Cuaderno de Actividades: Física II
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12) 2 L Ley d de lla Termodinámica. Entropía
Mg. Percy Víctor Cañote Fajardo
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Cuaderno de Actividades: Física II
12) 2 2da L Ley d de lla T Ter modinámica. E Entr opí a La 1 ra Ley muestra la conservación de la energía; la equivalencia entre W y Q para cambiar U, o sea, son indistinguibles, en ese sentido para un observador dentro del sistema. Sin embargo, el conocimiento de W y Q demanda MAS, por ejemplo, la 2da Ley de la Termodinámica nos indicará que no será siempre posible convertir todo el Q en W, siendo esto un comportamiento natural de nuestro universo. Definiremos la función de estado S, entropía, para describir la 2da Ley de la Termodinámica.
12,1) Máquinas Térmicas y la 2 da Ley de la Termodinámica Una máquina térmica, MT, es un dispositivo capaz de convertir energía térmica (calor) en otras formas de energía: Energía eléctrica o mecánica, por ejemplo. Podemos esquematizar esquematizar una MT de la siguiente forma, Tc
Qc
En un ciclo: U O W Qneto Qn
W
W Qc -
Qf
MT
Qf
Tf
Como indica la figura, la MT toma energía del foco caliente, Qc, en un ciclo realiza trabajo W, entregando energía al foco frío Qf , esto es, recibe por ciclo la cantidad de energía Q n Qc – Qf realizando realizando W. La eficiencia, , de la MT se define de la siguiente forma,
Q
Q
Q
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De la 2da ley se desprende que, debido a que Q f Q c, entonces, < 1, esto es, no todo el Q se puede transformar en W. W. Esta es la llamada forma de Kelvin da – Planck Planck para para la 2 Ley. ¿? Determine la eficiencia de diversas MT, motor de auto, diesel, OTTO, STIRLING, etc. ¿? Que variedad de MT existen. ¿? Cuál es el enunciado de R. Clausius de la 2da Ley.
12,2) Procesos Reversibles e Irreversibles Un proceso es reversible cuando un sistema termodinámico y los exteriores retornan a sus condiciones iniciales al final del proceso. Un proceso irreversible es lo contrario, esto es, una vez terminado el proceso el sistema o los exteriores no seguirán en sus condiciones iniciales. En la naturaleza todos los procesos son irreversibles. ¿? Porqué la naturaleza permite procesos irreversibles. irreversibles. ¿? Conoce algunos procesos aproximadamente aproximadamente reversibles. ¿? En las MT los l os procesos son reversibles o irreversibles. irreversibles.
12,3) La máquina de Carnot Es una MT ideal basada en un ciclo reversible ideal de tal forma que su eficiencia delimita la eficiencia de una MT real, trabajando entre los mismos focos de temperatura,
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de la MT de Carnot de la MT real
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El ciclo reversible ideal que usa la MT de Carnot se denomina ciclo de Carnot y está constituido por 2 procesos adiabáticos y 2 isotérmicos, tal como la representa el diagrama p-V siguiente,
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p
A
Qc B D
Tc C
Qf
Tf V
La eficiencia de la máquina de Carnot es,
c
1
T f T c
¿? Como se puede mostrar que la MT ideal de Carnot corresponde al caso ideal de máquina térmica. ¿? Porqué los calores son proporcionales a las temperaturas temperaturas absolutas absolutas de los focos. ¿? Existen otras MT con eficiencia comparable a la M T ideal de Carnot. ¿? Será posible usar la MT ideal de Carnot para definir escalas absolutas de Ts. ¿? En que consiste la 3ra Ley de la Termodinámica.
12,4) Entropía, S Es la función de estado termodinámico que describe el grado de desorden del sistema. Debido a que es una función de estado los cambios de entropía,
S
Sf – Si,
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Cuaderno de Actividades: Física II trayectoria reversible a la temperatura T, transfiriéndole una cantidad de energía dQr es,
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dQr T
Esta definición conduce a dos resultados interesantes: primero primero,, en los sistemas aislados la entropía aumenta, esto es, el desorden del sistema aumenta (mecánica estadística) estadística) y, como como veremos, veremos, la entropía del universo aumenta en todos los procesos. Segundo,, ahora, un cambio macroscópico de la entropía, finito, resulta, Segundo
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Esto conduce a que S O, en procesos cíclicos,
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Caso especial: especial: Ciclo de Carnot
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¿? Los procesos reversibles no cambian la entropía del universo. ¿? Los procesos irreversibles irreversibles sí cambian la entropía del universo. ¿? A que se denomina muerte térmica del universo.
