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Energía Térmica (Q )

Energía térmica o calor de un sistema, es la energía que fluye de un cuerpo a otro cuerpo debido a la diferencia de sus temperaturas. El calor siempre fluye de un cuerpo de mayor temperatura a menor temperatura. Dos objetos están en equilibrio térmico cuando tienen la misma temperatura. La Termodinámica es la rama de la física que se encarga del estudio del movimiento de la energía.

Por sistema se entiende un grupo bien definido de átomos, moléculas, partículas u objetos. El sistema puede ser el vapor de una máquina de vapor, toda la atmósfera terrestre, un organismo vivo. Lo importante es distinguir lo que está dentro de un sistema y lo que está fuera de un sistema.

Energía interna de un objeto (U)

Corresponde a la energía total contenida en un sistema. Cuanto mayor sea la temperatura de un objeto, mayor es su energía interna.

Nota: Un cuerpo puede aumentar su energía interna sin recibir calor, siempre que reciba alguna otra forma de energía. Cuando por ejemplo, se agita una botella con agua, su temperatura se eleva a pesar de que el agua no haya recibido calor.

Para este estudio, no vamos a cuantizar la energía interna de un sistema, sino que sus

variaciones, por lo que hablaremos de UΔ .

Primera ley de la termodinámica

Esta ley es equivalente a la ley de la conservación de la energía, la cual establece que “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Cuando cierta cantidad de calor Q es absorbida (Q positivo), o cedida (Q negativo) por un sistema, y un trabajo W es realizado por dicho sistema (W positivo) o sobre él (W negativo), la variación del sistema está dada por:

U Q WΔ = −

La primera ley es un principio general que no se ocupa de la estructura interna del sistema mismo. Sean cuales fueren los detalles del comportamiento molecular del sistema, la energía térmica que se agregue sólo tiene dos funciones: aumentar la energía interna del sistema, o permitir que el sistema efectúe trabajo externo, o ambas funciones al mismo tiempo.

Proceso adiabático

Un proceso adiabático es aquel que no transfiere calor hacia el interior ni hacia el exterior del sistema. Esta condición se satisface en un sistema térmicamente aislado, rodeado totalmente por un aislante “perfecto” (por lo tanto, se trata de una situación ideal). Pueden efectuarse procesos casi adiabáticos si los procesos son lo bastante rápidos y no hay tiempo para que una cantidad significativa de calor entre en el sistema o salga de él.

Entonces, en una compresión o expansión de un gas que se ejerce adiabáticamente los cambios de energía interna son iguales al trabajo realizado sobre o por el sistema:

U WΔ = −

Por ejemplo, en el caso de un gas, si efectuamos trabajo sobre un sistema comprimiéndolo, aumenta su energía interna: aumentamos su temperatura. Si el sistema efectúa trabajo, su energía interna disminuye: se enfría. Cuando un gas se expande adiabáticamente, realiza trabajo sobre sus alrededores y cede energía interna a medida que se enfría.

Meteorología y la primera ley

Los meteorólogos utilizan la termodinámica para estudiar el clima, expresando la primera ley como: la temperatura del aire aumenta al agregarle calor o al aumentar su presión.

Algunos procesos atmosféricos en los cuales la cantidad de calor agregado o sustraído es muy pequeña, y se considera un proceso adiabático. A ellos se les aplica la forma adiabática de la primera ley: la temperatura del aire sube (o baja) conforme se incrementa (o disminuye) la presión. Esto se produce en partes de aire llamadas parcelas o masas, cuyas dimensiones van de decenas de metros a kilómetros, de manera que las partes externas de la parcela no se mezclan con las partes internas durante los minutos u horas que pueden existir. Por ejemplo, a medida que una masa sube por el lado de una montaña baja su presión, por lo cual se expande y se enfría. Si la masa sigue estando más fría que el aire a su alrededor seguirá subiendo. Si se enfría más que sus alrededores descenderá.

