Axiomas de Kelvin-Planck y Clausius

Embed Size (px)

Citation preview

El primer principio de la termodinmica es la formalizacin del principio de conservacin de la energa, segn el cual la energa ni se crea ni se destruye, solamente se transforma. Esta descripcin de la naturaleza es evidentemente cierta, pero incompleta.

En efecto, el primer principio nada nos dice acerca del sentido en que se pueden ocurrir los procesos en la naturaleza de manera espontnea. Por ejemplo: Segn el primer principio, el calor cedido por el caliente ha de ser igual al absorbido por el fro, pero no explica porque el flujo de calor no se dirige del cuerpo fro al caliente, caso que no ira en contra del principio de conservacin de la energa.

Se produce la transformacin de energa potencial en energa trmica como consecuencia del impacto. El primer principio de la Termodinmica no niega la posibilidad de transformacin de energa trmica en potencial y de que el cuerpo se eleve hasta su altura inicial. Sin embargo, todos sabemos que esta transformacin no se dar en forma espontnea, es decir, sin accin exterior.

Se realiza de forma natural, por ejemplo el rozamiento. Sin embargo, la inversa es ms difcil de obtener. Esto nos indica que existe una diferencia esencial entre el calor y las dems formas de energa ya que todas ellas se pueden transformar en forma ntegra en calor, mientras que la transformacin inversa no se realiza de forma completa.

Una mquina trmica es un sistema termodinmico compuesto por dos o ms subsistemas en la cual un fluido, llamado fluido de trabajo, evoluciona de forma cclica y reversible, transformando en trabajo el calor intercambiado con los focos o fuentes trmicas.

Un foco es un sistema termodinmico que es capaz de ceder o absorber cantidades finitas de calor sin variar su temperatura.Ejemplos de focos de mquinas trmicas, pueden ser un sistema en cambio de fase, una reaccin qumica o nuclear, etc. Segn el nmero de focos la mquina trmica se llamar monoterma, biterma, triterma, o en general politerma.

Aquella en la que la mquina produce trabajo a partir del calor intercambiado con los focos. Motores Trmicos

Aquella en la que a partir de un trabajo exterior establece un flujo determinado de calor con los focos:

Bombas de calor.

Existen dos enunciados relacionados con la segunda ley de la termodinmica, el de kelvin-Planck que se relaciona con las mquinas trmicas y el de Clausius, relacionado con refrigeradores y bombas de calor.

El enunciado de Clausius se expresa de la siguiente manera: Es imposible construir un dispositivo que opere en un ciclo sin que produzca ningn otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a uno de mayor temperatura

Este enunciado no significa que sea imposible construir un dispositivo cclico que transfiera calor de un medio frio a un medio caliente. De hecho, esto es lo que hace un refrigerador comn y corriente.

El enunciado establece simplemente que un refrigerador no puede operar a menos que su compresor sea mediante una fuente de energa externa, como un motor elctrico

De este modo, el efecto neto sobre los alrededores el efecto neto sobre los alrededores tiene que ver con el consumo de cierta energa en forma de trabajo.

Es imposible la existencia de una mquina que solamente absorba calor y produzca trabajo.

ciclicamente, produzca como nico efecto la extraccin de calor de un foco y la realizacin de una cantidad equivalente de trabajo. - Este enunciado de Kelvin- Planck exige que cualquier dispositivo cclico que produzca un trabajo neto intercambie calor por lo menos con dos fuentes trmicas a diferentes temperaturas.

Es imposible construir una mquina que, operando

FUENTE

Q

PROCESO CICLICO

Q=W

IMPOSIBLE

El postulado exige que los motores trmicos funcionen entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Sin embargo, el cuerpo a baja temperatura no puede ser una fuente de energa como lo es de alta temperatura.

Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una mquina que convierta todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo foco (el foco fro), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor de desecho al ambiente.

Matemticamente, esto implica que el rendimiento de una mquina trmica, que segn el Primer Principio de la Termodinmica podra ser igual a la unidad, es en realidad siempre menor que la unidad

Este enunciado establece una asimetra entre calor y trabajo. Mientras que segn el primer principio ambas son formas de variar la energa interna de un sistema, el segundo principio establece una clara diferencia:

Una mquina puede transformar todo el trabajo en calor (es lo que hace una estufa elctrica, por ejemplo). Una mquina no puede transformar todo el calor en trabajo.

