SEGUNDO PRINCIPIO
SEGUNDO PRINCIPIO
DE LA
DE LA
TERMODINAMICA
TERMODINAMICA
El tema de 2doEl tema de 2do principio es bien complicado. Formulas difíciles de usar, conceptosprincipio es bien complicado. Formulas difíciles de usar, conceptos antiintuitivo
antiintuitivos, etc. Encima no hay s, etc. Encima no hay de donde leerlo. Tampoco se los podés de donde leerlo. Tampoco se los podés preguntarpreguntar a tu papá o a tu tío o a
a tu papá o a tu tío o a tu primo porque ninguno se lo va a acordar. A lo sumo te vantu primo porque ninguno se lo va a acordar. A lo sumo te van a decir que se acuerdan que era un
a decir que se acuerdan que era un tema inentendible. Conclusión: Yo voy a tratartema inentendible. Conclusión: Yo voy a tratar de explicarte un poco como es
de explicarte un poco como es el asunto. Pero no esperes entender perfectamenteel asunto. Pero no esperes entender perfectamente este tema. Nadie entiende del todo bien
este tema. Nadie entiende del todo bien el 2do principio de la termodinámica. Parael 2do principio de la termodinámica. Para que puedas entender mejor, voy a hablarte del 2do
que puedas entender mejor, voy a hablarte del 2do principio en forma pocoprincipio en forma poco rigurosa. Eso quiere decir que puede haber cosas que no sean del todo
rigurosa. Eso quiere decir que puede haber cosas que no sean del todo correctas.correctas. O sea, sin hilar finito. Pero bueno, todo
O sea, sin hilar finito. Pero bueno, todo sea para que puedas tratar de entender unsea para que puedas tratar de entender un poco. Hecha estas aclaraciones, empiezo.
poco. Hecha estas aclaraciones, empiezo. CONCEPTO DE 2DO PRINCIPIO
CONCEPTO DE 2DO PRINCIPIO
El 2do principio de la termodinámica tiene 20 formas diferentes de ser enunciado. El 2do principio de la termodinámica tiene 20 formas diferentes de ser enunciado. Te digo alguno de esos enunciados.
Te digo alguno de esos enunciados. 1 – El
1 – El trabajo se puede transformar totalmente en calor. El calor no trabajo se puede transformar totalmente en calor. El calor no puede serpuede ser transformado totalmente en trabajo.
transformado totalmente en trabajo. 2 – El
2 – El calor pasa siempre de los cuerpos de mayor temperatura a calor pasa siempre de los cuerpos de mayor temperatura a los cuerpos delos cuerpos de menor temperatura.
menor temperatura. 3 – El
3 – El desorden de un sistema siempre aumenta.desorden de un sistema siempre aumenta. MAQUINAS TERMICAS
MAQUINAS TERMICAS
Una máquina térmica es una especie de aparato que transforma calor en trabajo. Una máquina térmica es una especie de aparato que transforma calor en trabajo. Vos le entregás calor, ella te
Vos le entregás calor, ella te entrega trabajo. Estas máquinas térmicas funcientrega trabajo. Estas máquinas térmicas funcionanonan con una fuente fría y una fuente caliente. La
con una fuente fría y una fuente caliente. La fuente caliente suele ser una calderafuente caliente suele ser una caldera donde se mete leña. La
donde se mete leña. La fuente fría suele ser la atmósfera. Por ejemplo, las viejasfuente fría suele ser la atmósfera. Por ejemplo, las viejas máquinas de vapor, las locomotoras antiguas, los motores de los autos y cosas por máquinas de vapor, las locomotoras antiguas, los motores de los autos y cosas por el estilo. En realidad cualquier máquina que funcione con calor es una máquina el estilo. En realidad cualquier máquina que funcione con calor es una máquina térmica. Por ejemplo una heladera también es una máquina térmica.
térmica. Por ejemplo una heladera también es una máquina térmica.
