Tema 5 Segundo principio

Vista previa del material en texto

El segundo principio El segundo principio 
de la termodinámicade la termodinámicade la termodinámicade la termodinámica
Profesor:
Joaquín Zueco Jordán
Área de Máquinas y Motores Térmicos
Dirección de los procesos
Q
Ti>To ToT
Tiempo
P T
PPi
Los procesos inversos no son 
posibles espontáneamente
Po To
P
Tiempo
Pi
zi
Masa
Masa
Masa
zi
Otros ejemplos de la dirección de los procesos
Masa
Q
La transferencia de calor Q a una 
 o todos los procesos que verifican 
el 1er principio son viables
1ª Ley 2ª Ley
Oportunidad de producir trabajo
Es necesario el 2º principio:
- Saber si un proceso es espontáneo
- Saber la dirección de un proceso
- Saber si un proceso puede ocurrir
La transferencia de calor Q a una 
hélice no provocará que gire
I=0
VQ
La transferencia de calor Q a un 
alambre no generará electricidad
Más utilidades del Segundo Principio
Si hay posibilidad de producir trabajo:
- ¿Cuál es la máxima cantidad de trabajo?
- ¿Cuáles son los factores que hacen imposible obtenerlo?
-Establecer las condiciones de equilibrio
-Definición de una escala de temperatura independiente 
de la sustancia termométrica
- Desarrollo de expresiones para evaluar u y h en función 
de otras propiedades más fácilmente medibles
Introducción al segundo principio
• Según el primer principio, en un 
proceso cíclico
Q = W
Q calor entregado al sistema
W trabajo netov
P
F.C.
• Según el segundo principio
Q > WMotor térmico
sistema
F.F.
Q1
Q2
W
Q > W
Q1 calor entregado del F.C. al sistema
Q2 calor rechazado por el sistema al F.F.
W trabajo neto
W = Q1 - Q2
W Q1 – Q2 Q2ηηηη = −−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− = 1 - −−−−−−−−−−−− < 1
Q1 Q1 Q1
Motor térmico
F.C.
Máquina frigorífica:
Bomba de calor
Q2 Q2 C.O.P.MF = = = = −−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−W Q1 - Q2
Ciclos inversos
P
v
sistema
F.F.
Q1
Q2
W
Bomba de calor
Q1 Q1 C.O.P.BC = = = = −−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− > 1W Q1 - Q2
C.O.P. Coeficiente operación
Clausius
Es imposible construir una 
máquina, que funcionando con 
un ciclo, no produzca otro efecto, 
que transferir calor desde un 
cuerpo a otro de mayor 
temperatura.
Kelvin Plank
Es imposible con un motor 
térmico, producir un trabajo neto, 
en un ciclo completo, 
intercambiando calor 
solamente, con un cuerpo a una 
temperatura fija. 
Enunciados del segundo principioEnunciados del segundo principio
F.C.
T1
F.F.
T2
Q
T1 >T2
T= CTE
sistema
Q1
Q2= 0
W
Físicos que enunciaron el segundo principioFísicos que enunciaron el segundo principio
Plank ClausiusKelvin
Procesos irreversibles
Aquellos que una vez ha sucedido, es imposible devolver al 
sistema y al entorno a sus estados iniciales
Transferencia de calor
Expansión libre de un fluido
Reacción química espontánea
Mezcla espontánea de sustancias con diferente 
composición o estado
Rozamiento (fricciones mecánicas/ deslizamiento por la 
viscosidad de un fluido) 
Todos los procesos reales son irreversibles
Internas
Externas
Procesos reversibles
Aquellos que una vez ha sucedido, es posible devolver al 
sistema y al entorno a sus estados iniciales
Estos procesos no ocurren, sólo se definen ya que algunos 
procesos reales son casi reversibles
Saber límite IDEAL
T1
T2
Q12 T1 – T2 ≈≈≈≈ 0
Tobera-difusor subsónicos
Péndulo ideal
P
ztáztáztáztá
Wexp = -Wcomp
PROCESOS REVERSIBLES
U PROCESO ES REVERSIBLE SI PUEDE LLEVARSE A 
CABO U A HIPOTÉTICA I VERSIÓ DEL PROCESO SI 
QUE VIOLE EL SEGU DO PRI CIPIO DE LA 
Inversión del proceso
T1
F.C.
T2
F.F.
Q
•Transferencia de calor
T1 >T2
∆∆∆∆T = T1 -T2 >0
Violación del 
enunciado de 
Clausius.
* Si ∆∆∆∆T→→→→0:
proceso reversible
T1
F.C.
T2
F.F.
Q
T= CTE•Rozamiento Violación del T= CTE
Procesos irreversibles
QUE VIOLE EL SEGU DO PRI CIPIO DE LA 
TERMODI ÁMICA.
CO DICIO ES:
1. PROCESO CUASIESTÁTICO.
2. SI ROZAMIE TO.
3. LA TRA SMISIÓ DE CALOR SE DEBE EFECTUAR 
E TRE U A DIFERE CIA I FI ITESIMAL DE 
TEMPERATURAS. 
•Proceso no cuasiestático
Imposible reproducir los estados 
del proceso directo, ya que no 
están definidos.
T= CTE
sistema
Q
W
•Rozamiento
W = Q
Violación del 
enunciado de 
Kelvin Plank.
T= CTE
sistema
Q
W
Formulación analítica del enunciado de Kelvin-Planck
S
Foco térmico
Q i) 1er Principio: Wciclo = Qciclo
ii) 2º Principio:
Condiciones a cumplir:
Kelvin-Planck: o se
Masa
Kelvin-Planck: o se
puede transferir una
cantidad neta de trabajo
cíclicamente a su entorno
Wciclo ≤≤≤≤ 0
(Un único foco)
Qciclo ≤≤≤≤ 0
W(no-cíclico) > 0 
Máquinas de movimiento perpetuo
MMP de 1ª especie
 