En definitiva, de la figura observamos que si acoplamos entre los dos mismos focos una maquina frigorfica y una mquina trmica, y en la hiptesis de que la mquina frigorfica no verifique el Segundo Principio (Clausius), el balance del sistema acoplado es que se produce trabajo W absorbiendo calor Q1Q2 de un foco caliente sin ceder calor a un foco fro, no verificndose, por consiguiente, el Segundo Principio de la Termodinmica en la forma del Enunciado de Kelvin-Planck para el sistema completo, el cual produce trabajo convirtiendo todo el calor que absorbe del foco caliente.

ENUNCIADO DE KELVINPLANCK: Todo proceso de la naturaleza por el cual se transforma calor procedente de un foco caliente en trabajo mecnico requiere la cesin de una parte del calor absorbido a un foco fro

ENUNCIADO DE CLAUSIUS: Es imposible que una mquina frigorfica extraiga calor de un foco caliente y lo ceda todo a un foco fro, sin recibir trabajo desde el exterior.

ENUNCIADO DE KELVINPLANCK: Todo proceso de la naturaleza por el cual se transforma calor procedente de un foco caliente en trabajo mecnico requiere la cesin de una parte del calor absorbido a un foco fro

En definitiva, de la figura observamos que si acoplamos entre los dos mismos focos una maquina frigorfica y una mquina trmica, y en la hiptesis de que la mquina frigorfica no verifique el Segundo Principio (Clausius), el balance del sistema acoplado es que se produce trabajo W absorbiendo calor Q1- Q2 de un foco caliente sin ceder calor a un foco fro, no verificndose, por consiguiente, el Segundo Principio de la Termodinmica en la forma del Enunciado de Kelvin-Planck para el sistema completo, el cual produce trabajo convirtiendo todo el calor que absorbe del foco caliente. ENUNCIADO DE CLAUSIUS: Es imposible que una mquina frigorfica extraiga calor de un foco caliente y lo ceda todo a un foco fro, sin recibir trabajo desde el exterior.

Se define el rendimiento de una mquina trmica de ciclo directo al cociente entre el trabajo producido por la mquina y el calor absorbido de la fuente caliente.

Aplicando del primer principio, el trabajo ser igual la diferencia entre el calor absorbido y cedido, por ser el funcionamiento de la mquina cclico. Al evolucionar de forma cclica, la variacin de energa interna es cero

El rendimiento de una mquina trmica ser siempre inferior a la unidad debido a la limitacin de ceder calor a una fuente fra que impone el segundo principio de la Termodinmica. Este rendimiento ser ms prximo a 1, cuando menor sea la proporcin entre calor cedido frente a calor absorbido. (Q cedido nunca es cero)

En las mquinas trmicas con ciclo inverso conseguimos cambiar el sentido de flujo de calor, absorbiendo calor del foco fro y cedindolo al caliente gracias a un aporte exterior de trabajo. La idea de rendimiento de la mquina cambia, puesto lo que obtenemos de esta mquina es una absorcin de calor y no un trabajo como en la mquina directa.

La eficiencia de la mquina inversa tambin es conocida como coeficiente de efecto frigorfico.COP

La eficiencia de una mquina trmica inversa () se define como el cociente entre el calor absorbido por la mquina del foco fro y el trabajo absorbido por la mquina.

Por lo Tanto: W= Qcedido -Qabsorbido

Al contrario que el rendimiento de las mquinas directas, la eficiencia de las mquinas frigorficas no est limitada en 1, incluso es habitual que sea varias veces superior a uno.

En las aplicaciones en que se utiliza la mquina inversa como bomba de calor es decir, para calefaccin, aprovechamos el calor cedido al foco caliente. En este caso resulta ms til definir la eficiencia con respecto al calor cedido.

El coeficiente de calefaccin se define pues como el cociente entre el calor cedido y el trabajo absorbido por la mquina. El coeficiente de calefaccin es siempre superior la unidad