2da Ley de la termodinámica, Ciclos termodinámicos, Entropía

Universidad Peruana Los Andes2da ley de la termodinámica, ciclos termodinámicos, entropía. UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL 2da Ley de la termodinámica, Ciclos termodinámicos, Entropía. CATEDRATICO: Ing. ORELLANA MENDOZA Willar PRESENTADO POR:  AUCCAPUCLLA SANCHEZ Jhonathan  BASALDUA RODRIGUEZ Luis Demetrio  MEDRANO MAMANI Milton SEMESTRE: CUARTO SECCION: B-1 HUANCAYO - 2012 Ing. Orellana Mendoza Willar 2 INGENIERÍA CIVIL Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica, ciclos termodinámicos, entropía. DEDICATORIA El presente trabajo esta dedicado a todos quienes nos apoyan y confían incondicionalmente, a los interesados en el tema y al ingeniero del curso por impartirnos sus conocimientos. El grupo Ing. Orellana Mendoza Willar 3 INGENIERÍA CIVIL afirma que «es imposible realizar una transformación cuyo único resultado sea la conversión en trabajo del calor extraído de una sola fuente a temperatura uniforme». INTRODUCCIÓN En el presente trabajo daremos a conocer sobre la segunda ley de la termodinámica para eso debemos saber sobre la termodinámica que es el estudio científico de la interconversión del calor y de otras clases de energía. EL GRUPO. ciclos termodinámicos. enunciado en 1851 por lord Kelvin. Sadi Carnot fue un ingeniero y oficial de la milicia francesa y es el pionero y fundador en el estudio de la Termodinámica. demos inicio a la investigación. Fundador en el estudio de la Termodinámica. Ing. en las cuales veremos la segunda ley de la termodinámica. El segundo principio. Orellana Mendoza Willar 4 INGENIERÍA CIVIL . entropía. Existen tres leyes fundamentales de la termodinámica. Esperando de antemano el máximo aprovechamiento de esta monografía. los ciclos termodinámicos y la entropía. Las leyes de la termodinámica constituyen útiles guías para el entendimiento de la energética y dirección de los procesos.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. -Ciclo de refrigeración III.-Ciclo de Carnot 2.-ENTROPÍA 3.-Historia de la entropía 3. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL .-EJEMPLOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA 1.1.-TERMODINÁMICA 1.-Definición de Clausius de la segunda ley: 1.6.2.3.1.-SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica.Que sostiene la segunda ley de la termodinámica Página 7 7 7 7 7 7 1.1.-LA ENTROPÍA Y LA ENERGÍA GASTADA 3.5.4.-Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: 1.-Ciclo diesel 2.-DEFINICIÓN 3.-CICLOS TERMODINAMICOS 2. ciclos termodinámicos.2.1.4.2. entropía.-Ejemplo 8 8 9 9 10 11 11 12 12 Ing..3.5. INDICE I.3.-UTILIDAD 2.-Ciclo Otto 2.-RESTRICCION DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA II.3. 5.5.-Entropía en Conducción térmica 3.-ENTROPÍA Y REVERSIBILIDAD 3.1.-VARIACIONES DE ENTROPÍA EN PROCESOS IRREVERSIBLES 3.5.-ANEXOS 13 13 13 14 14 15 15 16 16 17.18. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL .-LAS VARIACIONES DE LA ENTROPÍA 12 3.5.-ECUACIONES SOBRE ENTROPÍA3. entropía.13.-LA ENTROPÍA FÍSICA.-Entropía en un gas 3.-ENTROPÍA Y DESORDEN 12 3. EN SU FORMA CLÁSICA 12 13 3.10.9.3. ciclos termodinámicos.-Entropía en el Cambio de estado 3.11.-Entropía en mezclas 3.-¿Para qué sirve la entropía? IV.5.1.-LAS VARIACIONES DE LA ENTROPÍA 3.6.8.12.19 5 IMÁGENES Segunda ley de la termodinámica Ciclos termodinámicos Entropía VIDEOS DIDACTIDOS Segunda ley de la termodinámica 20 Ing.2. 3.7.-EL SIGINFICADO DE ESTAS ECUACIONES 3.4.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica.-CUANDO NO SE PRODUCE VARIACIÓN DE TEMPERATURA(proceso isotérmico) 3. 1. establece que cada instante el Universo se hace más desordenado. que describe los primeros esfuerzos por convertir el calor en potencia 1. Hay un deterioro general pero inexorable hacia el caos..Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. Ciclos termodinámicos Entropía V.Que sostiene la segunda ley de la termodinámica Es la más universal de las leyes físicas.2.-SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 1. ciclos termodinámicos. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL .-CONCLUSIÓN VII. entropía. Uno de los patrones fundamentales de comportamiento que encontramos en el mundo físico es la tendencia de las cosas a desgastarse y agotarse Ing.-BIBLIOGRAFÌA 21 22 23 6 I.-TERMODINÁMICA La termodinámica se define como la ciencia de la energía donde es la capacidad para producir cambios. La palabra termodinámica proviene de los vocablos griegos thermos (calor) y dinamycs (potencia). En su interpretación más general.-RESUMEN VI. el sistema regrese a su estado inicial.6.