En ciertas condiciones, grandes masas de aire frío bajan y permanecen a baja altitud, y el resultado es que el aire que está a arriba de ellas está más caliente, esto se conoce como inversión de temperatura.

Leyes de la Termodinámica Unidad 2: Leyes de la Termodinámica Profesora: Elizabeth Villanueva Nombre: …………………………………… Curso: IV…

T e r m o d i n á m i c a |  Página    2     En la figura 1 y 2, la capa de humo sobre el lago indica que hay una inversión de temperatura. El aire que está arriba del humo está más caliente que el humo, atrapándolo.

Figura 1: Inversión térmica

Figura 2: Las inversiones de temperatura atrapan el smog y otros con contaminantes

Diagrama p x V

Como resumen, es posible reconocer las transformaciones de un gas ideal en un diagrama de volumen y temperatura:

1) Proceso isotérmico: Es un proceso a temperatura

constante. En el caso de un gas ideal, 0UΔ = en un proceso isotérmico. Sin embargo para muchos otros sistemas, esta condición no se cumple (por ejemplo,

0UΔ ≠ cuando el hielo se funde a 0°C, aún cuando el proceso es isotérmico). La primera ley se transforma en:

2 21 1 1 1

1 1

2,30V VQ W pV ln pV logV V⎛ ⎞ ⎛ ⎞

= Δ = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Figura 3

2) Proceso isobárico: Es un proceso que se realiza a presión constante. El trabajo realizado sobre un gas ideal es:

2 1( )W p V p V VΔ = Δ = −

Por lo que la primera ley de la termodinámica queda:

Q U p V= Δ + Δ

Figura 4: Diagrama p x V isoterma

3) Proceso isovolumétrico (o isocórico, o isométrico): Es un proceso que se realiza a volumen constante. Cuando un gas realiza este proceso:

0W p VΔ = Δ =

Por lo que la primera ley de la termodinámica se vuelve:

Q UΔ = Δ

Cualquier calor que fluya dentro del sistema aparecerá como un incremento en la energía interna del sistema.

Figura 5: Diagrama p x V isometría

T e r m o d i n á m i c a |  Página    3    4) Proceso adiabático: Aquel proceso donde no se transfiere calor hacia o desde el sistema:

0U WΔ +Δ =

Figura 6: Diagrama p x V adiabata

La presión y el volumen en dos puntos cualesquiera de una adiabata están relacionados por:

1 1 2 2pV p Vγ γ=

El trabajo efectuado por un gas ideal durante un proceso adiabático es:

1 1 2 2

1adiabáticopV p VWγ−

=−

Donde γ es la razón entre los

calores específicos molares del gas, cuyos valores son 1,66 para gases monoatómicos y 1,40 para gases diatómicos.

Nota: Para cualquier tipo de expansión o compresión de un gas, el trabajo está relacionado con el área en

un diagrama V p× . El trabajo efectuado por un

fluido en una expansión es igual a la magnitud del área comprendida bajo la curva de expansión en un diagrama V p× .

En un proceso cíclico, el trabajo generado por cada ciclo efectuado por un fluido es igual a la magnitud del área encerrada por el ciclo en un

diagrama V p× .

Ejercicios

1. Además de la energía cinética molecular, ¿qué contribuye a la energía interna de una sustancia? 2. ¿Cómo se relaciona la ley de la conservación de la energía con la primera ley de la termodinámica? 3. Cuando un sistema intercambia energía con su vecindad: a) Si el sistema absorbe calor, ¿su energía interna tenderá a aumentar o a disminuir? ¿Q deberá positivo o negativo?

