Palabras Claves. Introducción. -Motor térmico -Proceso reversible -Proceso irreversible -Eficiencia -Máquina de Carnot -Entropía

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1 Palabras Claves -Motor térmico -Proceso reversible -Proceso irreversible -Eficiencia -Máquina de Carnot -Entropía Introducción La primera ley de la termodinámica es una declaración de la conservación de la energía. Pero no todos los procesos que conservan la energía son físicamente posibles. Por ejemplo, no violaría la ley de conservación de la energía, si un vaso de agua a temperatura ambiente se congela. Nada en la primera ley impide que el movimiento molecular de las moléculas de agua transfiera calor a través del vidrio a la atmósfera y, por lo tanto, disminuiría la temperatura del agua lo suficiente como para que se congele. Pero esto nunca sucede. La segunda ley de la termodinámica describe la dirección en la que se pueden producir fenómenos físicos. Una declaración de la segunda ley es: El calor puede fluir espontáneamente de caliente a frío, pero nunca de frío a caliente. Hay ciertos procesos que conocemos que nunca pueden suceder a la inversa: Una taza de té se cae y se rompe después de golpear el suelo. Pero no se pegaron de nuevo los trozos de la taza y flotaron de regreso desde donde se cayó. Todos los procesos naturales son irreversibles. Incluso después de un balanceo, un péndulo no regresa a la altura de donde fue deslizado. La fricción asegura que parte de la energía potencial gravitatoria del péndulo se convierte en calor. Por otro lado, el calor no se convierte espontáneamente en energía potencial: el péndulo nunca va a comenzar a subir más alto mientras va cayendo, verdad?

2 La tendencia de la Naturaleza es pasar de un estado más ordenado a un estado menos ordenado. Los motores térmicos Cualquier dispositivo que utilice la energía de calor (térmico) para producir trabajo mecánico se llamamotor térmico. Uno de los primeros motores de calor fue la máquina de vapor. La madera y el carbón se queman, y la energía térmica liberada por el combustible es transferido al agua y al vapor de agua producido. A continuación, el vapor se dirige al interior de un cilindro con un pistón móvil que se convierte en una manivela y que se adhiere a otro dispositivo mecánico que da como resultado una rueda de paletas. Por lo tanto, se realizó el trabajo. Pero un montón de energía térmica se transmite también al medio ambiente (la sala de máquinas de un buque de vapor se pone muy caliente). El uso de la energía térmica para producir trabajo mecánico nos lleva a la denominada eficiencia: Qué parte de la entrada de energía a un sistema se puede utilizar para producir una cantidad dada de trabajo? Nunca es el caso de que toda la energía térmica se puede convertir en energía mecánica. Aquí está la otra forma de expresar la segunda ley de la termodinámica: ningún motor de calor puede tener el 100% de eficiencia. Hay una manera simple de apreciar este hecho. Si alguna vez has sentido el capó de un automóvil después de que ha estado funcionando durante un tiempo (hacer esto con cuidado) te darás cuenta de que la campana es muy caliente. El motor se calienta mientras se realiza el trabajo y, por lo tanto, también se calienta el capó del coche. El motor térmico en este caso es el motor de combustión interna. El motor de combustión interna no es muy eficiente. Alrededor de dos tercios de la energía de la gasolina utilizada para alimentar un automóvil se convierte en calor. Es por eso que los automóviles tienen sistemas de refrigeración integrados por radiadores, bombas de agua y ventiladores. A medida que el agua circula a través del sistema, el calor se transfiere desde el motor caliente para el agua más fría.

