FACULTAD DE INGENIERFACULTAD DE INGENIERÍÍAADEPARTAMENTO DE FDEPARTAMENTO DE FÍÍSICA Y QUSICA Y QUÍÍMICAMICA

CURSOCURSO FFÍÍSICA II 2013SICA II 2013

CLASE XIICLASE XIIProf. Juan JosProf. Juan Joséé CoraceCorace

UNIVERSIDAD NACIONAL DELUNIVERSIDAD NACIONAL DELNORDESTENORDESTE

NUESTRA EXPERIENCIA DE LA VIDA SUGIERE QUE LOSNUESTRA EXPERIENCIA DE LA VIDA SUGIERE QUE LOSPROCESOS TIENEN UNA DIRECCIPROCESOS TIENEN UNA DIRECCIÓÓN DEFINIDAN DEFINIDA

SABEMOS QUE EL PRIMER PRINCIPIO DE LASABEMOS QUE EL PRIMER PRINCIPIO DE LATERMODINTERMODINÁÁMICA ES LAMICA ES LA FORMULACIFORMULACIÓÓNN DELDELPRINCIPIO DE CONSERVACIPRINCIPIO DE CONSERVACIÓÓN DE LA ENERGN DE LA ENERGÍÍA.A.

•• LOS PROCESOS ESPONTLOS PROCESOS ESPONTÁÁNEOS VAN EN ELNEOS VAN EN ELSENTIDO DESENTIDO DE……

••LAS TEMPERATURAS DECRECIENTES,LAS TEMPERATURAS DECRECIENTES,

••DE LAS ALTURAS DECRECIENTES,DE LAS ALTURAS DECRECIENTES,

••DE LAS ENTALPIAS DECRECIENTES,DE LAS ENTALPIAS DECRECIENTES,

••DE LAS PRESIONES DECRECIENTESDE LAS PRESIONES DECRECIENTES

•• LA SEGUNDA LEY DETERMINA LALA SEGUNDA LEY DETERMINA LAESPONTANEIDADESPONTANEIDAD EN QUE SE DAN LOSEN QUE SE DAN LOSPROCESOS EN LA NATURALEZAPROCESOS EN LA NATURALEZA……

•• LA NATURALEZA NOS INDICA LALA NATURALEZA NOS INDICA LAEXISTENCIA DE UNAEXISTENCIA DE UNA LIMITACILIMITACIÓÓNN DEDELOS PROCESOS QUE TIENEN LUGAR ENLOS PROCESOS QUE TIENEN LUGAR ENFORMA ESPONTFORMA ESPONTÁÁNEA O NATURALNEA O NATURAL

ENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIOENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIO

DADO EL CARDADO EL CARÁÁCTER EMINENTEMENTECTER EMINENTEMENTEPRPRÁÁCTICO QUE HISTCTICO QUE HISTÓÓRICAMENTE HARICAMENTE HATENIDO LA TERMODINTENIDO LA TERMODINÁÁMICA, LOSMICA, LOSENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIOENUNCIADOS DEL SEGUNDO PRINCIPIOESTESTÁÁN CENTRADOS EN EL CONCEPTON CENTRADOS EN EL CONCEPTODEDE MMÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICARMICA ……

FOCO O FUENTEFOCO O FUENTECALIENTECALIENTE

FOCO O FUENTE FRFOCO O FUENTE FRÍÍAA

O SUMIDEROO SUMIDERO

MT PROPIAMENTE DICHAMT PROPIAMENTE DICHA

DEFINICIDEFINICIÓÓN DE MN DE MÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICARMICA

FOCO O FUENTE TFOCO O FUENTE TÉÉRMICARMICA

•• UN FOCO O FUENTE TERMICA ES UN SISTEMAUN FOCO O FUENTE TERMICA ES UN SISTEMATERMODINTERMODINÁÁMICO QUE ES CAPAZ DE CEDER OMICO QUE ES CAPAZ DE CEDER OABSORBER CANTIDADES FINITAS DE CALOR SINABSORBER CANTIDADES FINITAS DE CALOR SINVARIAR SU TEMPERATURA:VARIAR SU TEMPERATURA:

