Tema 2. Segundo Principio de la Termodinámica

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Manuela Alcaraz Botella
hace 7 años
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1 ema Segundo Principio de la ermodinámica

2 EMA SEGUNDO PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA. ESPONANEIDAD. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA 3. ENROPÍA 4. ECUACIÓN FUNDAMENAL DE LA ERMODINÁMICA 5. DEERMINACIÓN DE LA VARIACIÓN DE ENROPÍA EN SISEMAS CERRADOS 6. IMPORANCIA DEL CICLO DE CARNO EL CICLO DE CARNO EOREMA DE CARNO 7. ERCER PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA

3 ESPONANEIDAD Por qué unos procesos ocurren en un sentido y no en el contrario? Cambio espontáneo: Aquél que tiende a ocurrir sin necesidad de ser impulsado por una influencia externa. De la experiencia se deduce que el tiempo va en una dirección y que todo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio. La función de estado cuya variación en un proceso determina en qué sentido tiene lugar, es la entropía (S). 3

4 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de entropía del universo Criterio de espontaneidad: univ > En todo proceso ersible, la entropía del universo permanece constante. En todo proceso irersible, la entropía del universo aumenta. Proceso ersible: univ sis + ent Proceso irersible: univ sis + ent > EUILIBRIO ESPONÁNEO Desigualdad de Claussius: univ 4

5 CASO PARICULAR: SISEMA AISLADO Los sistemas aislados al evolucionar, tienden a desordenarse, nunca nca a ordenarse. MAERIA MAERIA SISEMA ENERGÍA AISLADO ENERGÍA ent univ sis Proceso ersible, sistema aislado: sis Proceso irersible, sistema aislado: sis > 5

6 3 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA. ENROPÍA er Principio Energía interna (U) º Principio Entropía (S) La entropía mide el grado de desorden o de orden del sistema y depende únicamente de los estados inicial y final de dicho sistema. Entropía (S) Función de estado Propiedad extensiva Unidades: J K - 6

7 La entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad (desorden) S S Sólido Líquido Gas + S Soluto Disolvente S Disolución Cómo es que el agua a menos de ºC congela espontáneamente? Acaso no disminuye la entropía? 7

8 Definición n macroscópica de Entropía Si se añade una pequeña cantidad de calor δ a una temperatura (en Kelvin) durante un proceso termodinámico el cambio de la entropía del sistema está dado por: ds Proceso termodinámico ersible ds > ir Proceso termodinámico irersible Julios Unidades ; ; Kelvin Calorias Kelvin 8

9 4 ECUACIÓN N FUNDAMENAL DE LA ERMODINÁMICA MICA EN UN PROCESO ERMODINÁMICO REVERSIBLE δ ds a cte δw - P dv a P cte du δ + δ W du ds - PdV Ecuación Fundamental 9

10 5 DEERMINACIÓN DE LA VARIACIÓN DE ENROPÍA EN SISEMAS CERRADOS. Proceso Cíclico S S ds En un proceso cíclico el estado final es el inicial, con independencia de si es ersible o irersible.. Proceso Adiabático Reversible. ds En un proceso adiabático ersible δq, luego

11 DEERMINACIÓN DE LA VARIACIÓN DE ENROPÍA EN SISEMAS CERRADOS 3. Proceso Isotérmico ersible ds 4. Proceso Isobárico o Isocórico ersible. P cte p S v dh n c V cte du n c v p d d nc n c v nc p Ln n c d Ln d Si C p cte y no hay cambio de fase Si C v cte

12 DEERMINACIÓN DE LA VARIACIÓN DE ENROPÍA EN SISEMAS CERRADOS 5. Cambio de fase [ y P constantes] ds H Fusión (paso de sólido a líquido) H f f > > f Vaporización (paso de líquido a gas) ( porque H f y f > ) Slig Ssol H ( porque H v y v > ) S gas Sliq v S v > > v Sublimación (paso de sólido a gas) H ( porque H s y s > ) Sgas Ssol s S s > > s

13 DEERMINACIÓN DE LA VARIACIÓN DE ENROPÍA EN SISEMAS CERRADOS 6. Gas ideal (procesos ersibles e irersibles) S S Función de estado ds du δ + δw δw - PdV du + pdv du δ v C v d C v d + pdv Si C V es constante p Cv d + dv Como es un Gas Ideal P nr V C nr v d + dv CvLn + V V nrln V 3

14 6 IMPORANCIA DEL CICLO DE CARNO El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal ersible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo. (Sadi Carnot, 84) Consiste en dos transformaciones isotermas y dos transformaciones adiabáticas Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. rabaja absorbiendo una cantidad de calor de la fuente de alta temperatura y cede un calor a la de baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por Wproducido absorbido cedido η absorbido absorbido Es el ciclo más eficiente que existe en una máquina térmica y es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre las mismas fuentes de temperatura. 4

15 EL CICLO DE CARNO Expansión isoterma: (proceso ) > U W < S > Expansión adiabática: (proceso 3) 3 U < 3 U 3 W3 < S 3 Compresión isoterma: (proceso 3 4 ) < 34 U 34 W > S < 4 3 Compresión adiabática: (proceso 4 ) S S S 4 U 4 > U 4 W4 > S 4 5

16 EOREMA DE CARNO 4 3 S S S η ds ds η Eficiencia de Carnot El rendimiento máximo de todas las máquinas térmicas que operan entre dos fuentes corresponde a la máquina ersible, el cual sólo depende de las temperaturas de las fuentes. eorema de Carnot Es imposible construir una máquina térmica de rendimiento % (Es imposible transformar todo el calor en trabajo, siempre existen pérdidas porque la entropía del universo se tiene que incrementar-) Segundo principio de la termodinámica Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son ersibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente bomba de calor. 6

17 7 ERCER PRINCIPIO DE LA ERMODINÁMICA ENROPÍAS ABSOLUAS La entropía de un elemento puro en su forma condensada estable (sólido o líquido) es cero cuando la temperatura tiende a cero y la presión es de bar lim C p S( ) lim d El tercer principio proporciona un origen de entropías Permite calcular y tabular la entropía absoluta de las distintas sustancias S( ) S() p + d C En cualquier proceso isotérmico que implique sustancias puras, cada una en equilibrio interno, la variación de entropía tiende a cero cuando la temperatura tiende a cero C p d Sólo hay que medir C p () y realizar la integral 7

18 Diálisis. En la diálisis entra agua y sale soluto del compartimiento hasta que se iguala la concentración en todas partes. Ósmosis. En la ósmosis entra agua al compartimiento hasta que se iguala la concentración en todas partes. Ambos procesos son irersibles tienen un camino diferente pero tienen los mismos estados inicial y final. Por lo tanto tienen el mismo. Para calcular el cambio de entropía hay que inventar un proceso ersible que una los estados inicial y final. 8

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