𝑠𝑎𝑙
𝑄𝐻
= 1 −
𝑇𝐶
𝑇𝐻
ENTROPÍA
De la maquina de Carnot se puede escribir que:
│𝑄𝐻│
𝑇𝐻
=
│𝑄𝐶│
𝑇𝐶
El valor numérico de 𝑄𝐻 es positivo y el de 𝑄𝐶 es negativo, por lo tanto la ecuación equivalente sin los signos de 
valor absoluto es,
𝑄𝐻
𝑇𝐻
=
−𝑄𝐶
𝑇𝐶
𝑄𝐻
𝑇𝐻
+
𝑄𝐶
𝑇𝐶
= 0→
Para un ciclo completo de una maquina de Carnot, las dos cantidades Q/T asociadas con la absorción y 
disipación de calor por el fluido de trabajo de la maquina, deben sumar cero.
𝛿𝑄𝐻
𝑇𝐻
+
𝛿𝑄𝐶
𝑇𝐶
= 0 → 
𝛿𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇
= 0
Entonces, si las cantidades 𝛿𝑄𝑟𝑒𝑣/T suman cero para un ciclo arbitrario, muestran su carácter de ser una 
propiedad termodinámica.
La entropía desde el punto macroscópico
ENTROPÍA
Para un ciclo termodinámico reversible se tiene entonces
Se define como entropía S como:
La entropía S es una propiedad intrínseca de un sistema que se relaciona de manera funcional a las 
coordenadas mensurables que caracterizan al sistema (PVT). 
Se dice que un proceso es isentrópico cuando 𝛿𝑄𝑟𝑒𝑣 = 0 y se da en un proceso reversible.
𝑑𝑆 =
𝛿𝑄𝑟𝑒𝑣
𝑇
𝛿𝑄𝑟𝑒𝑣 = 𝑇𝑑𝑆
La entropía desde el punto microscópico
ENTROPÍA
Es una magnitud que nos entrega el grado de desorden o caos de 
un sistema.
Los sistemas moleculares tienden hacia el máximo desorden.
La entropía de una sustancia es mas baja en su fase solida y es mas 
alta en su fase gaseosa.
Si algo se ordena es porque recibe energía externa al sistema.
ENTROPÍA
Cualquier proceso sigue su curso en una dirección tal, que el cambio en la entropía total asociado con el es 
positivo.
El valor limite de cero se alcanza únicamente para un proceso reversible.
No es posible un proceso para el que la entropía total disminuya.
El trabajo que se desperdicia como resultado de las irreversibilidades en un proceso se llama trabajo perdido 
𝑊𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜 y se define como 𝑇ΔS.
𝛥𝑆𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ≥ 0
𝛥𝑆𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 + 𝛥𝑆𝑒𝑛𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 = 𝛥𝑆𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜 ≥ 0
𝑆 = 𝐾 𝑙𝑛𝑊
K = constante de Boltzmann.
W = numero de formas diferentes que puede encontrase los componentes de un 
sistema.
PROCESOS REVERSIBLE E IRREVERSIBLE
Un proceso reversible es aquel que puede invertirse sin dejar 
ningún tipo de transferencia, por lo tanto, tanto el sistema 
como los alrededores regresan a sus estados iniciales al final 
del proceso inverso.
Esto es posible solo si el intercambio de calor neto y de 
trabajo neto entre el sistema y sus alrededores es cero para el 
proceso combinado (original e invertido).
Los procesos que no son reversibles son conocidos como 
irreversibles.
PROCESOS REVERSIBLE E IRREVERSIBLE
Debe señalarse que un sistema puede regresar a su estado inicial si sigue un proceso, no importa si el 
proceso es reversible o irreversible.
Pero en procesos reversibles, este regreso se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores.
En los procesos irreversibles los alrededores suelen realizar cierto trabajo sobre el sistema y, por lo 
tanto, no regresaran a su estado original.PROCESOS REVERSIBLE E IRREVERSIBLE
En realidad reversibles no suceden en la naturaleza.
Son meras idealizaciones de los procesos reales.
Los procesos reversibles pueden aproximarse por 
medio de dispositivos reales, aunque nunca pueden 
alcanzarse.
Es decir, todos los procesos dados en la naturaleza son 
irreversibles. los procesos 
IRREVERSIBILIDADES
Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se llama 
irreversibilidades.
Entre las irreversibilidades mas frecuentes son:
 La fricción.
 La expansión libre.
 La mezcla de dos gases.
 La transferencia de calor atreves de una diferencia 
de temperatura finita.
 La resistencia eléctrica.
 La deformación inelástica de solidos y
 Las reacciones químicas.
EXPANSIÓN Y COMPRESIÓN DE NO CUASIEQUILIBRIO
Un proceso de cuasiequilibrio es aquel que durante el cual el sistema permanece infinitesimalmente 
cercano a un estado de equilibrio todo el tiempo.
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La tercera ley de la termodinámica fue desarrollada por el químico Walther Nernst durante los años 
1906 – 1912, por lo que se refiere a menudo como el teorema de Nernst o postulado de Nernst.
La tercera ley dice que la entropía de un sistema en el cero absoluto es una constante absoluta.
Esto se debe a que un sistema a temperatura cero existe en su estado fundamental, por lo que su 
entropía esta determinado solo por la degeneración del estado fundamental
TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La tercera ley indica que la entropía de una sustancia pura y cristalina en el cero absoluto es nula.
la tercera ley de la termodinámica provee de un punto de referencia absoluto para el calculo de la entropía.
La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero ( log(1)=0 ), o sea no hay desorden.
Alcanzar esa temperatura es imposible prácticamente, debido al calor que entra de “los alrededores”.