TERMODINÁMICA y FÍSICA ESTADÍSTICA I

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1 TERMODINÁMICA y FÍSICA ESTADÍSTICA I Tema 5 - LAS MÁUINAS TÉRMICAS Y EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Transormaión de trabajo en alor y vieversa. Cilo de Otto. Cilo de Diesel. Cilo de Rankine. Cilo de Stirling. Rerigeradores. Enuniados de Kelvin-Plank y de Clausius del segundo prinipio de la termodinámia. Cilo de Carnot. Teorema de Carnot. Reversibilidad e irreversibilidad. Esala termodinámia de temperaturas. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA: Zemansky, Capítulos 6 y 7 (7 y 8 en las ediiones más antiguas). Aguilar, Capítulos 7 y 7.

2 Transormaión de trabajo en alor y vieversa U + W si U onstante, W * proesos donde W, pueden ser indeinidos * proesos donde W, no puede utilizarse indeinidamente pues implian un ambio de estado del sistema CICLOS TÉRMICOS ( U0) : alor edido por el sistema a un oo río > 0 : alor absorbido por el sistema desde un oo aliente SISTEMA < 0 W < 0 W : trabajo realizado por el sistema

3 Motores térmios > W < 0 Se deine RENDIMIENTO TÉRMICO: trabajo _ produido W η alor _ absorbido : alor edido por el sistema a un oo río > 0 : alor absorbido por el sistema desde un oo aliente SISTEMA < 0 W < 0 W : trabajo realizado por el sistema

4 Motores térmios U 0 + W W W η η Si 0, el rendimiento sería η 00%!!??? MOTORES TÉRMICOS BÁSICOS Combustión externa Combustión interna - Motor de Stirling - Máquina de vapor (ilo Rankine) - Motor de gasolina (ilo Otto) - Motor Diesel

5 Motores térmios: Motor de Stirling R R R R

6 Motores térmios: Máquina de vapor Cilo de Rankine

7 Motores térmios de ombustión interna Motor de gasolina (Cilo Otto) Motor Diesel

8 Enuniado de Kelvin-Plank del 2º Prinipio de la Termodinámia W No es posible un proeso uyo únio resultado sea la absorión de alor de una uente y la onversión de alor en trabajo

9 Frigoríios > W > 0

10 Frigoríios Cilo de Rankine inverso

11 Frigoríios ω Se deine EFICIENCIA de un FRIGORÍFICO: alor _ extraido _ del _ trabajo _ realizado _ sobre _ oo _ río el _ rerigerante W U 0 + W W W ω ω W W W Si W 0, la eiienia sería ininita???

12 Enuniado de Clausius del 2º Prinipio de la Termodinámia No es posible un proeso uyo únio resultado sea la transerenia de alor desde un uerpo río a uno aliente

13 Equivalenia de los enuniados de Kelvin-Plank y de Clausius del 2º Prinipio de la Termodinámia

14 Reversibilidad e Irreversibilidad Proeso REERSIBLE: Aquél que ourre de tal modo que, al inalizar el mismo, tanto el sistema omo su entorno inmediato pueden reuperar sus estados iniiales sin oasionar ningún ambio en el resto del universo. (Un proeso que no umple estos requisitos se die que es irreversible). Como onseuenia del Segundo Prinipio de la Termodinámia, todos los proesos naturales (espontáneos) son irreversibles! Tipos de IRREERSIBILIDAD Irreversibilidad MECÁNICA (externa/interna) Irreversibilidad TÉRMICA (externa/interna) Irreversibilidad UÍMICA

15 Irreversibilidad MECÁNICA Irreversibilidad meánia externa PROCESOS DISIPATIOS: Transormaión isoterma de trabajo en energía interna de un oo de alor - visosidad - rozamiento - inelastiidad - resistenia elétria - histéresis magnétia Transormaión adiabátia de trabajo en energía interna de un sistema W SISTEMA U0 W UW Foo térmio Tonstante NO es posible volver reversiblemente al estado iniial sin violar el enuniado de K-P del 2º prinipio

16 Irreversibilidad MECÁNICA Irreversibilidad meánia interna Proesos que implian la transormaión de la energía interna de un sistema en energía meánia (omo resultado de una inestabilidad meánia) que después se transorma en energía interna nuevamente: - expansión libre de un gas ideal - estrangulaión de un gas al atravesar un tabique poroso - desapariión de una pelíula de jabón después de pinhada NO es posible volver reversiblemente al estado iniial sin violar el enuniado de K-P del 2º prinipio