-RESTRICCION DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA La Segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. 2.-EJEMPLOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA     Los edificios se derrumban. pasar de un cuerpo más frío a uno más caliente. 1. la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero. entropía. sino transferencias de energía entre éste y su entorno.4.-Definición de Clausius de la segunda ley: El calor no puede.1. los recursos naturales se agotan.5.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno). 1. 1. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía tal que. es decir .3. 7 II. que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula. 1. por sí mismo. las montañas y las costas se erosionan. a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema. ciclos termodinámicos.-Definición de Kelvin-Planck de la segunda ley: Es imposible para un sistema experimentar un proceso cíclico cuyo único resultado sea la absorción de calor de un único depósito a una única temperatura y la transformación en una cantidad equivalente de trabajo.-UTILIDAD Ing. la gente envejece.-CICLOS TERMODINAMICOS Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que. al transcurso de todos ellos. No obstante. bc: calentamiento isocórico.3. y un γ = 1. entropía.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica.2. cd: expansión adiabática.1) Para un R = 8.56 8 2. R: relación de compresión. η = 0. de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales 2. ciclos termodinámicos.-Ciclo diesel Ing. Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases.1) η = 1 . ad: enfriamiento isocórico. ab: contracción adiabática.-Ciclo Otto En el punto a la mezcla de nafta y aire ya está en el cilindro.4 (aire).Tabla 18. Cp: calor específico a presión constante Cv: calor específico a volumen constante γ = Cp/Cv (Sears 419 . Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL .1/R(γ . bc: expansión y calentamiento isobárica. convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico.1) η = 1 . El gasoil se inyecta durante la carrera ab. entropía.1) Para un R = 15-20.4 (aire). Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL 9 . Cp: calor específico a presión constante Cv: calor específico a volumen constante γ = Cp/Cv (Sears 419 . ab y cd: contracciones y expansiones isotérmicas.4. es decir. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. ciclos termodinámicos.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. Ing. R: relación de compresión. η = 0. y un γ = 1.Tabla 18.65-0.70 2. ad: enfriamiento isocórico.1/R( γ . ab: contracción adiabática.-Ciclo de Carnot Una máquina de Carnot es perfecta. cd: expansión adiabáticas. Después del condensador.TC.QC/ QH QH = W ab = n. ciclos termodinámicos.ln Vc/Vd QC/QH = TC/TH η = 1 .TC/TH 2.R.TH.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. donde su presión y temperatura se reducen hasta alcanzar las condiciones que existen en el evaporador. lo que aumenta su temperatura (entrega trabajo al sistema).QC/(QC-QH) III. QH = QC η = .QC C-QH .-ENTROPIA Ing. entropía. válvula de expansión y evaporador. el vapor pasa a un compresor movido por un motor que incrementa su presión. condensador. el refrigerante se evapora y absorbe calor del espacio que está enfriando y de su contenido.QC)/QH η = 1 .A continuación. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL 10 . En el evaporador. el líquido pasa por una válvula de expansión.R. η = W/QH H . El gas sobrecalentado a alta presión se transforma posteriormente en líquido en un condensador refrigerado por aire o agua.-Ciclo de refrigeración Los sistemas de compresión emplean cuatro elementos en el ciclo de refrigeración: compresor. bc y ad: contracciones y expansiones adiabáticas.5.ln Vb/Va QC = W cd = n. Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. 3. 11 Ing. Rudolf Clausius estableció el concepto de sistema termodinámico y postula la tesis de que en cualquier proceso irreversible una pequeña cantidad de energía térmica δQ se disipa gradualmente a través de la frontera del sistema 3. Los primeros motores de calor como Thomas Savery (1698). . La palabra entropía procede del griego (ντροπία) y significa evolución o transformación. determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Durante los próximos dos siglos los físicos investigaron este enigma de la energía perdida.1.2. mediante cálculo. una gran cantidad de energía útil se disipa o se pierde en lo que parecía un estado de aleatoriedad inconmensurable. En la década de 1850.-DEFINICIÓN La entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que permite.