En principio una máquina térmica es un apartato hecho con tuercas y tornillos En principio una máquina térmica es un apartato hecho con tuercas y tornillos como una locomotora o el
como una locomotora o el motor de un auto. Pero en motor de un auto. Pero en realidad una máquina térmicarealidad una máquina térmica es cualquier cosa que agarra calor y lo transforma en trabajo. Visto de esta
es cualquier cosa que agarra calor y lo transforma en trabajo. Visto de esta manera, el cuerpo humano también es una maquina térmica. Vos le das
manera, el cuerpo humano también es una maquina térmica. Vos le das calor alcalor al cuerpo en forma de energía química con los alimentos y él
cuerpo en forma de energía química con los alimentos y él te lo transforma ente lo transforma en trabajo. Ese trabajo puede ser andar en bicicleta, subir una montaña o
Todo muy lindo pero en
Todo muy lindo pero en la práctica para resolver los problemas hay que considerarla práctica para resolver los problemas hay que considerar que una máquina térmica es un cilindro con gas al que
que una máquina térmica es un cilindro con gas al que se le entrega calor. Vos lese le entrega calor. Vos le entregás calor, el gas se expande, el
entregás calor, el gas se expande, el pistón del cilindro se mueve y con esepistón del cilindro se mueve y con ese movimiento uno puede realizar un
movimiento uno puede realizar un trabajo.trabajo.
Por ejemplo un pistón en movimiento puede abrir y cerrar
Por ejemplo un pistón en movimiento puede abrir y cerrar una puerta, o puedeuna puerta, o puede mover un auto, o puede levantar un ascensor o
mover un auto, o puede levantar un ascensor o lo que sea. Es decir, una lo que sea. Es decir, una máquinamáquina térmica sería algo así:
térmica sería algo así:
Desde el punto de vista de
Desde el punto de vista de la termodinámica uno dice que tiene un sistema que esla termodinámica uno dice que tiene un sistema que es un gas encerrado dentro de un cilindro. Ese gas recibe calor
un gas encerrado dentro de un cilindro. Ese gas recibe calor de una fuente dede una fuente de calor. Lo llamo Q
calor. Lo llamo QENTRAENTRA . La máquina usa ese calor Q. La máquina usa ese calor QENTRAENTRA para expandir el gas. Elpara expandir el gas. El
gas se expande y genera un trabajo eLe. Pero todo el calor Q
gas se expande y genera un trabajo eLe. Pero todo el calor QENTRAENTRA no puede serno puede ser
aprovechado. Hay una parte que se pierde y se va
aprovechado. Hay una parte que se pierde y se va a la atmósfera. A ese a la atmósfera. A ese calorcalor desaprovechado lo llamo Q
desaprovechado lo llamo QSALESALE . Mirá el dibujito:. Mirá el dibujito:
Supongamos que hago entrar 100 Kilocalorías al gas del cilindro. Ponele que de Supongamos que hago entrar 100 Kilocalorías al gas del cilindro. Ponele que de esas 100 Kcal logro aprovechar 10 Kcal para realizar trabajo y
esas 100 Kcal logro aprovechar 10 Kcal para realizar trabajo y el resto se pierde.el resto se pierde. Puedo decir que :
Puedo decir que :
Para obtener el calor perdido hice la
Para obtener el calor perdido hice la cuenta Qcuenta QSaleSale= 100 Kcal – 10 Kcal. Conclusión,= 100 Kcal – 10 Kcal. Conclusión,
la fórmula que voy a u
la fórmula que voy a usar de ahora en adelsar de ahora en adelante ante para las máquipara las máquinas térmicas es lanas térmicas es la Q
QENTRAENTRA = 100 Kcal= 100 Kcal
LLREALIZADOREALIZADO = 10 Kcal ( = 41860 Joule )= 10 Kcal ( = 41860 Joule )
Q
que dice que todo el calor
que dice que todo el calor que entra a la máquina sale en que entra a la máquina sale en forma de de trabajo y enforma de de trabajo y en forma de calor que se pierde en