b) Si el sistema libera calor, ¿su energía interna tenderá a aumentar o a disminuir? ¿Q deberá ser positivo o negativo? c) Si el sistema realiza trabajo, ¿su energía interna tenderá a aumentar o a disminuir? ¿Consideramos W positivo o negativo? d) Si se realiza trabajo sobre el sistema, ¿su energía interna tendería a aumentar o a disminuir? ¿Consideramos W positivo o negativo? 4. Un sistema sufre una transformación en la cual absorbe 50cal de energía térmica y se expande realizando un trabajo de 320J. a) ¿cuál es en joules, el calor absorbido por el sistema? (Considere 1cal= 4,2J) b) Calcule la variación de energía interna que experimentó el sistema 5. Un gas contenido en un cilindro provisto de pistón, se expande al ponerlo en contacto con una fuente de calor. Se observa que la energía interna del gas no varía. El trabajo realizado por el gas, ¿Es mayor, menor o igual al calor absorbido? 6. En la figura se representa un gas que se expande rápidamente. Suponga que el trabajo realizado por él fue W=250J.

Figura 7: Ejercicio 6

a) Si la expansión es muy rápida, ¿qué se puede decir acerca de la cantidad de calor, Q, que el gas intercambia con la vecindad? ¿Cómo se denomina está expansión?

b) ¿Cuál es la variación UΔ de la energía interna del gas? c) ¿La energía interna del gas aumentó, disminuyó o no se alteró? d) ¿La temperatura del gas aumentó, disminuyó o no cambió? 7. Suponga que un gas, al expandirse, absorbe una cantidad de calor Q=150cal y realiza un trabajo W=630J. a) Exprese el valor de Q en joules. b) ¿Cuál fue la variación de energía interna del gas? c) ¿La energía interna del gas aumentó, disminuyó o no varió? ¿Y su temperatura? d) ¿cómo se denomina esta transformación? 8. Durante un partido de baloncesto, usted perdió 6,5×10!𝐽 de calor, y su energía interna disminuyó en 1,2×10!𝐽. ¿Cuánto trabajo efectuó durante el partido? 9. ¿Qué condición es necesaria para que un proceso sea adiabático? 10. Cuando el aire se comprime con rapidez, ¿por qué aumenta su temperatura?

T e r m o d i n á m i c a |  Página    4    11. ¿Cómo enuncian la primera ley de la termodinámica los meteorólogos? 12. ¿Cómo gana calor la atmósfera? ¿De qué manera puede perder calor? 13. En general, ¿qué le sucede a la temperatura del aire que sube? ¿Y a la del aire que baja? 14. ¿Qué es una inversión de temperatura? 15. ¿Los procesos adiabáticos sólo se aplican a los gases? 16. Una muestra de helio se expande al triple de su volumen inicial; en un caso lo hace adiabáticamente, y en otro isotérmicamente. En ambos casos, parte del mismo estado inicial. La muestra contiene 2moles de helio a 20°C y 1atm. ¿Durante qué proceso efectúa más trabajo el gas? 17. Un gas ideal, que inicialmente está a temperatura

0T , presión 0p y volumen 0V , se comprime a la

mitad de su volumen inicial. Como se muestra en la figura, el proceso 1 es adiabático, el 2 es isotérmico y el 3 es isobárico. Ordene el trabajo efectuado sobre el gas durante los tres procesos, de mayor a menor, y explique su ordenamiento.

Figura 8: Ejercicio 18

18. Un gas ideal se somete a los procesos reversibles que se muestran en la figura. a) ¿Cuáles son estos procesos? b) ¿Cómo es el cambio de energía interna del gas? c) ¿Cuánto trabajo efectúa el gas, o se efectúa sobre él? d) ¿Cuánto calor neto se transfiere en el proceso total? 19. Un gas a baja densidad tiene una presión inicial de 1,65×10!𝑃𝑎 y ocupa un volumen de 0,20m3. La lenta adición de 8,4×10!𝐽 de calor al gas hace que se expanda isobáricamente hasta un volumen de 0,40m3.

a) ¿Cuánto trabajo efectúa el gas durante el proceso?