•• SISTEMA EN CAMBIO DE FASESISTEMA EN CAMBIO DE FASE

•• REACCIREACCIÓÓN NUCLEARN NUCLEAR

•• COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

•• EL OCEL OCÉÉANOANO

•• LA ATMLA ATMÓÓSFERASFERA……

SEGSEGÚÚN EL NN EL NÚÚMERO DE FOCOS LA MMERO DE FOCOS LA MÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICA SERMICA SECLASIFICA EN :CLASIFICA EN :

BITERMA, TRITERMA, O EN GENERAL POLITERMA.BITERMA, TRITERMA, O EN GENERAL POLITERMA.

MMÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICA: CENTRAL NUCLEARRMICA: CENTRAL NUCLEAR

QQabab foco calientefoco caliente(uranio)(uranio)

QQcedced foco frfoco frííoo(aire)(aire)

Ciclo deCiclo defluido (agua)fluido (agua)

WWneto producidoneto producido

(electricidad)(electricidad)

MMÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICA: MOTORRMICA: MOTORCOMBUSTION INTERNACOMBUSTION INTERNA

QQcedced foco frfoco frííoo(aire o agua)(aire o agua)

QQabab foco calientefoco caliente(combusti(combustióón de la nafta on de la nafta ogas oil)gas oil)

WWneto producidoneto producido (par eje)(par eje)

CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE LAS MTN DE LAS MT

MMÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICA DERMICA DE CICLOCICLO DIRECTO:DIRECTO:

PRODUCEPRODUCE TRABAJOTRABAJO A PARTIR DELA PARTIR DELCALOR INTERCAMBIADO ENTRE LOSCALOR INTERCAMBIADO ENTRE LOSFOCOSFOCOS

MMÁÁQUINA TQUINA TÉÉRMICA DERMICA DE CICLOCICLO INVERSO:INVERSO:

A PARTIR DE UNA PARTIR DE UN TRABAJOTRABAJO EXTERIOREXTERIORESTABLECE UN FLUJO DETERMINADOESTABLECE UN FLUJO DETERMINADODE CALOR ENTRE LOS FOCOSDE CALOR ENTRE LOS FOCOS

PROPIEDADES DE LAS MPROPIEDADES DE LAS MÁÁQUINASQUINASTERMICASTERMICAS

SONSON CCÍÍCLICASCLICAS

DURANTE ELDURANTE EL PROCESO CPROCESO CÍÍCLICOCLICO, LA M, LA MÁÁQUINAQUINA

ABSORBE CALOR DE UNA FUENTEABSORBE CALOR DE UNA FUENTE CALIENTECALIENTE YYCEDE CALOR A UNA FUENTECEDE CALOR A UNA FUENTE FRFRÍÍAA

0WQU i

0iQW

APLIQUEMOS EL PRIMER PRINCIPIO A LASMT

ES IMPOSIBLE CREAR UN MES IMPOSIBLE CREAR UN MÓÓVIL O MOTORVIL O MOTORPERPETUO DE PRIMERA ESPECIE, ES DECIR SINPERPETUO DE PRIMERA ESPECIE, ES DECIR SIN

NINGUNA FUENTE TNINGUNA FUENTE TÉÉRMICARMICA

iidxXQ

WQU

EL TRABAJO SE DA COMO ELEL TRABAJO SE DA COMO ELPRODUCTO DE UNA PROPIEDADPRODUCTO DE UNA PROPIEDADTERMODINTERMODINÁÁMICA INTENSIVA YMICA INTENSIVA YLA DIFERENCIAL DE UNA PROPIEDADLA DIFERENCIAL DE UNA PROPIEDADTERMODINTERMODINÁÁMICA EXTENSIVAMICA EXTENSIVA……..