-Historia de la entropía El concepto de entropía desarrollado en respuesta a la observación de que una cierta cantidad de energía liberada de funcionales reacciones de combustión siempre se pierde debido a la disipación o la fricción y por lo tanto no se transforma en trabajo útil . la conversión de menos de dos por ciento de la energía de entrada en producción de trabajo útil. el resultado fue el concepto de entropía. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . ciclos termodinámicos. el Newcomen motor (1712) y el Cugnot de vapor de tres ruedas (1769) eran ineficientes. entropía. 3. es la probabilidad de un estado particular. definido aquí como el número de formas en que se puede armar a partir de sus átomos 3.3. Si pensamos en un coche. junto con el sistema de chispa del motor. Y la entropía es un parámetro del desorden: ésa es la concepción profunda que se desprende de la nueva interpretación de Boltzmann.1. la gasolina.-ENTROPÍA Y DESORDEN Cuando la energía es degradada.-Ejemplo Pensemos en un motor. proporciona la energía (química) de combustión.-LAS VARIACIONES DE LA ENTROPÍA Ing. capaz de hacer que el auto se mueva. 3.5. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. es decir. se debe a que los átomos asumen un estado más desordenado. Por extraño que parezca.-ECUACIONES SOBRE ENTROPÍA 3. ¿qué tiene que ver la entropía aquí? La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse. entropía.4. 3.5. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso 3. se puede crear una medida para el desorden. ciclos termodinámicos. es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo. se "gastó".-LA ENTROPÍA Y LA ENERGÍA GASTADA En el principio enunciado por Clausius.1. -LA ENTROPÍA FÍSICA. :la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el entorno T: la temperatura absoluta en kelvin. el cambio en su entropía es igual a la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta. la variación de entropía es el cociente entre el calor y la temperatura.2. la variación de entropía es cero. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL .-EL SIGINFICADO DE ESTAS ECUACIONES Cuando un sistema termodinámico pasa.-VARIACIONES DE ENTROPÍA EN PROCESOS IRREVERSIBLES Para calcular la variación de entropía ΔS de un proceso irreversible entre dos estados de equilibrio.6. entropía.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. 3. en un proceso reversible e isotérmico. Si la temperatura T es constante. 12 En un ciclo reversible.7. ciclos termodinámicos.3. EN SU FORMA CLÁSICA 3.5. En todo proceso irreversible la variación de entropía es mayor que cero. 3.5. imaginamos un proceso reversible entre el estado inicial A y el estado final B y calculamos para este proceso Ing. 3. Los números 1 y 2 : Se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico. del estado 1 al estado 2.-CUANDO NO SE PRODUCE VARIACIÓN DE TEMPERATURA(proceso isotérmico) donde S: es la entropía. entropía.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. su entropía aumenta en Q/Tb. la variación de entropía del sistema formado por la barra y los dos focos es positivo 3. 3. La variación de entropía ΔS es siempre positiva para el sistema y sus alrededores en un proceso irreversible.9. Se transfiere a través de la barra una cantidad de calor Q del foco caliente al foco frío.-Entropía en Conducción térmica 13 En el proceso de conducción del calor. el sistema está formado por un foco caliente a la temperatura Ta conectado mediante una barra a un foco frío a la temperatura Tb.8. como el foco caliente pierde calor su variación de entropía es -Q/Ta Como Ta>Tb.-Entropía en el Cambio de estado Ing. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . ciclos termodinámicos. Como el foco frío absorbe calor. Al mismo tiempo. La barra hecha de un material conductor del calor está perfectamente aislada. 10.11.-Entropía en un gas Ing. entropía. calor específico c2 y temperatura inicial T2>T1. En el proceso de cambio de estado una sustancia absorbe una cantidad de calor mLf manteniendo la temperatura constante Tf 14 3.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. una sustancia de masa m1 y calor específico c1 y temperatura inicial T1 se coloca en contacto con una segunda sustancia de masa m2. Un sólido cuyo calor de fusión es Lf funde a la temperatura Tf.-Entropía en mezclas En un calorímetro de mezclas.. ciclos termodinámicos. Una vez que alcanzan el equilibrio térmico a la temperatura Te vamos a calcular la variación de entropía. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . m1·c1·(Te-T1)+m2·c2·(Te-T2)=0 3. Las dos sustancias se colocan en un calorímetro de modo que forman ambas un sistema aislado. el gas se expande irreversiblemente hasta ocupar un volumen V2.