La dirección de la transmisión de calor y la eficiencia de los motores térmicos están limitadas por la segunda ley de la termodinámica. La primera regla de la termodinámica dice que la energía del universo se mantiene constante, aunque la energía se transfiera a través de sistemas y entornos, pero no se genere ni se destruya.
Si bien la primera ley de la termodinámica brinda información sobre la cantidad de energía transferida en un proceso, no brinda información sobre la dirección de la transferencia de energía o la calidad de la energía transferida. La primera ley no explica cómo una barra metálica de temperatura uniforme puede calentarse en un extremo y enfriarse en el otro. La ley solo puede declarar que si el proceso ocurre, siempre habrá un balance de energía.
Parece que nunca nos hacemos más jóvenes. A pesar de lo mucho que queramos pudimos. Limpiamos nuestras habitaciones una vez y luego vuelven a ensuciarse en poco tiempo. Ciertas cosas solo funcionan de una manera y no de otra. La segunda ley de la termodinámica es el criterio para determinar si un proceso es factible. El primer y segundo principio de la termodinámica deben cumplirse para que se lleve a cabo un proceso. Pero, ¿qué dice exactamente? Veámoslo más.
Segunda Ley de la Termodinámica
Si alguna vez dejó caer un vaso y lo vio romperse, sabe que no hay forma de recuperar el vaso intacto. Este es el concepto de irreversibilidad. De acuerdo con la segunda regla de la termodinámica, la energía térmica no se puede transferir de una temperatura más baja a una temperatura más alta sin la adición de energía. Esta es la razón por la que operar un acondicionador de aire durante un período de tiempo prolongado es costoso.
De acuerdo con la segunda regla de la termodinámica, cualquier evento que ocurra espontáneamente siempre dará como resultado un aumento en la entropía del universo. En términos básicos, la ley establece que la entropía de un sistema aislado nunca disminuirá con el tiempo.
La entropía general de un sistema y su entorno permanece constante en algunos casos en los que el sistema está en equilibrio termodinámico o pasa por un proceso reversible. La Ley de Entropía Incrementada es otro nombre para la segunda ley.
Diferentes declaraciones para la termodinámica de la segunda ley
- Declaración de Kelvin-Planck
Es difícil convertir todo el calor emitido por un cuerpo calentado en trabajo. El material de trabajo de una máquina térmica absorbe el calor de un cuerpo caliente, transforma una parte en trabajo y devuelve el resto al cuerpo frío. Ningún motor puede transformar todo el calor de la fuente en trabajo sin desperdiciar calor. Esto indica que se requiere un fregadero para obtener un trabajo continuo.
- Declaración de Clausius
Es imposible construir una tecnología que pueda transmitir calor de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente sin desperdiciar energía. En otras palabras, el refrigerador no funcionará a menos que el compresor esté alimentado por una fuente externa. La afirmación de Clausius es utilizada por bombas de calor y refrigeradores.
Equivalencia de dos declaraciones:
Un frigorífico, por ejemplo, puede transferir una cierta cantidad de calor de un cuerpo frío a uno caliente sin necesidad de energía externa. Como resultado, se viola la afirmación de Clausius. Suponga que una máquina que opera entre los mismos cuerpos fríos y calientes absorbe calor del cuerpo caliente, transforma una porción W en trabajo y luego transfiere el calor restante al cuerpo frío.
El motor no rompe la segunda ley de la termodinámica por sí solo. Cuando el motor y el refrigerador funcionan juntos, crean un mecanismo que absorbe todo el calor del cuerpo caliente y lo transforma en trabajo sin sacrificar nada del calor del cuerpo frío. Se viola la afirmación de Kelvin-Planck. Como resultado, podemos concluir que las dos versiones de la segunda ley de la termodinámica son equivalentes en todos los sentidos.
Ecuación de la Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica se expresa matemáticamente como;
ΔS univ > 0
Aquí, ΔS univ es un cambio en la entropía del universo.