INTENTOS DE CREAR UN MINTENTOS DE CREAR UN MÓÓVIL O MOTORVIL O MOTORPERPETUO DE PRIMERA ESPECIE, ES DECIR SINPERPETUO DE PRIMERA ESPECIE, ES DECIR SIN

NINGUNA FUENTE TNINGUNA FUENTE TÉÉRMICARMICA

ENUNCIADO GENERAL DEL SEGUNDOENUNCIADO GENERAL DEL SEGUNDOPRINCIPIOPRINCIPIO

““Todos los fenTodos los fenóómenosmenosnaturales son irreversiblesnaturales son irreversibles””

ENUNCIADO DE CLAUSIUS

“…“…el calor no puede pasar de forma espontel calor no puede pasar de forma espontááneaneade una fuente frde una fuente fríía a otra ma a otra máás calientes caliente””

ENUNCIADO DE LORD KELVINENUNCIADO DE LORD KELVIN

““no todo el calor de una fuente puedeno todo el calor de una fuente puedetransformarse en trabajo; sino que parte de esetransformarse en trabajo; sino que parte de esecalor debercalor deberáá cederse a una fuente a menorcederse a una fuente a menortemperaturatemperatura””

El Enunciado deEl Enunciado deLord Kelvin estableceLord Kelvin estableceuna limitaciuna limitacióón en lan en laconversiconversióón de calorn de caloren trabajoen trabajo

ENUNCIADO DE KELVINENUNCIADO DE KELVIN -- PLANCKPLANCK

es imposible la existencia de una mes imposible la existencia de una mááquinaquinaque solamente absorba calor y produzcaque solamente absorba calor y produzcatrabajotrabajo ……..

ENUNCIADO DE OSTWALDENUNCIADO DE OSTWALD

el mel móóvil o motor de segunda especie esvil o motor de segunda especie esimposibleimposible……..

El mEl móóvil de segunda especie se define comovil de segunda especie se define comouna muna mááquina monoterma.quina monoterma.

ENUNCIADO DE CARATHEENUNCIADO DE CARATHEÓÓDORYDORY

““en el entorno de cualquier estado deen el entorno de cualquier estado deun sistema cerrado existen siempreun sistema cerrado existen siempreestados que son inaccesibles por vestados que son inaccesibles por vííaaadiabadiabááticatica””

ENUNCIADO DE SEARSENUNCIADO DE SEARS--KESTINKESTIN

““de un sistema adiabde un sistema adiabáático y rtico y ríígidogido(V=cte) no podemos obtener trabajo,(V=cte) no podemos obtener trabajo,solo aportarlo. La energsolo aportarlo. La energíía interna soloa interna solopuede aumentarpuede aumentar””

ANANÁÁLISIS DE LOS ENUNCIADOSLISIS DE LOS ENUNCIADOS

•• DEL ENUNCIADO DEDEL ENUNCIADO DE CLAUSIUSCLAUSIUS CONCLUIMOSCONCLUIMOSEN LA IMPOSIBILIDAD DE TRANSMITIREN LA IMPOSIBILIDAD DE TRANSMITIRCALOR DE UNA FUENTE FRCALOR DE UNA FUENTE FRÍÍA A OTRA DEA A OTRA DEMAYOR TEMPERATURAMAYOR TEMPERATURA

•• DE LOS ENUNCIADOS DEDE LOS ENUNCIADOS DE LORD KELVIN,LORD KELVIN,KELVINKELVIN--PLANCK Y OSTWALDPLANCK Y OSTWALD: CONSIDERAN: CONSIDERANLA LIMITACILA LIMITACIÓÓN EN LA CONVERSIN EN LA CONVERSIÓÓN DEN DECALOR EN TRABAJOCALOR EN TRABAJO

•• LOS ENUNCIADOS DELOS ENUNCIADOS DE CARATHECARATHEÓÓDORY YDORY YSEARSSEARS--KESTINKESTIN::

