FISICA II

SEMANA 7

TERMODINÁMICA: SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CONTENIDO

• MAQUINAS TÉRMICAS• SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA• MAQUINAS TÉRMICAS• EFICIENCIA DE UNA MAQUINA

• Absorbe calor Qhot

• Realiza trabajo Wout

• Liberación de calor Qcold

Una máquina térmica es cualquier dispositivo que pasa por un proceso cíclico:

Dep. frío TC

Máquina

Dep. Caliente TH

Qhot Wout

Qcold

MÁQUINAS TÉRMICAS

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Es imposible construir una máquina que, al operar en un ciclo, no produzca efectos distintos a la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo

.

No sólo no puede ganar (1a ley); ¡ni siquiera puede empatar (2a ley)!

Wout

Dep. frío TC

Máquina

Dep. caliente TH

Qhot

Qcold

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Dep. frío TC

Máquina

Dep. caliente TH

400 J

300 J

100 J

• Máquina posible. • Máquina IMPOSIBLE.

Dep. frío TDep. frío TCC

Máquina

Dep. caliente TH

400 J 400 J

EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA

Dep. frío TDep. frío TCC

Máquina

Dep. caliente TDep. caliente THH

QH W

QC

La eficiencia de una máquina térmica es la razón del trabajo neto realizado W a la entrada de calor QH.

e = 1 - QC

QH

e = = W

QH

QH- QC

QH

EJEMPLO DE EFICIENCIA

Dep. frío TDep. frío TCC

MáquinMáquinaa

Dep. caliente TDep. caliente THH

800 J W

600 J

Una máquina absorbe 800 J y desecha 600 J cada ciclo. ¿Cuál es la eficiencia?

e = 1 - 600 J

800 J

e = 1 - QC

QH

e = 25%

Pregunta: ¿Cuántos joules de trabajo se realizan?

EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA IDEAL (máquina de Carnot)

Para una máquina perfecta, las cantidades Q de calor ganado y perdido son proporcionales a las temperaturas absolutas T.

e = 1 - TC

TH

e = TH- TC

THDep. frío TDep. frío TCC

MáquinMáquinaa

Dep. caliente TDep. caliente THH

QH W

QC

Ejemplo 3: Una máquina de vapor absorbe 600 J de calor a 500 K y la temperatura de escape es 300 K. Si la eficiencia real sólo es la

mitad de la eficiencia ideal, ¿cuánto trabajo se realiza durante cada ciclo?

e = 1 - TC

TH

e = 1 - 300 K

500 K

e = 40%

e real = 0.5ei = 20%

e = W

QH

W = eQH = 0.20 (600 J)

Trabajo = 120 J

REFRIGERADORES

Un refrigerador es una máquina que opera a la inversa: realiza trabajo sobre gas que extrae calor del depósito frío y deposita calor en el depósito caliente.

Win + Qfrío = Qcaliente

WIN = Qcaliente - Qfrío

Dep. frío TDep. frío TCC

Máquina

Dep. caliente TDep. caliente THH

Qhot

Qcold

Win

LA SEGUNDA LEY PARA REFRIGERADORES

Es imposible construir un refrigerador que absorba calor de un depósito frío y deposite igual calor a un depósito caliente con W = 0.

Si fuese posible, ¡se podría establecer movimiento perpetuo!

Dep. frío TC

MáquinMáquinaa

Dep. caliente TH

Qhot

Qcold

COEFICIENTE DE RENDIMIENTO (COP)

Dep. frío TDep. frío TCC

MáquinaMáquina

Dep. caliente TH

QH W

QC

El COP (K) de una máquina térmica es la razón del CALOR Qc extraído al TRABAJO neto realizado W.

K = TH

TH- TC

Para un refrigerador IDEAL:

QC

WK = =

QH

QH- QC

EJEMPLO DE COP

Un refrigerador de Carnot opera entre 500 K y 400 K. Extrae 800 J de un depósito frío cada ciclo. ¿Cuáles son COP, W y QH ?

Dep. frío TDep. frío TCC

Máquina

Dep. caliente TDep. caliente THH

800 J

WQH

500 K

400 K

K = 400 K400 K

500 K - 400 K500 K - 400 K

TC

TH- TC

=

COP (K) = 4.0

EJEMPLO DE COP (Cont.)A continuación se encontrará QH al suponer el mismo K para un refrigerador real (Carnot).

Dep. frío TDep. frío TCC

Máquina

Dep. caliente TDep. caliente THH

800 J

WQH

500 K

400 K

K =K = QC

QH- QC

QH = 1000 J

800 J800 J

QQHH - 800 J - 800 J=4.0

GRACIAS