3 El agua se enfría por el ventilador del radiador (y el "viento" a través de las rejillas del coche). Brevemente, el proceso de combustión interna es de la siguiente manera. 1. (De admisión) La gasolina y el aire se mezclan juntos en un cilindro que se expande contra un pistón. 2. (Compresión) Un cigüeñal a continuación, mueve el pistón hacia arriba comprimiendo la mezcla. 3. (Encendido) En el instante de máxima compresión una bujía de "fuegos" (que libera una chispa eléctrica dentro de la mezcla) que encienden la mezcla gasolina-aire y ràpidamente aumenta la temperatura en el cilindro. 4. (Expansión del movimiento de la energía), la mezcla caliente se expande rápidamente. 5. (Escape) Los gases de escape son expulsados a una temperatura inferior que el pistón y el proceso se repite. Durante el proceso de combustión interna, parte de la energía térmica producida por la combustión de la gasolina se utiliza para realizar el trabajo (para mover el coche) pero una buena parte de la energía térmica se utiliza para calentar el motor, así como los gases de escape que no lo dejan realizar un trabajo. La segunda ley de la termodinámica nos dice que sólo parte de la energía química de la gasolina se encuentra disponible para realizar el trabajo. En la siguiente figura se explica cómo funciona el motor térmico típico. La cantidad es la energía térmica inicial transferida al sistema y es el trabajo realizado por el sistema. (En el caso del proceso de combustión interna, es el calor producido cuando la chispa enciende la mezcla de gasolina-aire.) La energía térmica restante sale del motor a una temperatura inferior. La eficiencia de un motor térmico se define como:

4 porcentaje.) (Multiplicación por 100 expresa la eficiencia como un El funcionamiento de un motor térmico típico. Ejemplo 1 A). Utilice la conservación de la energía para expresar la relación entre la temperatura de la alta energía térmica, la energía térmica de baja temperatura, y el trabajo realizado por un motor térmico. Solución: Sea la energía inicial del sistema, la energía de los gases gastados, y el rendimiento en el trabajo. Conservación de la energía B). Utilice el resultado anterior para expresar la eficiencia en términos de y. Solución: Dado que la sustitución en da

5 Verifique su comprensión A una alta temperatura (encendido) hay una transferencia de motores en el sistema y en la baja temperatura (de escape) hay transferencias fuera del sistema. Cuál es la eficiencia del motor? Respuesta: La máquina de Carnot Maximizar la eficiencia de un motor térmico era un tema importante durante el siglo 19. El francés Sadi Carnot ( ), analizó las características de una máquina térmica ideal. Se supone que en cada proceso, las preformas del motor sean reversibles. La máquina de Carnot, como se le llama actualmente, pertenece a la misma categoría idealizado como el plano inclinado sin fricción. (Este tipo de motor es una abstracción matemática concebida por asumir procesos físicos que son imposibles. Carnot fue capaz de establecer el límite superior de la eficiencia de un motor de calor mediante el uso de su modelo idealizado. Asumió que su motor reversible podría llevarse a cabo con la máxima eficacia si el motor ideal utilizará la isotérmica y sólo los procesos adiabáticos. Se presume que todos los procesos se producen infinitamente lentos, teniendo el motor que cambia de un estado de equilibrio aproximado al siguiente, lo que garantiza que los procesos pueden ser revertidos. Tal motor por supuesto, nunca podría existir. La idea de construir procesos infinitamente lentos es imposible. La máquina de Carnot, como veremos más adelante, es sólo una idea conceptual útil para establecer el límite superior de la eficiencia de un motor de calor para un par dado de altas y bajas temperaturas. Carnot fue capaz de demostrar que con la máxima eficacia las altas y bajas transferencias de energía fueron proporcionales a las altas y bajas temperaturas en las que el motor operaba.

6 Por lo tanto, podemos escribir donde está en grados Kelvin. Este fue un resultado muy importante porque demostró, en igualdad de condiciones, que dichas sustancias que se puedan producir en la temperatura más alta cuando se queman, producirían una mayor eficiencia. Verifique su comprensión 1. En el caso improbable de que la sala de calderas de un barco de vapor llegue a la misma temperatura que el vapor de la máquina de vapor, cuál sería la eficiencia de la máquina de vapor? Respuesta: Puesto que no hay diferencia de temperatura entre el ambiente exterior (la habitación) y el medio ambiente en el interior (la máquina de vapor) la eficiencia sería cero; el motor podría realizar ningún trabajo.. 2. Cuál es la teoría (ideal) de la eficiencia de un motor térmico con y? Respuesta: La temperatura debe ser expresada en grados Kelvin, por lo que y 3. Cuál es la eficiencia ideal de un motor térmico si el máximo aumento de temperatura alcanzable para el motor térmico es del 75% de su temperature baja? Respuesta: Si es la baja temperatura del motor térmico a alta temperatura y luego se:

7 La entropía y la segunda ley de la termodinámica Basándose en el trabajo de Sadi Carnot, el físico alemán Rudolf Clausius ( ), formuló la segunda ley de la termodinámica en 1865 con la introducción del concepto de entropía. Considere la posibilidad de un sistema aislado compuesto de una caja que contiene un objeto caliente y un objeto frío separados por una capa de aire. Como el calor fluye desde el objeto caliente al objeto frío, un molinete colocado entre ellos a su vez (el trabajo se realiza en el molinillo de viento), debido al movimiento del aire caliente. Con el tiempo, los objetos calientes y fríos se cambian a la misma temperatura. El calor dejará de fluir y el molinillo de viento dejará de girar. El trabajo ya no será posible, sin embargo, la energía del sistema no ha cambiado. Cómo puede ser que la misma energía está disponible, pero el trabajo ya no puede llevarse a cabo? No es la energía la que importa aquí; es la diferencia en los niveles de energía. En general, cuando hay una diferencia en los niveles de energía hay una diferencia en la forma en que se ordena el sistema. El fin de un sistema es una medida de la entropía del sistema. La declaración más general de la segunda ley es: Para todos los procesos naturales, la entropía total de un sistema, aumenta. Puede ser que algunas partes del sistema pueden llegar a ser más ordenadas, pero esta orden será más que compensada por un aumento en el desorden en otras partes del sistema. El sol proporciona la energía necesaria para que las flores crezcan, manteniendo así un sistema biológico muy ordenado. Pero el desorden que el sol sufre en la liberación de enormes cantidades de energía eventualmente causan su desaparición (no te preocupes, todavía tenemos por lo menos un billón de años... en lo que se refiere el sol). El resultado es un aumento en la entropía (desorden) para el sistema de flor-sol.

8 En general, un sólido es un sistema más ordenado que un líquido, y un líquido es más ordenado que un gas debido a la disposición de los átomos en estos estados de la materia. Un sólido tiene una (ordenada) disposición muy rígida de las partículas, uno no tan rígido (menos ordenada) y un gas de la disposición ordenada menos líquido puesto que no hay casi ninguna unión de las partículas entre sí. Sin embargo, todavía podemos hablar de un gas con el aumento de desorden. Por ejemplo, un gas caliente de dispersión en el espacio alrededor que va desde una disposición ordenada más concentrada a una disposición menos concentrada más desorganizada. Pero la entropía no tiene por qué limitarse a la disposición física de partículas reales. La cantidad de entropía en un sistema (o más correctamente, el cambio en la entropía) es también una cuestión de probabilidad que se discuten a continuación. La entropía se puede expresar también como la información que un sistema tiene (o pierde). La entropía como probabilidad Hay una explicación estadística de la entropía que dice que el estado mas desordenado es la más probable. Suponga que le da vuelta a dos monedas a la vez. Hagamos una lista de los posibles resultados. Usaremos y Una posibilidad de dos sellos: Una posibilidad de dos caras: Dos posibilidades de una caras y un sello: o Hay un total de cuatro posibles resultados con un 25% de posibilidades de conseguir dos sellos y un 25% de posibilidades de obtener dos caras. Pero hay un 50% de probabilidades de tener una cara y una cabeza. Los estados más organizados (los de arriba con un 25% de probabilidad) tienen una menor probabilidad de que se produzcan. Los resultados más probables en el mundo natural son los que tienen el mayor desorden. Una taza de té cayendo y rompiéndose es un estado desordenado y mucho más probable que ocurra que el de una taza de té rota y que se reconstruya por sí misma, el cuál es un estado más ordenado.