Segunda ley de la termodinamica

Question 1

Que caractersitica tienen todos los procesos termodinamicos que se dan en la naturaleza?

Answer 1

Que son irreversibles (se considera irreversible cuando no puede ser invertido para restaurar completamente el sistema a su estado inicial)

Question 2

¿Cual es la relacion entre proceso reversible y equilibrio termodinamico?

Answer 2

Los procesos reversibles tambien son llamados procesos en quasi-equlibrio ya que se realizan con gradientes de temperatura y presion infinitesimales, debido a que un proceso unicamente puede ser reversible estando extremadamente cerca del equilibrio

Question 3

Los procesos como la libre expansion de un gas o el calentamiento por friccion, podrian en algun punto ser reversibles?

Answer 3

No! ningún cambio pequeño en las condiciones podría hacer que uno de ellos procediera en la dirección opuesta

Estos procesos no están en equilibrio, en cuanto a que el sistema no está en equilibrio termodinámico en ningún punto hasta el final del proceso.

La conversión de trabajo en calor, como en la fricción o el flujo de fluidos viscosos, y el flujo de calor de caliente a frío a través de un gradiente de temperatura finito, son procesos irreversibles

Question 4

Pero, que son los procesos reversibles e irreversibles?

Answer 4

Los procesos reversibles son procesos donde se puede pasar de un estado 1 a un estado 2 y volver al estado 1 sin dejar huella alguna.
En los procesos irreversibles (como los ejemplos citados anteriormente) lo que sucede es que hay una transformacion de trabajo en calor, y como bien sabemos, no es posible convertir todo ese calor en trabajo, por lo que siempre va a quedar una “huella”

Question 5

Tomando el ejemplo de frotarnos las manos y que se calienten, cual seria el proceso opuesto si esto fuera reversible?

Answer 5

Seria que nuestras manos se enfrien espontaneamente y que por ese motivo se comienzen a mover freneticamente.

Question 6

¿Que es una maquina termica?

Answer 6

Es una maquina que transforma calor parcialmente en trabajo o energia mecanica

Question 7

¿Que es la sustancia de trabajo? dar un ejemplo

Answer 7

Es la materia que sufre los cambios (compresion, expansion, calentamiento, enfriamiento) necesarios para transformar calor en trabajo/energia mecanica

Question 8

¿Que es un proceso ciclico?, ¿Un motor de combustion interna se puede considerar como uno? justificar

Answer 8

Es un proceso en el cual la sustancia de trabajo vuelve a su estado inicial luego del proceso y se vuelve a utilizar. Un motor en la realidad, no es un proceso ciclico ya que la gasolina y el aire quemados en la combustion no vuelven a ingresar al cilindro.

Question 9

En general, ¿Que es lo que hace una maquina termica?

Answer 9

Absorve calor de una fuente caliente (a una temperatura relativamente alta), convierte una parte en trabajo y desecha el resto como calor (a una temperatura menor de la que ingreso)

Question 10

Pero, ¿que son la fuente fria y caliente?

Answer 10

*La fuente caliente es aquella que le proporciona calor al liquido de trabajo (Qh), aparantemente, sin variar su temperatura propia.
*La fuente fria es aquella que absorve el calor del liquido de trabajo (Qc). Logicamente, se le transifere menos calor del que entro a la maquina.

Question 11

¿Como es la convencion de signos para los calores transferidos de la fuente caliente al liquido, y de el liquido a la fuente fria?

Answer 11

*Si el calor es transferido (ingresa) al liquido desde la fuente caliente, es positivo
*Si el calor es transferido POR el liquido (sale) hacia la fuente fria, es negativo

Question 12

A la hora de hacer un diagrama de una maquina termica:
A) es relevante el ancho de las flechas realmente?
B) Que fuente tiene flecha hacia la maquina y cual desde?

