COLEGIO DE BACHILLERES PLANTEL No. 9 ARAGÓN

Asignatura: Física II

Profesor: ________________________________Fecha: _____________ Grupo: ________

Alumno (a): ______________________________________________

Actividad Experimental No. 9 “Segunda Ley de la Termodinámica”

El Laboratorio Virtual Ibercaja (LV) es un proyecto del Ministerio de Educación de España, cuyo principal objetivo es facilitar la comprensión de los conceptos científicos mediante las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), fundamentalmente de los niveles de ESO, Bachiller y equivalentes. Le recomendamos que consulte antes las instrucciones de uso.Para ello el Laboratorio Virtual ofrece su aula y esta página web: http://www.ibercajalav.net/curso.php

1.- Objetivo:

Al final de la actividad el alumno será capaz de:1.1 Comprender que los cambios en la energía se pueden aprovechar para hacer trabajo.1.2 Comprender que se puede convertir un tipo de energía en otro.1.3 Describir el funcionamiento de una máquina térmica.1.4 Explicar el significado de la Segunda Ley de la Termodinámica.

Aprendizajes: Conocerá el principio de funcionamiento de una Máquina Térmica. Eficiencia o Rendimiento de una Máquina Térmica Analizará la transferencia de la energía por medio del Calor y el Trabajo. Conocerá las implicaciones de la segunda ley de la termodinámica.

2.- Contenidos Conceptuales Previos

2.1 Calor2.2 Trabajo2.3 Transformaciones de energía2.4 Máquina Térmica2.5 Eficiencia o Rendimiento de una Máquina Térmica2.6 Segunda Ley de la Termodinámica

2.4 Máquina Térmica: Una máquina térmica es un dispositivo que produce trabajo a partir de calor. Algunos ejemplos de máquinas térmicas son: las máquinas de vapor, motores de gasolina y motores diesel.Las máquinas de vapor usan agua, mientras que los motores diesel y a gasolina usan una mezcla de combustible y aire.

La figura 1 muestra un esquema de una Máquina Térmica que trabaja entre un foco caliente a temperatura T1 y un foco frío a temperatura T2. En un ciclo, se extrae calor Q1 del foco caliente; parte de este calor se convierte en trabajo, W, y el calor restante, Q2, es cedido al foco frío.

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Figura No. 1 Esquema de una Máquina Térmica

Consideraremos al calor que absorbe la máquina positivo, es decir, +|Q1| y al calor que es cedido como -|Q2|. En un ciclo completo la energía interna de la sustancia de trabajo (agua o aire y gasolina, por ejemplo) no cambia. De acuerdo con la Primera Ley de la Termodinámica

ΔEi = Q - W = 0,

El trabajo neto hecho por la máquina en un ciclo es igual al flujo entrante neto, es decir:

W = Q1- Q2

2.5 La eficiencia () de la máquina térmica se define como el trabajo producido (W) dividido entre el calor introducido (Q1) es decir:

= WQ1

=¿ Q1−Q2Q 1 = 1−Q2Q1

= WQ1

=¿ Qent−QsalQent = 1−QsalQent

Dónde:

= Eficiencia o Rendimiento de la Máquina Térmica

W = Trabajo (J)

Q1 =Qent = Calor suministrado a la Máquina Térmica (J)

Q2 = Qsal Calor que se disipa por el escape de la máquina térmica (J)

Otra forma de determinar la eficiencia o rendimiento de una Máquina Térmica real es empleando sus temperaturas absolutas que son proporcionales a las cantidades de Calor , tanto de la Fuente caliente como de la Fuente fría.

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= WT 1 = T 1−T 2T 1 = 1−T 2

T 1

Las Temperaturas en las expresiones anteriores deben expresarse en escala Kelvin.

Un 100 por ciento de eficiencia, es decir, = 1 sólo se obtendría si Q2 = 0. En este caso, todo el calor absorbido sería convertido en trabajo, éste es el caso de una máquina térmica ideal. Sin embargo, esto no es posible y la eficiencia de una máquina térmica real es menor a 100 por ciento. Una máquina de gasolina tiene una eficiencia de 20 por ciento mientras que una de diesel tiene una eficiencia de alrededor de 40 por ciento.