Veamos la definición de entropía y cómo se relaciona con la segunda regla de la termodinámica. La entropía de un sistema se define como el número de cambios que ha sufrido desde su estado anterior hasta su estado actual. Como resultado, la entropía suele expresarse como un cambio en la entropía del sistema indicado por ∆S. Si se debe medir el valor de la entropía en un estado dado del sistema, entonces al estado del sistema previamente elegido se le asigna un valor de entropía cero.
Un proceso isoentrópico es aquel en el que la entropía del sistema permanece constante a lo largo del tiempo. La entropía del sistema tanto en el estado inicial como en el final permanece constante durante el proceso isoentrópico. Como resultado, el valor de S=0 durante el proceso isoentrópico. Es solo un proceso ideal que ocurra el proceso isoentrópico reversible. En la práctica, cada vez que ocurre un cambio en el estado del sistema, la entropía del sistema aumenta.
Causas del aumento de entropía del sistema cerrado:
- La masa de un sistema cerrado permanece constante, aunque puede intercambiar calor con su entorno. Cualquier cambio en el contenido de calor del sistema provoca una perturbación que tiende a elevar la entropía del sistema.
- Hay una perturbación dentro del sistema debido a cambios internos en los movimientos de las moléculas del sistema. Esto conduce a irreversibilidades internas ya un aumento de la entropía del sistema.
Máquina de movimiento perpetuo de segundo tipo (PMM2)
Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es un dispositivo que crea trabajo mientras interactúa con un solo depósito de calor (PMM2). Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es también un artilugio que define la segunda ley de la termodinámica.
Depósito de calor único
Para crear trabajo en un ciclo, una máquina térmica debe interactuar con al menos dos depósitos térmicos a diferentes temperaturas. La fuerza motriz puede generarse siempre que exista un diferencial de temperatura. La máquina térmica creará trabajo hasta que la temperatura de los dos cuerpos se iguale si los cuerpos con los que intercambia calor tienen una capacidad calorífica limitada.
Motor térmico
Problemas de muestra
Pregunta 1: Una bomba de calor utiliza 500 J de trabajo para extraer 200 J de calor del depósito de baja temperatura. ¿Cuánto calor se entrega a un depósito de mayor temperatura?
Responder:
Dado:
Trabajo, W = 500 J
Calor eliminado, Q C = 200 J
Calor entregado, Q H = W + Q C
Q H = 500 J + 200 J
Q H = 700 J
Por lo tanto, el calor entregado al depósito de mayor temperatura es de 700 J.
Pregunta 2: ¿Qué implica la segunda ley de la termodinámica?
Responder:
Es imposible convertir todo el calor en trabajo, es decir, el 100 % de eficiencia es imposible ya que daría como resultado un cambio negativo en la entropía del universo, lo que viola la Segunda Ley de la Termodinámica.
Pregunta 3: Para la conversión de calor en trabajo, se requiere un sumidero o un mecanismo que rechace el calor. ¿En qué ley se basa la inferencia anterior?
Responder:
Para la conversión de calor en trabajo, se requiere un sumidero o un mecanismo que rechace el calor. De lo contrario, la entropía del universo no cambiará de manera beneficiosa. De acuerdo con la segunda regla de la termodinámica, esto es necesario.
Pregunta 4: Indique la segunda ley de la termodinámica en términos de entropía.
Responder:
La segunda ley de la termodinámica en términos de entropía se puede establecer como:
Todo cambio espontáneo o natural aumenta la entropía del cosmos. El movimiento de calor en un sistema siempre es natural de una temperatura más alta a una temperatura más baja. Es imposible que el calor se mueva de un sistema de temperatura más baja a uno de temperatura más alta. Todo el calor proporcionado al sistema en un proceso cíclico no puede convertirse en trabajo.
Pregunta 5: Dé algunos ejemplos de la segunda ley de la termodinámica.
Responder:
Algunos ejemplos de la segunda ley de la termodinámica se dan como:
- El café caliente se enfría automáticamente.
- El aire se escapa del globo por sí solo.
- Un objeto cae al suelo por sí solo.
- Dos gases se mezclarán automáticamente por su cuenta.
- Un gas ocupa todo el volumen del recipiente.
- El agua siempre fluye desde un nivel superior al nivel inferior.
- El hielo se derrite automáticamente.