Answer 12

A) Es muy importante porque el ancho es relativo a la cantidad de calor que ingresa y que se desperdicia respectivamente, lo cual nos da una nocion de la eficiencia de la maquina.
B) Fuente caliente hacia la maquina, y fuente fria desde la maquina

Question 13

Pero, ¿que es la eficiencia de la maquina y que cumple siempre?

Answer 13

Representa la fraccion de calor proveniente de la fuente caliente que SI se transforma en trabajo mecanico. Siempre se cumple que esta es menor que 1 ya que es imposible que una maquina transforme el 100 del calor absorvido a trabajo.

Question 14

¿Que seria el calor neto absorvido por la maquina y como se calcula?

Answer 14

Seria el trabajo realizado por la misma, ya que lo que absorvio es lo que uso para realizar el trabajo mecanico. Por lo tanto, como el calor absrovido es la diferencia entre el calor transferido por la fuente caliente y el absorvido por la fuente fria, podemos calcular el TRABAJO como W=Qh-Qc

Question 15

¿Como se calcula la eficiencia?

Answer 15

e=W/Qh / 1+(Qc/Qh) / 1-|Qc/Qh|

Question 16

¿En que unidades se mide?

Answer 16

No posee unidades

Question 17

Para recordar:
A) ¿Que es la potencia y en que unidades se mide
B) ¿Que es la tasa de transferencia de calor (H) y en que unidades se mide?

Answer 17

A) es el trabajo realizado por unidad de tiempo, y por lo tanto se mide en Watts sobre tiempo ( en general segundos)
B) Es el calor transferido por unidad de tiempo, por lo que se mide en Q sobre tiempo (en general segundos)

Question 18

Porque la razon de compresion puede ser mayor en un motor diesel que en un ciclo otto

Answer 18

Porque como el combustible se inyecta justo antes de terminar la carrera de compresion, no existe riesgo de pre-ignicion. Por lo tanto estos motores tienen una mayor eficiencia debida a una mayor R

Question 19

Como puedo diferenciar rapidamente un ciclo otto de uno diesel viendo la grafica pV

Answer 19

La forma mas facil es ver que, en el ciclo otto, los periodos de calentamiento y enfriamiento son paralelos a los ejes coordenados y en los otto no

Question 20

¿Cuales son las diferencias entre una maquina termica y un refrigerador?

Answer 20

Una maquina termica agarra temperatura de un cuerpo caliente y la transporta hacia un cuerpo frio, teniendo una SALIDA de trabajo mecanico, mientras que un refrigerador hace lo opuesto, toma calor de una fuente fria y lo lleva hacia una fuente caliente, gracias a una ENTRADA de trabajo mecanico.

Question 21

Como es la convencion de signos (Qc,Qh,W) para un refrigerador?

Answer 21

*Como en este caso Qc ingresa al refirgerante, es POSITIVO

*Qh abandona el refrigerante, por lo tanto es NEGATIVO

*El trabajo W se realiza SOBRE el cuerpo, por lo tanto es NEGATIVO

Question 22

Usando la primera ley, y los valores absolutos ¿Que ecuacion tenemos para calcular el calor expulsado Qh?

Answer 22

|Qh|=Qc+|W|

(Si aplico valor abs a Qc, la ecuacion sirve tambien para m. termicas)

Question 23

En el caso de un refrigerador, ¿Que es K y como se calcula?

Answer 23

K es el coeficiente de rendimiento de un refrigerador, y se calcula como la razon entre el calor que toma sobre el trabajo que necesita
K=Qc/W o K=Qc/(Qh-Qc)

Question 24

Describir brevemente como funciona una heladera

Answer 24

Partimos desde el punto en el que el refrgierante ingresa a el compresor:
A) el compresor, comprime el fluido adiabaticamente, elevando asi su temperatura y presion
B) El fluido llega a el condensador, y al estar mas caliente que el fluido alrededor del condensador, le transfiere calor, bajando su temperatura
C) Luego, este fluido llega a la bomba de expansion, donde se expande, aumentando su volumen, y reduciendo aun mas su temperatura
D) Ahora, el fluido pasa por el interior del refrigerador como tal, donde al haber alimentos mas calientes, estos le transfieren calor al mismo, bajando sus temperaturas
E) Finalmente, el fluido calentado por los alimentos, vuelve a ingresar en la bomba, para comenzar el ciclo.