2.6 Enunciado de la Segunda Ley de la Termodinámica:

Es imposible construir una máquina térmica que al trabajar en un ciclo termodinámico transforme todo el calor (Q) que se le suministra en trabajo mecánico (W).

El calor no puede por sí mismo, sin la intervención de un agente externo pasar de un cuerpo frío a un cuerpo caliente.

De acuerdo con la segunda Ley de la Termodinámica en un motor de gasolina de un automóvil, el Calor producido por la combustión de la gasolina con el aire impulsa los pistones y la biela manivela del motor, y parte de ese calor se expulsa por el escape es decir no todo el calor suministrado al motor se convierte en Trabajo mecánico.

3. Ejercicios de la Segunda Ley de la Termodinámica empleando un Laboratorio Virtual de Termodinámica que se localiza en la siguiente dirección electrónica del Internet: http://www.ibercajalav.net/curso.php?fcontenido=Term_2Pri_1.swf

Ejercicio 1: Un motor térmico con una eficiencia o rendimiento del 70 % se le suministra en cada ciclo 15000 Joules de un foco de alta temperatura. Calcular:

a) El Trabajo (W) que realizab) El Calor Q2 cedido al foco de Baja Temperatura en cada ciclo.

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Datos: Fórmula Despeje Sustitución

Q1 = 15000 Joules = WQ1

= 70 % = 0.70 W = W = Q1- Q2

Q2 =

Ejercicio 2: Una máquina térmica absorbe en cada ciclo 20900 Joules (Q1) de un foco caliente y cede 5000 Joules a un foco frío (Q2). Calcular:

a) El Trabajo W que realiza en cada ciclo.b) La Eficiencia o rendimiento de la máquina térmica. ()

Datos:

Q1 = 20900 Joules

Q2 = 5000 Joules

W =

=

Ejercicio 3

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Analiza cada una de las partes de la Central Termoeléctrica de la simulación, comprobando las pérdidas de Energía en cada una de ellas.

Transformaciones de Energía en una Central Termoeléctrica

Ejercicio 4

En la Central Termoeléctrica que aparece en la simulación, se observa que no toda la energía aportada por el combustible es aprovechable.

¿Cuál es la eficiencia global de la Central Termoeléctrica?

Datos:

Qent = 100 KJ Qsal = 70 KJ

Fórmula: = Qent−QsalQent

= Qent−QsalQent = ❑❑

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Ejercicio 5

Calcula la eficiencia de la Central Térmica en cada una de las partes del proceso.

Nota: Considera que la Energía saliente de los procesos 1 y 2 de la Energía entrante para los procesos 3 y 4.

Calcular el rendimiento o eficiencia en los procesos 1 y 2.

Qent = 100 KJ Qsal = 15 KJ

Fórmula: = Qent−QsalQent

= Qent−QsalQent

Calcular el rendimiento o eficiencia en los procesos 3 y 4.

Qent = 85 KJ Qsal = 55 KJ

Fórmula: = Qent−QsalQent

= Qent−QsalQent

4. Cuestionario.

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4.1 Explique que es una Máquina Térmica y cual es el principio básico de cualquier tipo de máquina térmica.

4.2 Explique cual es la diferencia entre un motor de combustión interna y combustión externa.

4.3 Diga cuales son las diferencias entre un motor de gasolina y un motor Diesel.

4.4 Explique que es una máquina térmica ideal y una máquina térmica real.

4.5 ¿A que se le llama eficiencia o rendimiento de una máquina térmica?

4.6 ¿Cuáles son las expresiones matemáticas para determinar la eficiencia de una máquina térmica?

4.7 Explica el funcionamiento de un refrigerador y cuales son los elementos que lo constituyen.

4.8 ¿Cuáles son los postulados de la Segunda Ley de la Termodinámica?

4.9 Explique el concepto de Entropía.

4.10 Mencione las partes más importantes que conforman a una Central Termoeléctrica.

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