b) ¿Cambia la energía interna del gas? ¿Cuánto? 20. Una cantidad fija de gas experimenta los cambios

reversibles ilustrados en el diagrama V p× de la

figura: a) ¿Cuánto trabajo se efectúa en cada proceso? b) Suponga que después del proceso final, la presión

del gas se reduce isométricamente de 51,0 10 Pa× y

luego el gas se comprime isobáricamente de 31,0m a 30,80m . Calcule el trabajo total efectuado en todos

estos procesos. Figura 9: Ejercicio 20

21. Un gas se comprime como se muestra en el diagrama. ¿Cuál es el signo y la magnitud del trabajo efectuado?

Figura 10: Ejercicio 21

22. Un mol de gas ideal se somete al proceso cíclico de la figura.

Figura 11: Ejercicio 22

a) Calcule el trabajo que interviene en cada uno de los cuatro procesos.

b) Determine UΔ , W y Q para el ciclo completo. c) Determine 3T

23. Un recipiente rígido contiene 1,0 moles de un gas

ideal que recibe lentamente 42,0 10 J× de calor.

T e r m o d i n á m i c a |  Página    5    a) ¿Qué signo tiene el trabajo efectuado por el gas? ¿Por qué? b) ¿Cómo cambia la energía interna del gas? 24. Mientras efectúa 500J de trabajo, un sistema de gas ideal se expande adiabáticamente a 1,5 veces su volumen. a) ¿Qué le sucede a la temperatura del gas? ¿Por qué? b) ¿Cuánto cambia la energía interna del gas? 25. En cierto proceso, 8000cal de calor son suministradas a un sistema mientras que éste efectúa un trabajo de 6000J. ¿en cuánto cambio la energía interna del sistema durante el proceso? (Considere 1cal= 4,184J) 26. Si una cierta masa de agua cae una distancia de 854 metros y si se supone que toda la energía se aprovecha para calentar el agua, ¿cuál sería el incremento en la temperatura del líquido? 27. ¿Cuánto trabajo realiza un gas en una expansión isotérmica desde un volumen inicial de 3 litros a 20 atm hasta un volumen final de 24 litros? Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica es un principio ya conocido por nosotros: “el calor siempre fluye de un objeto caliente a uno frío”. Establece qué procesos de la naturaleza pueden ocurrir y cuáles no, determinando que hay procesos que naturalmente son irreversibles (ocurren en una sola dirección).

Máquinas térmicas

Una máquina térmica es cualquier dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía, como la energía mecánica y/o eléctrica, por ejemplo, una máquina de vapor o los motores de los automóviles.

Un planteamiento equivalente de la segunda ley tiene que ver con ciclos térmicos. Un ciclo térmico consiste en varios procesos térmicos distintos después de los cuales el sistema queda en las mismas condiciones (lo que genera un proceso casi reversible o cuasiestáticos). Si el sistema es un gas, esto es el mismo estado p-V-T del que partió. La segunda ley, planteada en términos de un ciclo térmico es “en un ciclo térmico, la energía calorífica no puede transformarse completamente en trabajo mecánico”.

Para construir máquinas cíclicas se debe tener entrada de energía por trabajo. La máquina térmica como dispositivo práctico hace que una sustancia realize trabajo (como un gas) recorriendo un proceso cíclico durante el cual:

• Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura

• La máquina realiza un trabajo

• Libera calor a una fuente a temperatura más baja Figura 13: Máquina térmica

La máquina representada por el círculo en el centro del diagrama absorbe cierta cantidad de calor Qc (caliente) tomado de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor QF (frío) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial es la misma, por lo que

0UΔ = . Por lo tanto, en trabajo queda determinado como:

c F

C F

Q W QW Q Q

= +

= −

Por ejemplo, la máquina de vapor transforma calor en energía mecánica.

