Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Primer principio de la termodinámica es una forma de la ley de conservación de la energía
Sin embargo, no nos dice nada acerca de por qué fenómenos que no violan ese principio, no ocurren de manera espontánea
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía interna en otras formas útiles de energía (por ejemplo, energía cinética)
En general, una máquina térmica conduce una sustancia de trabajo a través de procesos cíclicos durante los cuales:
1. Se extrae energía de un foco de mayor temperatura
2. La máquina realiza un trabajo
3. La máquina cede energía a un foco de menor temperatura
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Ejemplo de máquina térmica: una máquina de vapor
En general, una máquina térmica conduce una sustancia de trabajo (agua) a través de procesos cíclicos durante los cuales:
1. Se extrae energía de un foco de mayor temperatura
(se necesita un fuego, foco de mayor temperatura, para convertir el agua líquida en vapor de agua en el interior de una caldera)
2. La máquina realiza un trabajo
(el vapor de agua se expande contra un émbolo, realizando un trabajo)
3. La máquina cede energía a un foco de menor temperatura
(se condensa el vapor con agua de refrigeración, el foco de menor temperatura, y se devuelve a la caldera)
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Ejemplo de máquina térmica: una máquina de vapor
En general, una máquina térmica conduce una sustancia de trabajo (agua) a través de procesos cíclicos durante los cuales:
1. Se extrae energía de un foco de mayor temperatura
(se necesita un fuego, foco de mayor temperatura, para convertir el agua líquida en vapor de agua en el interior de una caldera)
2. La máquina realiza un trabajo
(el vapor de agua se expande contra un émbolo, realizando un trabajo)
3. La máquina cede energía a un foco de menor temperatura
(se condensa el vapor con agua de refrigeración, el foco de menor temperatura, y se devuelve a la caldera)
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Representación esquemática de una máquina térmica
(Gp:) La máquina absorbe una cantidad de energía del foco caliente
(Gp:) La máquina realiza un trabajo
o lo que es lo mismo, sobre la máquina se realiza un trabajo negativo
(Gp:) La máquina cede una energía al foco frío
(Gp:) Puesto que la sustancia de trabajo recorre un ciclo, sus energías inicial y final son iguales
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Representación esquemática de una máquina térmica
(Gp:) El trabajo realizado por una máquina térmica es igual a la energía neta absorbida por la máquina
Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado por la máquina en un proceso cíclico es el área encerrada por la curva que representa el proceso en un diagrama PV
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Representación esquemática de una máquina térmica
(Gp:) El rendimiento térmico de una máquina térmica se define como el cociente entre el trabajo neto realizado por la máquina y la energía absorbida del foco caliente durante un ciclo
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Representación esquemática de una máquina térmica
(Gp:) El rendimiento térmico de una máquina térmica se define como el cociente entre el trabajo neto realizado por la máquina y la energía absorbida del foco caliente durante un ciclo
(Gp:) En una máquina perfecta, el rendimiento sería del 100%. Es decir, y
En una máquina térmica de rendimiento perfecto tendría que ceder en forma de trabajo mecánico toda la energía que absorbe
Máquinas térmicas y segunda ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica:
Es imposible construir una máquina térmica que, funcionando de manera cíclica, sólo produzca el efecto de absorber energía de un foco y convertirla en igual cantidad de trabajo
La máquina imposible
Procesos reversibles e irreversibles
Proceso reversible: aquel para el cual el sistema puede devolverse a las condiciones iniciales a lo largo del mismo camino y, para el cual cada punto a lo largo de dicho camino está en equilibrio térmico.
Proceso irreversible: aquel que no cumple estas condiciones
Todos los procesos reales son irreversibles
La máquina de Carnot
El trabajo neto realizado por una sustancia de trabajo conducida a través del ciclo de Carnot es el máximo trabajo posible para una cantidad dada de energía, suministrada a la sustancia a la temperatura mas alta
¿Cuál es la máquina más eficiente posible?
Una máquina térmica operando en un ciclo reversible ideal (denominado ciclo de Carnot) entre dos reservorios de energía es la máquina más eficiente posible
El ciclo de Carnot
Las paredes del cilindro y el émbolo son aislantes térmicos
Supondremos que la sustancia de trabajo es un gas ideal contenido en un cilindro con un émbolo móvil en un extremo
El ciclo consta de cuatro etapas, todas ellas reversibles:
– dos procesos adiabáticos
– dos procesos isotérmicos
El ciclo de Carnot
Las paredes del cilindro y el émbolo son aislantes térmicos
Supondremos que la sustancia de trabajo es un gas ideal contenido en un cilindro con un émbolo móvil en un extremo
El ciclo consta de cuatro etapas, todas ellas reversibles:
– dos procesos adiabáticos
– dos procesos isotérmicos
El ciclo de Carnot: proceso 1:
(Gp:) Expansión isotérmica a temperatura
(Gp:) El gas se pone en contacto con un foco térmico a temperatura
(Gp:) Durante el proceso el gas absorbe una energía en forma de calor del foco térmico a través de la base del cilindro
(Gp:) El gas realiza un trabajo empleado en elevar el émbolo
El ciclo de Carnot: proceso 2:
La base del cilindro se reemplaza por un material aislante térmico y el gas se expande adiabáticamente (ninguna energía entra o sale del sistema en forma de calor)
(Gp:) Expansión adiabática
(Gp:) Durante el proceso, la temperatura baja de a
(Gp:) El gas realiza un trabajo , empleado en elevar el émbolo
El ciclo de Carnot: proceso 3:
Compresión isotérmica
(Gp:) El gas se pone en contacto térmico con un foco térmico a temperatura y se comprime isotérmicamente a esa temperatura
(Gp:) El gas cede una energía al foco térmico
(Gp:) El trabajo realizado sobre el gas es
El ciclo de Carnot: proceso 4:
Compresión adiabática
La base del cilindro se reemplaza una vez más por una pared de material aislante térmico y el gas se comprime adiabáticamente
(Gp:) La temperatura del gas aumenta hasta
(Gp:) El trabajo realizado sobre el gas es
El ciclo de Carnot: Eficiencia:
Cualquier máquina real tiene menor rendimiento que la máquina de Carnot, porque todas ellas operan de forma irreversible para completar un ciclo en un periodo de tiempo breve
Para un ciclo como este, Carnot demostró que
El rendimiento térmico de una máquina de Carnot es
El ciclo de Carnot: Eficiencia:
Para un ciclo como este, Carnot demostró que
El rendimiento térmico de una máquina de Carnot es
(Gp:) La eficiencia es cero si
(Gp:) La eficiencia aumenta al aumentar y disminuir
(Gp:) Eficiencia máxima para
Tercer principio de la termodinámica
Es imposible alcanzar el cero absoluto de temperaturas. Costaría una cantidad de energía infinita
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