-ENTROPÍA Y REVERSIBILIDAD La entropía global del sistema es la entropía del sistema considerado más la entropía de los alrededores. Q=0 Para calcular la variación de entropía. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . es una Ing. entropía. ΔS (universo) es cero pues el calor que el sistema absorbe o desprende es igual al trabajo realizado 3.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. y ya que 15las paredes del recipiente son aislantes. Consideremos la expansión adiabática de un gas ideal que ocupa inicialmente un volumen V1. 3. para un proceso dado. como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas.-¿Para qué sirve la entropía? La entropía.12. o bien en ingeniería. como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema. es igual a su variación en el sistema más la de los alrededores: Si se trata de un proceso reversible.13. Se rompe la membrana que separa el gas de la región en la que se ha hecho el vacío. no se transfiere energía hacia el exterior. ciclos termodinámicos. podemos imaginar un proceso reversible isotérmico a la temperatura T en la que el gas empuje muy despacio el émbolo mientras la energía entra en el gas procedente de un foco de calor para mantener la temperatura constante. El trabajo realizado por el gas es cero W=0. También se puede decir que la variación de entropía del universo. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación.-ANEXOS LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA  La segunda ley de la termodinámica. Según la segunda ley de la termodinámica. ciclos termodinámicos.procesos y ciclos reversibles  Violación de la segunda ley.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. esta transformación es imposible. 16 IV. entropía. de las variables termodinámicas más importantes. Esta máquina toma la energía en forma de calor del agua de mar y la transforma en movimiento de la hélice para mover un barco. INGENIERÍA CIVIL Ing. Orellana Mendoza Willar . ciclos termodinámicos. entropía. CICLO DE CARNOT Ing. En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión COGAG. 17 CICLOS TERMODINÀMICOS CICLO COMBINADO Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la coexistencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión. 18 ENTROPÍA Escultura dedicada a la Entropía en los jardines centrales de la Universidad de Monterrey. ciclos termodinámicos. entropía. México Ing.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. EXPLICATIVOS CONTENIDO:  Segunda ley de la termodinámica. La entropía termodinámica nos dice que el Universo tiende a conservar de forma uniforme la energía.  Entropìa. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . entropía.  Ciclos termodinámicos. ciclos termodinámicos. 19 VIDEOS DIDACTIDOS. Ing. 20 V. entropía. ciclos termodinámicos. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL restricciones para llevar a cabo un trabajo .-RESUMEN  En resumen diremos que la termodinámica es el estudio de las relaciones entre las diferentes propiedades de la materia que dependen de la temperatura.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. También se define como una medida del orden o Ing. Se basa sobre tres leyes también la Segunda ley afirma que la entropía de un sistema aislado nunca puede decrecer. que representa a la fracción de energía en un sistema que no está disponible para poder realizar o llevar a cabo un trabajo específico. la entropía podemos decir que es una medida de la termodinámica. Esta relación es muy importante en todas las actividades que se realizan en el universo. esto provocará un desorden y posiblemente un caos en el sistema y su ambiente tanto en las técnicas de producción como en las de utilización y consumo de energía.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. 21 VI. entropía. ciclos termodinámicos. queremos concluir resaltando la importancia que tiene el equilibrio de un sistema cualquiera con su medio ambiente.-CONCLUSIÓN  Finalmente. ya que una vez que exista un desequilibrio. Orellana Mendoza Willar . INGENIERÍA CIVIL Ing. ciclos termodinámicos.-BIBLIOGRAFÌA     "Curso de Termodinámica". Eisberg. Enciclopedia Microsoft Encarta 2009 Pagina web de Termodinámica INGENIERÍA CIVIL Ing. 22 VII.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. Peris. Orellana Mendoza Willar . "Física. M. Fundamentos y aplicaciones". A. J. R. entropía. Orellana Mendoza Willar INGENIERÍA CIVIL . 23 Ing. ciclos termodinámicos.Universidad Peruana Los Andes 2da ley de la termodinámica. entropía.