Figura 14: Máquina de vapor

Eficiencia

La eficiencia de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo

1c F F

c c c

Q Q QWeQ Q Q

−= = = −

T e r m o d i n á m i c a |  Página    6     Una máquina térmica es 100% eficiente sólo si QF =0, es decir, si no libera calor a la fuente fría y todo el calor se transforma en trabajo. Lo real es que las máquinas térmicas transforman sólo una pequeña parte del calor en trabajo mecánico.

En general, la segunda ley de la termodinámica es válida para todas las formas de energía. Se le considera cierta porque nadie ha encontrado una excepción. Si no fuera válida, sería posible construir una máquina de movimiento perpetuo. Una máquina asó podría transformar primero totalmente calor en trabajo y movimiento (energía mecánica), sin pérdida de energía. Luego, la energía mecánica podría transformarse otra vez en calor y utilizarse para calentar el depósito del cual se obtuvo originalmente el calor (también sin pérdidas). Puesto que los procesos se podrían repetir indefinidamente, la máquina operaría perpetuamente, trnasformando la energía de una forma a otra. No se pierde ni se gana energía neta, así que esta situación no viola la primera ley. Sin embargo, todas las máquinas reales tienen una eficiencia menor que el 100%, es decir, el trabajo producido es siempre menor que la energía aportada. La segunda Ley se puede plantear como “Es imposible construir una máquina funcional de movimiento perpetuo”.

Ciclo de Carnot

Nicolás Carnot demostró que la máquina térmica más eficiente sería la que opere en un ciclo ideal reversible entre dos fuentes de calor, realizando una expansión isotérmica, seguido por una expansión adiabática, compresión isotérmica y comprensión adiabática. Está máquina fue llamada máquina de Carnot, y puede operar como una máquina térmica o como un refrigerador. Toda máquina real es menos eficiente que una máquina de Carnot, debido a que no funcionan a través de un ciclo reversible, y porque existe pérdida de energía a través de fricción y conducción de energía.

Figura 15: Diagrama p x V Ciclo de Carnot

La eficiencia en un ciclo de Carnot está dada por la expresión, y también corresponde a la eficiencia ideal de cualquier proceso térmico.

1 Fc

c

TeT

= −

Bombas térmicas

El término bomba de calor es genérico, y se aplica a cualquier dispositivo, incluidos refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor, que transfiere energía calórica de un depósito de baja temperatura a uno de ata temperatura. Para que se efectúe una transferencia así, es necesario aportar trabajo. Como la segunda ley de la termodinámica dice que es imposible que el calor fluya de menor temperatura a mayor, es necesario aportar los medios para que se efectúe este proceso, es decir, obtener trabajo del entorno.

Figura 16.a : bomba térmica

Figura 16.b: Aire acondicionado

Un ejemplo conocido de bomba térmica es el refrigerador. El refrigerante (medio de transferencia de calor) es una sustancia con punto de ebullición relativamente bajo (como el freón, -29,8°C a 1atm, pero ha sido reemplazado por otros refrigerantes, pues este destruye la capa de ozono).

Figura 17: Estructura rfrigerador

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Para entender el funcionamiento del refrigerador, se transfiere calor por un lado alto y uno bajo (en cuanto a temperatura y presión). En el lado bajo, se transfiere calor a los tubos del evaporador desde el interior del refrigerador. El calor hace que el refrigerante hierva y se lleve el calor como calor latente de vaporización. La carrera del pistón introduce el calor gaseoso en la cámara compresora, donde la carrera ascendente lo comprime (el motor de la compresora aporta el trabajo necesario). La compresión aumenta la temperatura del gas, que sale de la compresora como vapor supercalentado (al lado alto). Este vapor se condensa en la unidad condensador del enfriador, donde aire circulante (o agua) se lleva el calor latente de condensación y la energía interna debida al trabajo efectuado durante la compresión. Entonces el líquido condensado se junta en un colector. Una válvula de expansión mantiene un equilibrio entre los lados alto y bajo, controlando así la rapidez con que el refrigerante regresa al lado bajo. Al ser admitido al lado bajo, el líquido inmediatamente se vaporiza debido a la baja presión. Esta etapa es un proceso de enfriamiento, porque la energía interna del líquido proporciona el calor de vaporización. El refrigerante enfriado se succiona hacia el evaporador, y el ciclo se inicia de nuevo.

