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8/18/2019 Segunda Ley de la Termodinámica y Entropía
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En la realidad no es posible lograr ciclos reversibles porque no se pueden
eliminar por completo las irreversibilidades relacionadas con cada proceso.
Sin embargo, los ciclos reversibles proporcionan límites superiores al
desempeño de los ciclos reales.
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Condiciones de Reversibilidad:
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Tipos de Irreversibilidades
Procesos Internamente reversibles: Un proceso sin irreversibilidades dentro
del sistema, aunque hay irreversibilidades a ambos
lados de la frontera del sistema.
Procesos irreversibles
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Sistemas compuestos formados por otros subsistemas:
Maquina: un sistema cerrado a través del cual un fluido describe un proceso
cíclico cuasiestático
Focos: sistemas cerrados de temperatura constante, que no se altera por
una extracción o aportación continua de calor.
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Consideraciones de la falta de alteración de los Focos:
Su gran capacidad calorífica, que haga despreciable su variación de
temperatura, a pesar del tráfico de calor (ej.: el mar, el ambiente);
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Consideraciones de la falta de
alteración de los Focos:
Ser una sustancia pura
realizando un cambio de fase
isobaro
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Consideraciones de la falta de alteración de los Focos:
Que en su seno se desarrolle una reacción química o
nuclear en equilibrio estacionario, en la que la energía
liberada en la reacción se iguale a la liberación de calor
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Balance de Energía en maquinas térmicas:
= ya que ∆ =
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Recordemos que las máquinas térmicas son
dispositivos cíclicos en donde el fluido de trabajo
de una de estas máquinas vuelve a su estadio
inicial al final de cada ciclo.
• Durante una parte del ciclo el fluido realiza trabajo y
durante otra se hace trabajo sobre el fluido. La
diferencia entre estos dos trabajos es el trabajo neto
que entrega la máquina térmica
• La eficiencia del ciclo de una máquina térmica
depende en gran medida de cómo se ejecute cada
uno de los procesos que constituyen el ciclo.
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Son sistemas cíclicos que producen una cantidad neta positiva de trabajo
(objetivo del ciclo).
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Son sistemas cíclicos que consumen
una cantidad neta de trabajo, y el
objetivo es retirar calor de un foco
frío (ciclos frigoríficos) o aportar
calor a un foco caliente (bomba de
calor).
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Enunciado de Clausius
Es imposible ningún dispositivo que,
funcionando según un ciclo, su único
efecto sea el paso de calor de un cuerpo
frío a otro más caliente.
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Enunciado de Kelvin-Plank
Es imposible construir un motor
que, funcionando según un ciclo, su
único efecto sea extraer calor de un
foco y realizar una cantidad
equivalente de trabajo.
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Se aplican a máquinas bitermas (con dos focos).
Corolario 1
“El rendimiento térmico de un ciclo de potencia
irreversible es siempre menor que el rendimiento
térmico de un ciclo de potencia reversible, cuando
ambos operan entre los mismos dos focos térmicos”
Corolario 1
“Todos los ciclos de potencia reversibles que operan
entre los dos mismos focos térmicos tienen el mismo
rendimiento.”
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• Propuesto en 1824 por el ingeniero
francés Sadi Carnot
• Ciclo reversible más conocido y
utilizado como estándar para comparar
las eficiencias de las maquinas
térmicas que operan con ciclo
irreversibles
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• Sistema cerrado conformado por un gas contenido en un dispositivo de cilindro-émbolo
adiabático.
• El aislamiento de la cabeza del cilindro es tal que puede ser eliminado para poner al
cilindro en contacto con depósitos que proporcionan transferencia de calor.
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: ó á
• Se elimina el depósito de calor de la etapa
anterior y se aísla la cabeza del cilindro
• El gas continúa expandiéndose lentamente y
realiza trabajo sobre los alrededores hasta
que su temperatura disminuye de T H a T L
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: ó é
• Se retira el aislamiento de la cabeza del
cilindro y se pone a éste en contacto con un
sumidero a temperatura T L
• Se realiza trabajo sobre el gas en función de
una fuerza externa que empuja al cilindro
hacia el interior.
• El calor (Q L ) se transfiere desde el gas hacia
el sumidero a T L, lo anterior produce que T
sea constante.
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: ó á
• Se elimina el depósito de baja temperatura y
se coloca de nuevo el aislamiento en la
cabeza del cilindro, comprimiéndose el gas de
manera reversible
• La temperatura sube de T L a T H durante este
proceso de compresión adiabático reversible.
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Es una expresión matemática que relaciona el CALOR que recibe un
sistema con la TEMPERATURA DE SU SUPERFICIE (por donde entra o
sale ese calor), cuando el sistema experimenta un proceso cíclico.
Supondremos que en ese proceso cíclico interacciona únicamente con un
foco isotermo.
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Se suman (II) y (III) y se sustituye (IV), quedando:
Que para un proceso cíclico con Tr constante en una
frontera f se obtiene:
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Basándonos en el enunciado de Kelvin Plank, el trabajo neto producido no
puede ser positivo, ya que violaría dicho principio, por tanto:
Y la desigualdad queda definida como:
Desigualdad de Clausius
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Basándonos en el enunciado de Kelvin Plank, el trabajo neto producido no
puede ser positivo, ya que violaría dicho principio, por tanto:
Y la desigualdad queda definida como:
Desigualdad de Clausius