CONSIDERAN LA IMPOSIBILIDAD DE REALIZARCONSIDERAN LA IMPOSIBILIDAD DE REALIZARCIERTOS PROCESOS TERMODINCIERTOS PROCESOS TERMODINÁÁMICOS, SIENDO ELMICOS, SIENDO ELSEGUNDO UNA PARTICULARIZACISEGUNDO UNA PARTICULARIZACIÓÓN DEL PRIMERON DEL PRIMERO

•• JAMAS SE PODRA REDUCIR LAJAMAS SE PODRA REDUCIR LAENERGENERGÍÍA INTERNA DELA INTERNA DELSISTEMA, TRANSFORMANDOSESISTEMA, TRANSFORMANDOSEEN TRABAJO EN LA HEN TRABAJO EN LA HÉÉLICELICE

CONCLUSICONCLUSIÓÓN: LOS ESTADOS DE MENORN: LOS ESTADOS DE MENORENERGIA SON INACCESIBLES POR VIAENERGIA SON INACCESIBLES POR VIAADIABADIABÁÁTICATICA

LAS LEYES DE LA TERMODINLAS LEYES DE LA TERMODINÁÁMICA PUEDENMICA PUEDENRESUMIRSE DE LA SIGUIENTE MANERA COMORESUMIRSE DE LA SIGUIENTE MANERA COMOSI SE TRATARA DE UN JUEGO:SI SE TRATARA DE UN JUEGO:

No se puedeNo se puede ganarganar (como la energ(como la energíía sea seconserva, no se puede obtener algo de la nada)conserva, no se puede obtener algo de la nada)

No se puedeNo se puede empatarempatar (la cantidad de trabajo(la cantidad de trabajoque produce una mque produce una mááquina no puede ser igual aquina no puede ser igual ala cantidad de energla cantidad de energíía que consume)a que consume)

No se puedeNo se puede salir del juegosalir del juego (el cero absoluto es(el cero absoluto esinalcanzable).inalcanzable).

CONSECUENCIAS DEL SEGUNDOCONSECUENCIAS DEL SEGUNDOPRINCIPIOPRINCIPIO

RENDIMIENTO DE LAS MAQUINAS :RENDIMIENTO DE LAS MAQUINAS : ηη

EL CONCEPTO DE ENTROPEL CONCEPTO DE ENTROPÍÍA :A :

LA ENCRETLA ENCRETÍÍA :A :T

TcP

T

Q

CONSECUENCIAS DEL SEGUNDOCONSECUENCIAS DEL SEGUNDOPRINCIPIOPRINCIPIO

•• UNA DE LAS CONSECUENCIAS MAS IMPORTANTESUNA DE LAS CONSECUENCIAS MAS IMPORTANTESDEL SEGUNDO PRINCIPIO ES LA LIMITACION EN ELDEL SEGUNDO PRINCIPIO ES LA LIMITACION EN ELRENDIMIENTO DE LAS MRENDIMIENTO DE LAS MÁÁQUINAS TERMICASQUINAS TERMICAS

absorbidoQ

W

Q

W

1

EL SEGUNDO PRINCIPIOEL SEGUNDO PRINCIPIOIMPONE QUE LAS MAQUINASIMPONE QUE LAS MAQUINASDEBEN INTERCAMBIAR CALORDEBEN INTERCAMBIAR CALORCON AL MENOS DOS FOCOSCON AL MENOS DOS FOCOS

ΔΔUU == ΣΣQiQi –– W = 0W = 0

W = QW = Q11 +Q+Q22 = Q= Qabsabs —— QQcedced > O> O

absorbido

cedido

absorbido

cedidoabsorbido

absorbido Q

Q

Q

QQ

Q

W

1

El rendimiento de una mEl rendimiento de una mááquina tquina téérmica serrmica seráásiempre inferior a la unidadsiempre inferior a la unidad……