forma de calor que se pierde en la fuente fría. Es decir:la fuente fría. Es decir: Si llamo Q
Si llamo Q11 al calor que entra y Qal calor que entra y Q22 al calor que sale puedo poner :al calor que sale puedo poner :
Q
QENTRAENTRA = L= LREALIZADOREALIZADO + Q+ QSALESALE
O Lo que es lo mismo: O Lo que es lo mismo:
No hay que complicarse mucho. Todo este asunto de tener un
No hay que complicarse mucho. Todo este asunto de tener un cilindro con un gascilindro con un gas encerrado al que se le entrega calor
encerrado al que se le entrega calor y realiza trabajo es la famosa máquinay realiza trabajo es la famosa máquina térmica. Se lo simboliza así:
térmica. Se lo simboliza así:
Ellos dicen que la máquina térmica evoluciona siguiendo ciclos. Esto está bien Ellos dicen que la máquina térmica evoluciona siguiendo ciclos. Esto está bien porque el gas que está adentro se calienta, se
porque el gas que está adentro se calienta, se expande, realiza trabajo, se enfríaexpande, realiza trabajo, se enfría y finalmente
y finalmente se contrae. Ahí se le vuse contrae. Ahí se le vuelve a entregar calor y elve a entregar calor y el ciclo vuelve ael ciclo vuelve a empezar. Dentro de la máquina térmica, el sistema es el
empezar. Dentro de la máquina térmica, el sistema es el gas. Todo lo que yogas. Todo lo que yo plantee de acá en adelante para la
plantee de acá en adelante para la máquina térmica, en realidad lo estoymáquina térmica, en realidad lo estoy planteando para el gas dentro del cilindro. Repito: mi sistema es el
planteando para el gas dentro del cilindro. Repito: mi sistema es el gas. Es decirgas. Es decir que lo que en realidad tengo es
que lo que en realidad tengo es esto :esto :
De acá sacamos una conclusión importante que es esta: como el
evoluciona haciendo ciclos,
evoluciona haciendo ciclos, ∆∆UUgasgas = 0. Cuando digo= 0. Cuando digo ∆∆UUgasgas = 0 quiero decir que= 0 quiero decir que
para la máquina térmica
para la máquina térmica ∆∆U = 0. U = 0. Esto es así porque en realidad la máquina térmicaEsto es así porque en realidad la máquina térmica es el gas que tiene adentro.
es el gas que tiene adentro.
RENDIMIENTO DE CARNOT
RENDIMIENTO DE CARNOT
Para las máquinas térmicas se define una cosa que se llama rendimiento de Carnot. Para las máquinas térmicas se define una cosa que se llama rendimiento de Carnot. La máquina térmica siempre funciona entre 2 temperaturas T
La máquina térmica siempre funciona entre 2 temperaturas T 11 y T y T 22 . Estas. Estas
temperaturas son las de la fuente caliente las de la
temperaturas son las de la fuente caliente las de la fuente fría y. El rendimientofuente fría y. El rendimiento de Carnot depende de esas temperaturas T
de Carnot depende de esas temperaturas T FRIAFRIA y T y T CALIENTECALIENTE. El rendimiento de. El rendimiento de
Carnot se calcula así: Carnot se calcula así:
La letra
La letra ηη se lee " Eta se lee " Eta ". Atención, las temperaturas T ". Atención, las temperaturas T 11 y T y T 22 de la fórmula vande la fórmula van
siempre en Kelvin. El rendimiento siempre es un número menor que
siempre en Kelvin. El rendimiento siempre es un número menor que 1. Por ejemplo1. Por ejemplo 0,25 ( = 25 % ). Lo
0,25 ( = 25 % ). Lo que hace este número es dar una idea del máximo trabajo queque hace este número es dar una idea del máximo trabajo que puede realizar una máquina térmica ideal. Una máquina térmica real NUNCA puede puede realizar una máquina térmica ideal. Una máquina térmica real NUNCA puede tener un rendimiento mayor que la máquina térmica ideal de Carnot.
tener un rendimiento mayor que la máquina térmica ideal de Carnot.
