Segunda Ley de la Termodinámica

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DANIEL ASTAIZA USECHE
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Segunda Ley de la Termodinámica
  1. Establece que un proceso ocurre en cierta dirección. Un proceso no ocurre a menos que satisfaga tanto la primera como la segunda leyes de la termodinámica.
    1. Depósitos de energía térmica o dépositos de calor
      1. Son cuerpos que pueden absorber o rechazar cantidades finitas de calor en forma isotérmica.
        1. Los depósitos de energía térmica suelen denominarse depósitos de calor porque proveen o absorben energía en forma de calor.
          1. Los grandes cuerpos de agua, como océanos, lagos y ríos, así como el aire atmosférico, se pueden modelar de manera precisa como depósitos de energía térmica.
    2. Máquinas térmicas
      1. Convierten el calor en trabajo.
        1. La central eléctrica es un ejemplo porque es una máquina de combustión externa, es decir, la combustión se lleva a cabo fuera de la máquina y la energía térmica liberada durante este proceso se transfiere al vapor como calor.
          1. La eficiencia térmica se puede expresar como la salida de calor neto sobre la entrada de calor total. Es una medida de qué tan eficientemente una máquina térmica convierte el calor que recibe en trabajo.
            1. El enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley de la termodinámica establece que ninguna máquina térmica puede producir una cantidad neta de trabajo mientras intercambia calor con un solo depósito.
      2. Refrigeradores y bombas de calor
        1. Son dispositivos que absorben calor de medios de baja temperatura y lo ceden hacia la atmósfera a medios de mayor temperatura.
          1. El propósito de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja eliminando calor de éste. Descargar este calor hacia un medio que está a temperatura mayor es solamente una parte necesaria de la operación, no el propósito.
            1. El objetivo de una bomba de calor, sin embargo, es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. Esto se logra absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura baja, por ejemplo, agua de pozo o aire frío exterior en invierno, y suministrando este calor a un medio de temperatura alta como una casa
              1. El coeficiente de desempeño es el que mide la eficiencia de estos dispositivos, el cual está representado por la salida deseada sobre la entrada requerida.
                1. El enunciado de Clausius de la segunda ley expresa que ningún dispositivo puede transferir calor de un cuerpo más frío a otro más caliente sin dejar un efecto sobre los alrededores.
        2. Los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius son equivalentes en sus consecuencias, y se puede usar cualquiera como expresión de la segunda ley de la termodinámica. Cualquier dispositivo que viole el enunciado de Kelvin- Planck también viola el de Clausius, y viceversa.
          1. Máquinas de movimiento perpetuo
            1. Cualquier dispositivo que viola alguna de las dos leyes se llama máquina de movimiento perpetuo y, a pesar de numerosos intentos, no se sabe de alguna máquina de este tipo que haya funcionado.
              1. Un dispositivo que viola la primera ley de la termodinámica (al crear energía) se llama máquina de movimiento perpetuo de primera clase (MMP1) y otro que viola la segunda ley se llama máquina de movimiento perpetuo de segunda clase (MMP2).
                1. Las personas que proponen máquinas de movimiento perpetuo por lo común tienen mentes innovadoras, pero carecen de capacitación en ingeniería formal, lo cual es muy desafortunado.
                  1. Nadie está exento de ser defraudado por una máquina de movimiento perpetuo, sin embargo, como reza el refrán: “Si algo suena demasiado bueno para ser verdad, es poco probable que lo sea.”
            2. Procesos reversibles e irreversibles
              1. Un proceso se denomina internamente reversible si no ocurren irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema durante el proceso.
                1. Durante un proceso internamente reversible, un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el sistema pasa por los mismos estados de equilibrio mientras vuelve a su estado inicial.
                  1. Se dice que un proceso es reversible si tanto el sistema como los alrededores pueden volver a su condición original. Cualquier otro proceso es irreversible.
                    1. Los efectos que hacen que un proceso sea irreversible son la fricción, la expansión o compresión de no cuasiequilibrio y la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura, las cuales se denominan irreversibilidades.
                      1. Un proceso es denominado externamente reversible si no ocurren irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso. La transferencia de calor entre un depósito y un sistema es un proceso externamente reversible si la superficie exterior del sistema está a la temperatura del depósito.
              2. Ciclo de Carnot
                1. Es un ciclo reversible compuesto por cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos.
                  1. Expansión isotérmica reversible
                    1. Expansión adiabática reversible
                      1. Compresión isotérmica reversible
                        1. Compresión adiabática reversible
                          1. El ciclo de la máquina térmica de Carnot recién descrito es totalmente reversible, por lo tanto todos los procesos que abarca se pueden invertir, en cuyo caso se convierte en el ciclo de refrigeración de Carnot.
                        2. Principios de Carnot
                          1. Establecen que las eficiencias térmicas de las máquinas térmicas reversibles que operan entre dos depósitos son las mismas, y que ninguna máquina de este tipo es más eficiente que una reversible que opera entre los mismos dos depósitos.
                            1. 1. La eficiencia de una máquina térmica irreversible es siempre menor que la eficiencia de una máquina reversible que opera entre los mismos dos depósitos.
                              1. 2. Las eficiencias de las máquinas térmicas reversibles que operan entre los mismos dos depósitos son las mismas.
                          2. La máquina térmica de Carnot
                            1. Es una máquina térmica que opera en un ciclo reversible de Carnot
                              1. El refrigerador de Carnot y la bomba de calor
                                1. Es un refrigerador o una bomba de calor que opera en el ciclo inverso de Carnot,
                            2. Escala termodinámica de temperatura
                              1. Es una escala de temperatura que es independiente de las propiedades de las sustancias utilizadas para medir la temperatura
                                1. Ofrece grandes ventajas en los cálculos termodinámicos, y su derivación se da a continuación por medio de algunas máquinas térmicas reversibles.
                                  1. Aun cuando la escala termodinámica de temperatura se define con la ayuda de las máquinas térmicas reversibles, no es posible ni práctico operar en realidad tal máquina para determinar valores numéricos sobre la escala de temperatura absoluta.
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