APLICANDO EL PRIMER PRINCIPIO A UNAAPLICANDO EL PRIMER PRINCIPIO A UNAMT DE CICLO DIRECTOMT DE CICLO DIRECTO

ΔΔUU == ΣΣQiQi -- W = 0W = 0

W = QW = Q22 + Q+ Q11 = Qabs= Qabs –– Qced < 0Qced < 0

QQcedidocedido >> QQabsorbidoabsorbido

W

Q

W

Q absorbido 2

1

1

absorbido

cedidocedidoabsorbido

absorbidoabsorbido

Q

QQQ

Q

W

Q

LA EFICIENCIA DE ESTAS MLA EFICIENCIA DE ESTAS MÁÁQUINASQUINASFRIGORFRIGORÍÍFICAS NO ESTFICAS NO ESTÁÁ LIMITADA EN 1,LIMITADA EN 1,INCLUSO ES HABITUAL QUE SEA VARIASINCLUSO ES HABITUAL QUE SEA VARIASVECES SUPERIOR A UNOVECES SUPERIOR A UNO

EN EL CASOEN EL CASODE MT DEDE MT DE

CICLOCICLOINVERSOINVERSO

cedido

absobidocedidoabsorbido

cedidoccalef

Q

QQQ

Q

W

Q

1

1

EL COEFICIENTE DE CALEFACCIEL COEFICIENTE DE CALEFACCIÓÓN SE DEFINE COMO ELN SE DEFINE COMO ELCOCIENTE ENTRE EL CALOR CEDIDO Y EL TRABAJOCOCIENTE ENTRE EL CALOR CEDIDO Y EL TRABAJOABSORBIDO POR LA MABSORBIDO POR LA MÁÁQUINA. EL COEFICIENTE DEQUINA. EL COEFICIENTE DECALEFACCICALEFACCIÓÓN ES SIEMPREN ES SIEMPRE SUPERIORSUPERIOR LA UNIDAD.LA UNIDAD.

EN LAS APLICACIONES DONDE LAS MAQUINASEN LAS APLICACIONES DONDE LAS MAQUINASTERMICAS INVERSAS SE UTILIZA COMO BOMBATERMICAS INVERSAS SE UTILIZA COMO BOMBADE CALOR, ES DECIR PARA CALEFACCION,DE CALOR, ES DECIR PARA CALEFACCION,APROVECHAMOS ELAPROVECHAMOS EL CALOR CEDIDOCALOR CEDIDO

RENDIMIENTO DE UN CICLO DE CARNOTRENDIMIENTO DE UN CICLO DE CARNOT

••LA IDEA DE CARNOT CONSISTILA IDEA DE CARNOT CONSISTIÓÓ EN CREAREN CREARUN CICLO COMPLETAMENTE REVERSIBLE,UN CICLO COMPLETAMENTE REVERSIBLE,TANTO INTERNA COMO EXTERNAMENTETANTO INTERNA COMO EXTERNAMENTE

••POR SIMPLICIDAD VAMOS A CALCULAR ELPOR SIMPLICIDAD VAMOS A CALCULAR ELRENDIMIENTO DE LA MAQUINA DE CARNOTRENDIMIENTO DE LA MAQUINA DE CARNOTPARA EL CASO PARTICULAR QUE EL CICLOPARA EL CASO PARTICULAR QUE EL CICLODE FLUIDO LO CUMPLE UN GAS PERFECTODE FLUIDO LO CUMPLE UN GAS PERFECTO

CICLO DE CARNOTCICLO DE CARNOT

•• ExpansiExpansióón isoterman isoterma: el cilindro entra en: el cilindro entra encontacto con el foco caliente Tacontacto con el foco caliente Taexperimentando una expansiexperimentando una expansióón reversiblen reversible

•• ExpansiExpansióón adiabn adiabááticatica: El cilindro se pone en: El cilindro se pone encontacto con la pared aislante. El fluidocontacto con la pared aislante. El fluidoevoluciona de manera adiabevoluciona de manera adiabáática hasta latica hasta latemperatura Tctemperatura Tc