17 Irreversibilidad TÉRMICA Irreversibilidad térmia externa Transerenia de alor entre un sistema y un oo térmio debido a una dierenia inita de temperatura: - onduión o radiaión de alor de un sistema aliente a otro más río - onduión o radiaión de alor a través de un sistema (invariable) de un oo más aliente a otro más río Irreversibilidad térmia interna Transerenia de alor entre partes de un mismo sistema a ausa de la no uniormidad de la temperatura NO es posible volver reversiblemente al estado iniial sin violar el enuniado de Clausius del 2º prinipio

18 Irreversibilidad UÍMICA La mayoría de los proesos que ourren en la Naturaleza implian un ambio espontáneo de omposiión químia, estrutura interna, densidad, orden ristalino, et., y son irreversibles: - reaiones químias - mezla de dos sustanias distintas (líquidos, diusión de dos gases ) - solidiiaión de un líquido sobrenriado - ondensaión de un vapor sobresaturado - disoluión de un sólido en agua - ósmosis -

19 Condiiones para la REERSIBILIDAD Para que un proeso sea reversible tienen que evitarse las araterístias de los proesos naturales espontáneos, que son siempre irreversibles, realizándose uasi-estátiamente y sin eetos disipativos (abstraión ideal). Los proesos irreversibles tienen alguna de las siguientes araterístias: ) No hay equilibrio termodinámio - no equilibrio meánio - no equilibrio térmio - no equilibrio químio 2) Existen eetos disipativos - visosidad - rozamiento - inelastiidad - resistenia elétria - histéresis magnétia

20 El Cilo de CARNOT Niolas L. Sadi Carnot «Sur la puissane motrie du eu» (824) 2: expansión isoterma TT, on absorión de alor 4 proesos reversibles 2 3: expansión adiabátia on enriamiento de T a T 2 3 4: ompresión isoterma TT 2, on esión de alor 2 4 : ompresión adiabátia on alentamiento de T 2 a T

21 El Cilo de CARNOT de un gas W 2 4 3

22 El Cilo de CARNOT de un gas de una mezla líquido-vapor de una pila eletroquímia de una sustania paramagnétia

23 Máquina de CARNOT En general, una máquina de Carnot es ualquier máquina térmia que unione reversiblemente entre dos oos térmios sin que se realie ningún trabajo sobre el sistema.

24 Motor térmio de CARNOT Frigoríio de CARNOT T T R W W R T T

25 Teorema de CARNOT Ninguna máquina térmia que trabaje entre dos oos térmios dados puede tener un rendimiento mayor que una máquina reversible (o de Carnot) que trabaje entre ambos mismos oos: η I η R R I, W, W, η R W /, W, W, η I W / Supongamos por un momento que η I >η R Entones: W ' > W > '

26 Teorema de CARNOT T T ' I W W R ' ' W W T T En total: W total 0, y se transiere un alor neto desde el oo río al aliente, lo que violaría el enuniado de Clausius del 2º Prinipio

27 Teorema de CARNOT Ninguna máquina térmia que trabaje entre dos oos térmios dados puede tener un rendimiento mayor que una máquina reversible (o de Carnot) que trabaje entre ambos mismos oos: η I η R Corolario del teorema de Carnot: Todas las máquinas térmias de Carnot que trabajen entre los dos mismos oos térmios tienen exatamente el mismo rendimiento (máximo) η R η R2, η R2 η R η R η R2

28 Rendimiento de una máquina de Carnot (Como el rendimiento de ualquier máquina de Carnot debe ser el mismo, alulémoslo on un gas ideal) 2: expansión isoterma TT, on absorión de alor 3 4: ompresión isoterma TT 2, on esión de alor 2 2 3: expansión adiabátia on enriamiento de T a T 2 4 : ompresión adiabátia on alentamiento de T 2 a T 0 ln > nrt d nrt P d W 0 ln < nrt d nrt P d W ln ln γ γ γ γ γ γ γ γ T T T T te T te P

29 Rendimiento de una máquina de Carnot T T T T nrt nrt ln ln T T W η T T!!! 0 0 < > > η T

30 Equivalenia entre las esalas Kelvin y termodinámia de temperaturas T T El oiente de dos temperaturas en la esala termodinámia es el mismo que hay entre los valores absolutos de los alores edidos y absorbidos, respetivamente, por una máquina de Carnot que opera entre dihas temperaturas que es independiente de la sustania de trabajo!. T + T pt agua K estableen una T esala de temperaturas termodinámia y absoluta