Figura 18: Diagrama refrigerador

En resumen, un refrigerador bombea calor contra un gradiente de temperatura.

Ciclo de Otto

En cada ciclo de un motor de gasolina se presentan 6 procesos. En esta explicación considere el interior del cilindro arriba del pistón, como el sistema que se lleva a través de ciclos repetidos en el funcionamiento del motor. Para un ciclo determinado, el pistón se mueve arriba y abajo dos veces, lo que representa un ciclo de 4 tiempos. La representación de su funcionamiento se puede modelar aproximadamente como el ciclo de Otto.

Figura 19: Diagrama p x V Ciclo de Otto

• Durante el tiempo de admisión (O à A) el pistón se mueve hacia abajo y una mezcla gaseosa de aire y combustible entra al cilindro del pistón a presión atmosférica. En el proceso el volumen aumenta de V2 a V1. Esta es la parte de entrada de energía en el ciclo: la energía entra al sistema (interior del cilindro) por transferencia de materia como energía potencial almacenada en el combustible. • Durante el tiempo de compresión (A àB) se comprime adiabáticamente la mezcla de aire y

T e r m o d i n á m i c a |  Página    8    combustible del volumen V1 a V2 y la temperatura aumenta de TA a TB • En el proceso BàC la combustión se presenta cuando la bujía produce chispa. Este no es uno de los tiempos del ciclo porque se presenta en un intervalo de tiempo muy breve mientras el pistón está en su posición más alta. La combustión representa una transformación rápida de energía potencial, almacenada en enlaces químicos en el combustible, a energía interna asociada con movimiento molecular, que se relaciona con temperatura. Durante este intervalo de tiempo, la presión y temperatura de la mezcla aumentan rápidamente, y la temperatura se eleva de TB TC. Sin embargo, el volumen permanece aproximadamente constante debido al breve intervalo de tiempo. Como resultado, casi no se realiza trabajo en O por el gas. Este proceso se puede representar en el diagrama PV como aquel proceso en el que la energía QC entra al sistema. (No obstante, en realidad, este proceso es una conversión de energía en el cilindro del proceso O—> A.) • En el tiempo de trabajo C à D el gas se expande adiabáticamente de V2 a V1. Esta expansión causa la caída de temperatura de TC a TD. El gas realiza trabajo al empujar el pistón hacia abajo y el valor de este trabajo es igual al área bajo la curva CD • En el proceso D à A, una válvula de escápe se abre conforme el pistón alcanza la parte más baja de su viaje y la presión cae súbitamente durante un breve intervalo de tiempo. Durante este intervalo el pistón está casi fijo y el volumen es aproximadamente constante. Desde el interior del cilindro se expulsa energía y continúa expulsándose durante el siguiente proceso. • En el proceso final, la fase de escape Aà O el pistón se mueve hacia arriba mientras la válvula de escape permanece abierta. Los gases residuales se expulsan a presión atmosférica y el volumen disminuye de V1 a V2. Después el ciclo se repite.

Si la mezcla aire-combustible se supone como un gas ideal, la eficiencia del ciclo de Otto es

11 2

11( / )

eV V γ −= −

donde V1/V2 es la relación de compresión y γ es la relación de los calores específicos molares de la mezcla combustible-aire. La ecuación muestra que la eficiencia aumenta conforme la relación de compresión aumenta. Para una relación de compresión representativa de 8 con 1,4γ = , la ecuación predice una eficiencia teórica de 56% para un motor que funciona en el ciclo de Otto idealizado. Este valor es mucho mayor que el logrado en los motores reales (15% a 20%) debido a efectos como fricción, transferencia de energía por conducción a través de las paredes del cilindro y combustión incompleta de la mezcla aire-combustible.