1

21212 v

vlnRTwqq Aabs

232323 0 TTcwq v

•• CompresiCompresióón isoterman isoterma: La base del cilindro se: La base del cilindro sepone en contacto con la fuente frpone en contacto con la fuente fríía y ela y el éémbolomboloinvierte el sentidoinvierte el sentido

•• CompresiCompresióón adiabn adiabááticatica: El: El éémbolo continmbolo continúúaacomprimiendo mientras la base del cilindro secomprimiendo mientras la base del cilindro sepone en contacto con la pared aislante, hastapone en contacto con la pared aislante, hastaalcanzar la temperatura Taalcanzar la temperatura Ta

3

43434 v

vlnRTwqq Cced

414141 0 TTcwq v

Por tratarse de un proceso cPor tratarse de un proceso cííclico, la variaciclico, la variacióónnde lade la energenergíía internaa interna del gas ideal es nula a lodel gas ideal es nula a lolargo del ciclolargo del ciclo, aplicando el Primer Principio, aplicando el Primer Principio

Δuciclo = qciclo - wciclo = Σqi – Σwi

qciclo = q12 + q34 = qabs - qced =

= w12 + w23 + w34 + w41 = wneto

abs

absced

abs

net

q

qq

q

w

1

2

4

3

1

2

1

2

4

3

1

2

ln

lnln

ln

lnln

v

vT

v

vT

v

vT

v

vRT

v

vRT

v

vRT

a

ca

a

ca

Como los procesos 2Como los procesos 2 -- 3 y 43 y 4 -- 1 son adiab1 son adiabááticos:ticos:

13

12

vTvT ca

14

11

vTvT ca

4

3

1

2

v

v

v

v

a

c

a

ca

T

T

T

TT

1

1

4

3

1

1

2

v

v

v

v

•• El ciclo de Carnot establece el mEl ciclo de Carnot establece el mááximoximorendimiento que puede alcanzar una mrendimiento que puede alcanzar una mááquinaquinattéérmica:rmica:

CARNOT

a

c

a

c

T

T

Q

Q 11

••TODAS LAS MAQUINAS TTODAS LAS MAQUINAS TÉÉRMICAS QUE FUNCIONAN ENTRE DOS FOCOSRMICAS QUE FUNCIONAN ENTRE DOS FOCOSA LASA LAS MISMAS TEMPERATURASMISMAS TEMPERATURAS TIENEN EL MISMO RENDIMIENTO.TIENEN EL MISMO RENDIMIENTO.

••ESTE RENDIMIENTO ESESTE RENDIMIENTO ES INDEPENDIENTEINDEPENDIENTE DEL FLUIDO DE TRABAJODEL FLUIDO DE TRABAJO

••EL CICLO TENDREL CICLO TENDRÁÁ MAYOR RENDIMIENTOMAYOR RENDIMIENTO CUANTO MAYOR SEA LACUANTO MAYOR SEA LATEMPERATURA DEL FOCO CALIENTE Y MENOR SEA LA TEMPERATURATEMPERATURA DEL FOCO CALIENTE Y MENOR SEA LA TEMPERATURADEL FOCO FRDEL FOCO FRÍÍO.O.

RENDIMIENTO DE LAS MÁQUINAS TERMICASDIRECTAS E INVERSAS EN FUNCIÓN DE LAS

TEMPERATURAS

1

2

1

21 1T

T

T

TT

Q

W

absorbido

21

2

2

21

2

112

2 1

1

1

TT

T

T

TT

T

TTT

T

W

Qabsorbido

21

1

1

21

1

1

1

TT

T

T

T

Q

QQQ

Q

W

Q

cedido

absobidocedidoabsorbido

cedidoccalef

PRPRÓÓXIMA CLASE CONSECUENCIASXIMA CLASE CONSECUENCIASDEL SEGUNDO PRINCIPIO DE LADEL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA

TERMODINTERMODINÁÁMICAMICA