 
 
Wnet,sal 
CALDERA 
MMP de 2ª especie
 
 
 
 Qent 
Son máquinas que no funcionan, al no verificar una de las 2 Leyes
Calentador eléctrico 
 
CONDENSADOR 
 T 
 Bomba 
GENERADOR 
Qsal 
(viola la 1ª Ley)
Sin condensador 
 
 T 
 Bomba 
Wnet,sal 
CALDERA 
(viola la 2ª Ley)
Adiabáticos BC DA 
γγγγ-1
T1 vB = T2 vC
γγγγ-1
γγγγ-1
T1 vA = T2 vD
γγγγ-1
v Bln −−−−−−−−−−−− =
v A
v Cln −−−−−−−−−−−−
v D
v BQ1 = QAB = WAB= m R T1 ln −−−−−−−−−−−−v A
v DQ2 = QCD = WCD= - m R T2 ln −−−−−−−−−−−−v C
Isotérmicos AB CDCiclo de Carnot
Isotérmicos
P
v
A
B
CD
Adiabáticos
T2ηηηηc= 1 - −−−−−−−−−−−−T1 
Q2 ηηηη=1 - −−−−−−−−−−−− = 1 - −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Q1 v BT1 ln −−−−−−−−−−−−v A
v CT2 ln −−−−−−−−−−−−v D
Rendimiento de Carnot
Un motor térmico logrará un rendimiento máximo si funciona 
con un ciclo reversible entre dos niveles de temperatura.
T1 vA = T2 vDv(Gas ideal)
Ciclo de Carnot inverso
T1
P1
P2
T
T2
A B
CD
P
v
A
B
CD
T 2C.O.P.MF = = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−T 1 - T 2
T 1(C.O.P.)BC = = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−T 1 - T 2
•Maquina frigorífica
•Bomba de calor
v
v
T1 F.C.
R
T2 F.F.
WR I
WI
Q21 - −−−−−−−−−−−−
Q1 
T2≤≤≤≤ 1 - −−−−−−−−−−−−
T1 
ηηηηI ≤≤≤≤ ηηηηR
Corolarios
Teorema de Carnot
Corolarios
T1 F.C.
R1
T2 F.F.
WR R2
WR
ηηηηR1 = ηηηηR2
ηηηη= f( T1 ,T2)
ηηηη ≠≠≠≠f - fluido operante
- tipo de máquina 
ηηηη= f( T ,Tpt)
Tpt Qpt−−−−−−−−−−−− = −−−−−−−−−−−−
T Q
Para un motor 
térmico reversible
W Q
T 
F.C.
R
W
Q
Q
Escala termodinámica de temperatura absoluta 
Escala Kelvin de temperaturas:
Punto triple del agua (pt) 273,16 K
W Qptηηηη= −−−−−−−−−−−− = 1 - −−−−−−−−−−−−
Q QTpt
F.F.
Qpt
Se miden Q y Qpt
Q
T = 273,16 −−−−−−−−−−−−
Qpt
Aunque la escala termodinámica se define 
con máquinas térmicas reversibles, no 
resulta útil ni práctico su empleo, ya que 
las Tªs se miden con termómetros
Cero absoluto
QFCOP= −−−−−−−−−−−−
W 
T F= = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
T C - TF
(T C - T F) QFW= = = = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
T F
Maquina frigorífica reversible
T F→→→→0 W→→→→∞∞∞∞
Cero absoluto es inalcanzable
Escala termodinámica de temperatura absoluta 
William Thomson (Lord Kelvin)