Question 25

Como se calculan la tasa de eliminacion de calor (H) y la entrada de potencia (P)

Answer 25

*La tasa de eliminacion de calor se calcula mediante:
H=Qc
*La entrada de potencia se calcula mediante:
P=W/tiempo

Question 26

En que casos seria posible transferir calor de una fuente fria hacia una fuente caliente sin agregar trabajo al sistema?

Answer 26

En NINGUNO! es imposible hacer un refrigerador que transporte calor de un cuerpo más frío a uno más caliente sin agregar trabajo. Si no se necesitara trabajo, el coeficiente de rendimiento sería infinito.

Question 27

Pero, despues de todos estos conceptos, que dice la segunda ley de la termodinamica?

Answer 27

La segunda ley de la termodinamica puede ser vista desde dos enunciados, que son equivalentes pero proveen dos puntos de vista:
-Enunciado de Kelvin-Planck: Es imposible que una maquina termica tenga una eficiencia del 100%, siempre debe haber un “desperdicio” de calor hacia una fuente fria
-Enunciado de Clausius: Es imposible que fluya calor de una fuente fria a una fuente caliente sin agregar trabajo

A grandes rasgos, la segunda ley trata sobre el aspecto inherentemente unidireccional de los procesos termodinamicos en la naturaleza.

Question 28

Pero, ¿Porque son equivalentes estos dos planteamientos? (cual es la relacion entre ellos)

Answer 28

Son equivalentes en el sentido de que ambos expresan el mismo principio fundamental del segundo principio de la termodinámica desde perspectivas diferentes. Ambos enunciados hablan sobre la disponibilidad de la energía y las
formas en que puede usarse y convertirse.

Question 29

Que es un ciclo de carnot y cual era su objetivo?

Answer 29

El cilclo de Carnot es el ciclo idealizado (ciclo que realiza una maquina de carnot), donde se busca obtener la maxima eficiencia posible para una maquina termica.

Question 30

¿Que es lo mas importante para que el ciclo tenga la maxima eficiencia?

Answer 30

Que todos los procesos realizados, sean REVERSIBLES

Question 31

¿Como deben ser cada uno de los procesos para que sean reversibles? (compresiones y expansiones)

Answer 31

-Todo proceso que implique transferencia de calor debe ser isotérmico ya sea a TH o a TC
-Todo proceso en el que la temperatura T de la sustancia de trabajo cambie deberá ser adiabático.

Question 32

Describa brevemente como es el ciclo de carnot paso a paso

Answer 32

1-Hay una expansion isotermica, ya que aqui la sustancia de trabajo esta en contacto con la fuente caliente, ingresando calor pero manteniendo temp constante
2-Continua la expansion, pero ahora adiabaticamente, ya no ingresa calor, y la temperatura comienza a bajar
3-Ahora, comienza la compresion, al estar en contacto con la fuente fria, hay transferencia de calor, pero manteniendo la temperatura constante gracias a la compresion
4-Finalmente, hay compresion adiabatica, variando asi la temperatura.

Question 33

¿Como se calcula la eficiencia de una maquina de carnot?

Answer 33

e=1-(Tc/Th) o e=(Th-Tc)/Th

Question 34

Cuando hay mayor desorden, cuando un cambio esta relacionado a la energia cinetica macroscopica, o a flujo de calor hacia el cuerpo?

Answer 34

Hay un mayor desorden cuando se le aplica cierta cantidad de calor al cuerpo, ya que la energia cinetica macroscopica es energía asociada a movimientos organizados y coordinados de muchas moléculas.