Los motores diesel operan en un ciclo similar al ciclo de Otto, pero no emplean bujía. La relación de compresión para un motor diesel es mucho mayor que el de un motor de gasolina. El aire en el cilindro se comprime a un volumen muy pequeño y, como consecuencia, la temperatura del cilindro al final del tiempo ele compresión es muy alta. En este punto, el combustible se inyecta en el cilindro. La temperatura es lo suficientemente alta como para que la mezcla combustible-aire se encienda sin la ayuda de una bujía. Los motores diesel son más eficientes que los motores de gasolina debido a sus mayores relaciones de compresión y las mayores temperaturas de combustión resultantes.

Figura 20: Etapas Ciclo de Otto

Entropía y la segunda ley de la termodinámica

Rudolf Clausius, físico alemán fundador de la termodinámica, establece el segundo principio de la termodinámica desde el punto de vista de una máquina térmica en términos de una cantidad llamada entropía (S), en relación a como la energía útil de una máquina se transforma en otro tipo de energía. En 1878, Boltzman reformuló el concepto diciendo que la entropía es una medida del desorden del universo.

La entropía es un concepto multifacético, con muchas interpretaciones físicas distintas:

• La entropía es una medida de la capacidad de un sistema para efectuar trabajo útil.

• La entropía determina la dirección el tiempo. Es la “flecha del tiempo” que indica el flujo hacia delante de los sucesos y distingue los sucesos pasados de los futuros.

• La entripía es una medida del desorden. Cuanto más orden hay, más baja es la entropía del sistema.

Para un proceso cuasiéstatico entre dos estados de equilibrio, si Q es el calor absorbido o liberado por el sistema durante algún intervalo

pequeño de la trayectoria, el cambio de entropía SΔcuando un proceso reversible a temperatura constante le añade o quita una cantidad de calor Q es:

QST

Δ =

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• Si el sistema absorbe calor, Q es positivo y la entropía aumenta.

• Si el sistema libera calor, Q es negativo y la entropía disminuye.

• Si 0SΔ = será un proceso ideal. Los

procesos reales tienen 0SΔ >

De acuerdo a esto, la segunda ley indica que la entropía total de cualquier sistema más la de sus alrededores aumenta como resultado de cualquier proceso natural., es decir “la entropía total del Universo aumento”. Tercera ley de la termodinámica De la eficiencia de la máquina de Carnot, es posible tener 100%ce = si FT es cero absoluto. Sin

embargo, nunca se ha llegado al cero absoluto, aunque experimentos a ultra-bajas temperaturas (criogénicos) han llegado a 20nK de esa marca. Al parecer, es imposible reducir la temperatura de un sistema que ya está cercano al cero absoluto en un número finito de pasos. Un planteamiento sencillo de la tercera ley de la termodinámica es “es imposible llegar al cero absoluto en un número finito de procesos térmicos”.

Ejercicios

28. ¿Cómo se relaciona la segunda ley de la termodinámica con la dirección del flujo de calor?

29. ¿Cuáles son los tres procesos que suceden en cualquier máquina térmica?

30. ¿Exactamente que es la contaminación térmica?

31. ¿Cómo se relaciona la segunda ley con las máquinas térmicas?

32. ¿Por qué es tan esencial la parte de la condensación en el ciclo de las turbinas de vapor?

33. Menciona un ejemplo de la diferencia entre la energía de alta calidad y energía de baja calidad, en términos de la energía organizada y desorganizada.

34. ¿Cómo se puede enunciar la segunda ley en términos de la energía de alta calidad y la energía de baja calidad?

35. Con respecto a los estados ordenados y desordenados, ¿qué tienden a hacer los sistemas naturales? ¿Un estado desordenado se puede transformar alguna vez en estado ordenado? Explica cómo.

