RAE segunda ley de la termodinamica y entropia PDF

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RAE MAQUINAS TERMICAS...

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TITULO DEL LIBRO:

TEMA PRINCIPAL:

FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA- 7 ED- VOLUMEN 1 EDITORIAL: CENGAGE AUTORES: RAYMOND A. SERWAY // JOHN W. JEWETT AÑO: 2008 CAPITULO 22: MÁQUINAS TÉRMICAS, ENTROPÍA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CONTENIDO

La segunda ley de la termodinámica, establece cuáles procesos se presentan y cuáles no. Los siguientes son ejemplos de procesos que no violan la primera ley de la termodinámica si ellos siguen su curso en cualquier dirección, aunque en realidad se observa que siguen su curso sólo en una dirección: • Cuando dos objetos a diferentes temperaturas se colocan en contacto térmico, la transferencia de energía neta por calor siempre es del objeto más caliente al objeto más frío, nunca del más frío al más caliente. • Una bola de caucho que se deja caer al suelo rebota varias veces y con el tiempo llega al reposo, pero una bola que se encuentra en el suelo nunca reúne energía interna del suelo y comienza a rebotar por cuenta propia. • Un péndulo en oscilación al final llega al reposo debido a que colisiona contra las moléculas del aire y a la fricción en el punto de suspensión. La energía mecánica del sistema se convierte en energía interna en el aire, el péndulo y la suspensión; la conversión contraria de energía nunca se presenta. Todos estos procesos son irreversibles: es decir, son procesos que se presentan de manera natural en una sola dirección. No se ha observado jamás que algún proceso irreversible gire de regreso. Si lo hiciera, violaría la segunda ley de la termodinámica.

SUBTEMA U TEMA SECUNDARIO CONTENIDO

22.2 BOMBAS DE CALOR Y REFRIGERADORES En una máquina térmica la dirección de la transferencia de energía es del depósito caliente al depósito frío, que es la dirección natural. La función de la máquina térmica es procesar la energía del depósito caliente de modo que se transforme en trabajo útil. ¿Qué pasaría si se quiere transferir energía del depósito frío al depósito caliente? Ya que no es la dirección natural de la transferencia de energía, se debe poner algo de energía en un dispositivo para lograrlo. Los dispositivos que realizan esta tarea se llaman bombas de calor y refrigeradores. Por ejemplo, los hogares en verano se enfrían con el uso de bombas de calor llamadas acondicionadores de aire. El acondicionador de aire transfiere energía de la habitación fría en la casa al aire caliente exterior. En un refrigerador o bomba de calor, la máquina toma energía Qc de un depósito frío y expulsa energía Qh a un depósito caliente (figura 1), que se puede lograr sólo si se realiza trabajo en la máquina. A partir de la primera ley, se sabe que la energía expulsada al depósito caliente debe ser igual a la suma del trabajo realizado y la energía que se toma del depósito frío. Por lo tanto, el refrigerador o bomba de calor transfiere energía desde un cuerpo más frío (por ejemplo, los contenidos de un refrigerador de cocina o el aire invernal afuera de un edificio) a un cuerpo más caliente (el aire en la cocina o a una habitación en el edificio). En la práctica, es deseable llevar a cabo este proceso con un mínimo de trabajo. Si el proceso se pudiera lograr sin realizar trabajo alguno, el refrigerador o bomba de calor sería “perfecto” (figura 2). De nuevo, la existencia de tal dispositivo violaría la segunda ley de la termodinámica, que en la forma del enunciado de Clausius afirma: “Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea transferir energía de manera continua mediante calor desde un objeto a otro a una mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo”

FIGURA 1

FIGURA 2

En términos más simples, la energía no se transfiere espontáneamente por calor de un objeto frío a un objeto caliente.

SUBTEMA U TEMA TERCEARIO

22.6 ENTROPIA

CONTENIDO

En términos más simples, la energía no se transfiere espontáneamente por calor de un objeto frío a un objeto caliente. La ley cero de la termodinámica incluye el concepto de temperatura, y la primera ley el concepto de energía interna. Temperatura y energía interna son variables de estado: el valor de cada una sólo depende del estado termodinámico de un sistema, no del proceso que lo llevó a dicho estado. Otra variable de estado, relacionada con la segunda ley de la termodinámica, es la entropía S. En esta sección se define la entropía a escala macroscópica, como se expresó por primera vez por Clausius en 1865. La entropía originalmente se formuló como un concepto útil en termodinámica. Sin embargo, su importancia creció conforme el campo de la mecánica estadística se desarrolló porque las técnicas analíticas de esta ciencia proporcionan un medio alternativo de interpretación y un significado más global de la entropía. En mecánica estadística el concepto de una sustancia se describe en términos del comportamiento estadístico de sus átomos y moléculas. Un hallazgo importante en estos estudios es que los sistemas aislados tienden hacia el desorden y la entropía es una medida de este desorden. Por ejemplo, considere las moléculas de un gas en el aire de su habitación. Si la mitad de las moléculas de gas tuviera vectores velocidad de igual magnitud dirigidos hacia la izquierda y la otra mitadvectores velocidad de la misma magnitud dirigidos hacia la derecha, la situación sería muy ordenada. Sin embargo, tal situación es extremadamente improbable. Si pudiera, vería que las moléculas se mueven azarosamente en todas direcciones, rebotan unas con otras y cambian de rapidez en las colisiones, y algunas van más rápido y otras más lento. Esta situación es enormemente desordenada. La formulación original de entropía en termodinámica involucra la transferencia deenergía por calor durante un proceso reversible. Considere cualquier proceso infinitesimal en el que un sistema cambia de un estado de equilibrio a otro. Si dQ r es la cantidad de energía transferida por calor cuando el sistema sigue una trayectoria reversible entre los estados, el cambio en entropía dS es igual a esta cantidad de energía para el proceso reversible dividida entre la temperatura absoluta del sistema:

EC-1 Se considera que la temperatura es constante porque el proceso es infinitesimal. Ya que laentropía es una variable de estado, el cambio en entropía durante un proceso sólo depende de los puntos extremos, por lo que es independiente de la trayectoria real seguida. En consecuencia, el cambio en entropía para un proceso irreversible se determina al calcular el cambio en entropía para un proceso reversible que conecta los mismos estados inicial y final.

El subíndice r en la cantidad dQ r es un recordatorio de que la energía transferida se medirá a lo largo de una trayectoria reversible aun cuando el sistema en realidad pueda haber seguido alguna trayectoria irreversible. Cuando el sistema absorbe energía, dQ r es positiva y la entropía del sistema aumenta. Cuando el sistema expulsa energía, dQ r es negativay la entropía del sistema disminuye. Note que la ecuación 1 no define la entropía sino, más bien, el cambio en entropía. Por tanto, la cantidad significativa para describir un proceso es el cambio en entropía. Para calcular el cambio en entropía para un proceso finito, primero reconozca que T, por lo general, no es constante. En consecuencia, se debe integrar la ecuación 1...