Question 35

Segun la formula anterior, que podemos concluir sobre la eficiencia de una maquina de Carnot?

Answer 35

Que su eficiencia depende puramente de la diferencia de temperatura de las fuentes fria y caliente. A mayor diferencia de temperatura, mayor eficiencia.

Question 36

Como cada proceso de un ciclo de Carnot es reversible, que podemos asegurar del ciclo completo? Esto hace que el ciclo pueda ser un refrigerador?

Answer 36

Podemos asegurar que el ciclo como tal (completo) es reversible, lo que lleva a la conclusion de que este puede ser un refrigerador ya que puede pasar de la fuente fria a la caliente

Question 37

¿Como se calcula la eficiencia de el ciclo refrigerador de Carnot?

Answer 37

K=Tc/(Th-Tc)

Question 38

Viendo que su eficiencia depende de las temperaturas, que podemos concluir que pasa con la diferencia Th-Tc si esta crece o decrece?

Answer 38

Si la diferencia Th-Tc se hace cada vez mas pequeña, el coeficiente de rendimiento va a ser mucho mayor que 1, lo cual implica que puede “bombearse” mucho calor de la temperatura inferior a la superior con muy poco gasto de trabajo.
Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, menor
será K y se requerirá más trabajo para transferir una cantidad dada de calor

Question 39

Como es el nombre del ciclo que tiene mayor eficiencia que el de Carnot? y el que tiene mayor coef. de rendimiento (refrigerador)?

Answer 39

No existe maquina termica o refrigerador que sea mas eficiente o tengas mas rendimiento que un ciclo de carnot, ES IMPOSIBLE!

Question 40

¿Que podemos asegurar de dos maquinas de Carnot que operan a la misma temperatura?

Answer 40

Que van a tener la misma eficencia, sin importar cual sea su sutancia de trabajo o cualquier otro factor.

Question 41

Para buscar un mayor limite de eficiencia y una mayor eficiencia real, que debe buscar el fabricante de una maquina de carnot?

Answer 41

Que la temperatura Th sea lo mas alta posible y la temperatura Tc, lo mas baja posible

Question 42

¿Porque se llama absoluta a la ecalada de temperatura Kelvin?

Answer 42

Porque su 0 Coincide con el 0 absoluto, en otras palabras, no existen temperaturas Kelvin negativas, lo mas bajo es el 0 (que, nuevamente, coincide con el 0 de las otras escalas)

Question 43

Que pasa con la energia de las particulas en el hipotetico caso de llegar al 0 absoluto?

Answer 43

En este punto se llega al estado nulo de energia de las particulas.

Question 44

¿Que carcateristica tiene la temperatura Kelvin que la hace util ante cualquier cirscunstancia?

Answer 44

Que es independiente del comportamiento de cualquier sustancia específica

Question 45

¿Que es la entropia?

Answer 45

Es una medida cuantitativa de el “desorden” molecular de una sustancia

Question 46

¿Cuales son los dos principales motivos de aumento de la entropia? explique brevemente

Answer 46

-Una adicion de calor (aumenta su desorden porque aumenta las velocidades moleculares medias y, con ello, la aleatoriedad del movimiento molecular)
-Un aumento de volumen (está en un estado más desordenado después de la expansión, porque las moléculas se mueven en un volumen mayor y tienen más aleatoriedad de posición)

Question 47

-Cual es la formula para el calculo de la variacion de entropia en el caso de un proceso reversible e isotermico?
-En que unidades se mide la entropia

Answer 47

ΔS=Q/T=S2-S1

Se mide en uniades de energia sobre tiempo (J/T)

Question 48

Extra:

Answer 48

el cociente Q>T es una caracterización adecuada del aumento de aleatoriedad o desorden, cuando hay flujo de calor hacia un sistema.
Si la sustancia inicialmente está fría, con poco movimiento molecular, la adición de Q causa un aumento fraccionario considerable en el movimiento y la aleatoriedad molecular.
Pero si la sustancia ya está caliente, la misma cantidad de calor aumenta relativamente poco el mayor movimiento molecular que ya existe.