36. Una máquina transfiere 2000J de energía de un depósito caliente durante un ciclo y transfiere 1500J conforme expulsa a un depósito frío:

a) Encuentre la eficiencia de la máquina. (Sol: 25%)

b) ¿Cuánto trabajo realiza esta máquina en un ciclo? (Sol: 500J)

37. El motor de un automóvil nuevo tiene una eficiencia de 25% y produce un promedio de 2.500J de trabajo mecánico por segundo cuando está funcionando. ¿cuál es la producción de calor por segundo de este motor? (Sol: 7.500J/s)

38. Una máquina de vapor tiene un calentador que funciona a 500K. La energía del combustible quemado cambia el agua líquida a vapor, y este vapor después impulsa un pistón. La temperatura del depósito frío es la del aire exterior, aproximadamente 300K. ¿Cuál es la eficiencia térmica de la máquina de vapor? (Sol: 40%)

39. Un ingeniero está diseñando una máquina de calor térmica que operará entre las temperaturas de 150 y 27°C: a) ¿Qué eficiencia máxima teórica puede

alcanzar? (Sol: 29,1%) b) Supongamos que la máquina, una vez

construida, realiza en cada ciclo 100J de trabajo con un aporte de 500J de calor. ¿Qué eficiencia tiene y qué tan cercana es a la eficiencia de Carnot? (Sol: 20%. La máquina opera al 68,7% de su máximo teórico)

40. Una máquina de vapor opera entre 100 y 300ºC. ¿Qué eficiencia de Carnot tiene la máquina ideal que opera entre estas temperaturas?

41. ¿Qué temperatura tiene el depósito caliente de una máquina de Carnot ue tiene una eficiencia del 30% y un depósito frío a 20ºC?

42. Una máquina de Carnot con una eficiencia del 40% opera con un depósito de baja temperatura a 50ºC y despide 1200J de calor en cada ciclo. Calcule:

a) El aporte de calor por ciclo b) La temperatura Celsius del depósito

de alta temperatura 43. Un refrigerador rechaza hacia el ambiente

una cantiad de calor Q1=800 cal durante cierto intervalo.

a) En es eintervalor, ¿la cantidad de calor Q2 que el aparato retira de su interior es mayor, menor o igual a 800 cal?

b) Suponiendo que el refrigerador tiene una eficiencia e=3, calcule el valor de Q2. (Sol: 600cal)

44. ¿Cuánto cambia la entropía de 0,25kg de alcohol etílico cuando se vaporiza en su punto de ebullición de 78°C (

51,0 10 /VL J kg= × ) (Sol: 71J/K)

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45. ¿Cuánto cambia la entropía de 500g de vapor de mercurio (𝐿! = 2,7×10!"𝐽/𝑘𝑔) al condensarse en su punto de ebullición de 357ºC?

46. Durante un cambio de fase líquida a sólida de una sustancia, el cambio de entropía es de −4,19×10!𝐽/𝐾. Si se extrae 3,0×10!𝐽 de calor en este proceso, ¿qué punto de congelación tiene la sustancia en grados Celsius?

47. En invierno, el calor de una casa cuya temperatura interior es de 18ºC se fuga a razón de 2,0×10!𝐽 cada segundo. Si la temperatura exterior es de 0ºC, cuánto disminuye la entropía de la casa cada segundo?

48. Un cubo de hielo de 50g a 0ªC se coloca en 500mL de agua a 20ºC. Calcule el cambio de entropía una vez que se haya derretido el hielo:

a) Para el hielo b) Para el agua c) Para el sistema hielo-agua

Referencias

Física Conceptual, Paul G. Hewitt, Décima edición, Editorial Pearson. Física General, Beatriz Alvarenga y Antonio Máximo, Cuarta edición, Editorial Oxford. Física, Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa y Bo Lou, Quinta Edición, Editorial Pearson. Física General, Frederick J. Bueche, Tercera edición (en español) colección Schaum, Editorial McGraw-Hill.