RENDIMIENTO REAL DE UNA MÁQUINA TERMICA
RENDIMIENTO REAL DE UNA MÁQUINA TERMICA
El rendimiento de Carnot es el máximo
El rendimiento de Carnot es el máximo rendimiento que puede tener una máquinarendimiento que puede tener una máquina térmica. Pero este rendimiento es teórico. El rendimiento real que tiene una térmica. Pero este rendimiento es teórico. El rendimiento real que tiene una
máquina térmica es siempre menor que el rendimiento de carnot. Este rendimiento máquina térmica es siempre menor que el rendimiento de carnot. Este rendimiento real que se obtiene se calcula
real que se obtiene se calcula haciendo la relación entre el calor que entrego y haciendo la relación entre el calor que entrego y elel trabajo que obtengo. O sea:
trabajo que obtengo. O sea:
El trabajo realizado es el
El trabajo realizado es el calor entregado menos el calor que se pierde en calor entregado menos el calor que se pierde en lala fuente fría. Es decir, L = Q
fuente fría. Es decir, L = Q11 - Q- Q22 . Me queda:. Me queda:
Ejemplo Ejemplo::
Una máquina térmica trabaja entre 2 temperaturas T
Una máquina térmica trabaja entre 2 temperaturas T11 = 300 ºC y T= 300 ºC y T22 = 100 ºC.= 100 ºC.
Se le entrega a la máquina una cantidad de calor Q
Se le entrega a la máquina una cantidad de calor Q11 = 100 Kcal. La máquina= 100 Kcal. La máquina
entrega un
entrega un trabajo de trabajo de 50.000 Jou50.000 Joule. le. Calcular:Calcular: a) – El rendimiento de la máquina térmica. a) – El rendimiento de la máquina térmica.
b) – El rendimiento máximo que podría llegar a tener esa máquina térmica. b) – El rendimiento máximo que podría llegar a tener esa máquina térmica. c) – El calor que se pierde en la f
c) – El calor que se pierde en la fuente fria.uente fria.
Solución: Hago un dibujito: Solución: Hago un dibujito:
Q Q11 = 100 Kcal= 100 Kcal T T 11 = 300 ºC= 300 ºC 50.000 Joule 50.000 Joule T T 22 = 100 ºC= 100 ºC
Paso las temperaturas a Kelvin: T
Paso las temperaturas a Kelvin: T 11 = 300 ºC = 573 Kelvin. T = 300 ºC = 573 Kelvin. T 22 = 100 ºC = 373 Kelvin.= 100 ºC = 373 Kelvin.
Paso 50 mil Joule a Kiloc
Paso 50 mil Joule a Kilocalorías: 50.000 / 4alorías: 50.000 / 4186 = 11,95 Kcal. 186 = 11,95 Kcal. Hago las cuentas:Hago las cuentas:
Eta = 11,95 Kcal / 100 KcalEta = 11,95 Kcal / 100 Kcal
Eta = 0,1195 = 11,95 %Eta = 0,1195 = 11,95 %
El máximo rendimiento de la máquina térmica es el
El máximo rendimiento de la máquina térmica es el rendimiento ideal de Carnot.rendimiento ideal de Carnot. Entonces, uso la fórmula de Carnot:
Entonces, uso la fórmula de Carnot:
Eta
EtaCARCAR = 1 - 373 K / 573 K= 1 - 373 K / 573 K
EtaEtaCARCAR = 0,349 = 34,9 %= 0,349 = 34,9 %
Esta máquina térmica No es muy eficiente. Desaprovecha mucho la energía. De cada Esta máquina térmica No es muy eficiente. Desaprovecha mucho la energía. De cada 100 Kcalorias que se le entregan sólo usa 12
El rendimiento real de esta máquina es del 12
El rendimiento real de esta máquina es del 12 % mientras que el máximo teórico% mientras que el máximo teórico dado por la fórmula de Carnot es del 35 % .
dado por la fórmula de Carnot es del 35 % .