Question 49

Si un proceso es reversible y le hago una cierta variacion de entropia A, pero luego lo vuelvo al estado incial, a que es igual esta nueva variacion de entropia

Answer 49

Es igual a -A

Question 50

Si buscamos calcular la variacion de entropia para un proceso REVERSIBLE que NO es isotermico,

Answer 50

Debemos el dividr el proceso como una serie de pasos reversibles infinitesimales que no posean un cambio de temperatura y luego hacer la suma de ellos a traves de la integral

Question 51

Si buscamos calcular la variacion de entropia para un proceso IRREVERSIBLE, dados dos puntos, como procedemos?

Answer 51

Basta con inventar una trayectoria que conecte los estados inicial y final dados, y que sí consista totalmente en procesos reversibles que llevan al equilibrio, y calcular el cambio de entropía total para esa trayectoria.
(ver ejemplo pagina 693)

Question 52

Recordar:

Answer 52

Llevado a la practica estas dos ultimas situaciones (es decir, las situaciones donde NO HAY ISOTERMA) se calcuan igual: con la integral desde la temperatura 1 hasta la 2, de la expresion m.c.dT o la expresion n.R.ln()

Question 53

Si tomo un proceso adiabatico, reversible e isotermico y le quiero calcular la variacion de entropia, ¿seria valido decir que el aumento de la entropia es proporcional al aumento de volumen?

Answer 53

NO! ya que El aumento en el desorden debido a que el gas ocupa un volumen mayor es exactamente igual a la disminución en el desorden asociada a la disminución de temperatura y la reducción de las velocidades moleculares

Question 54

Entonces, si tengo la expansion adiabatica libre de un gas en un recipiente aislado (q=0) ¿puedo asegurar que la entropia es 0?

Answer 54

No! ya que lo anterior solo aplica para procesos adiabaticos REVERSIBLES y procesos CICLICOS REVERSIBLES

Question 55

¿Que pasa con la variacion de entropia en un ciclo de Carnot?

Answer 55

Es igual a 0, ya que se trata de un ciclo, por lo que estamos volviendo al punto inicial (y hay que recordar que la entropia depende de la posicion y no del trayecto)
Por lo tanto se puede llegar a la conclusion de que cualquier ciclo reversible tiene ΔS=0

Question 56

¿Y si es un ciclo irreversible?

Answer 56

En dicho caso ΔS≠0, ya que si existe una variacion en la entropia

Question 57

Dicho cambio en la entropia, puede ser una reduccion de la misma?

Answer 57

No, todos los procesos irreversibles implican un aumento de entropía.

Question 58

Entonces, relacionando la segunda ley y la entropia, a que conclusion podemos llegar?

Answer 58

Si se incluyen todos los sistemas que participan en un proceso, la entropía se mantiene constante, o bien, aumenta. En otras palabras, no puede haber un proceso en el que la entropía total disminuya, si se incluyen todos los sistemas que participan en el proceso

Question 59

Si tenemos una maquina termica que tiene como fuentes caliente y fria, agua caliente y agua fria respectivamente, porque el proceso es irreversible y su entropia solo aumenta?

Answer 59

Porque cuando hacemos pasar el agua por la maquina, aprovecha una parte de esa temperatura y hace trabajo, pero una vez que el agua caliente se mezcla y se forma agua tibia, ya no se vuelve a separar en agua fria y caliente, por lo que se pierde la oportunidad de generar trabajo mecanico con el calor.
Por esto, cuando la entropia aumenta, hay menos energia disponible, y el mundo se va “gastando” (debe quedar claro no hay forma de que disminuya la entropia ya que al mezclarse no va a aumentar el orden de las particulas)