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Trabajo de investigación de la Segunda ley de la Termodinámica

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UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLOFACULTAD DE INGENIERA DE MINAS GEOLOGA Y METALURGIA

La segunda ley de la TermodinmicaESCUELA ACADMICA: Ingeniera de minasCURSO: Fsica 2AO Y SEMESTRE ACADMICO: 2015-IDOCENTE: MORENO RUBIOS, Luis Alberto

RESPONSABLE: HUERTA SOTELO, Ray KolardHUARAZ PER

2015

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

La segunda ley de la termodinmica describe la direccionalidad de los procesos termodinmicos naturales y puede plantearse de varias formas equivalentes.El planteamiento de mquina es que ningn proceso cclico puede convertir calor totalmente en trabajo; el planteamiento de refrigerador es que ningn proceso cclico puede transferir calor de un lugar ms fro a uno ms caliente sin aporte de trabajo mecnico.Tambin podemos plantear la segunda ley en trminos del concepto de entropa, una medida cuantitativa del grado de desorden o aleatoriedad de un sistema.1.DIRECCIN DE LOS PROCESOS TERMIDINMICOSUn proceso reversible es uno cuya direccin puede revertirse con un cambio infinitesimal en las condiciones del proceso, y en el cual el sistema siempre est en equilibrio trmico o muy cerca de l. Todos los dems procesos termodinmicos son irreversibles.

Un bloque de Hielo se derrite irreversiblemente cuando lo colocamos en una caja metlica caliente (70C)

En una caja metlica a 0C podemos derretir reversiblemente un bloque de hielo a 0C.

Caracteristicas de un proceso reversibleUn proceso es reversible si, una vez producido, es posible retornar al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios, e invirtiendo todas las interacciones con el entorno, de forma que en el entorno no quede ningn efecto del proceso completo de ida y vuelta. Para que esto se cumpla, se deben cumplir dos condiciones:

Proceso cuasiesttico (es decir, todos los estados intermedios son de equilibrio).

Sin efectos disipativos (que son los nicos cuyo signo no puede invertirse

Tipos de irreversibilidades:Las irreversibilidades se pueden clasificar en internas y externas, en funcin de que tengan lugar dentro del sistema o en la interaccin con el entorno.Un proceso es internamente reversible si no se producen irreversibilidades dentro del sistema, aunque haya irreversibilidades a ambos lados de la frontera del sistema.

Ejemplos de procesos reversibles:

Expansin o compresin controlada Movimiento sin friccin Deformacin elstica de un slido Circuitos elctricos de resistencia cero Efectos de polarizacin y magnetizacin Descarga controlada de una pila

Ejemplos de procesos irreversibles:

Resistencia elctrica Deformacin inelstica Ondas de choque Efectos de histresis Flujo viscoso de un fluido Amortiguamiento interno de un sistema en vibracin Friccin slido-slido Expansin sin restricciones de un fluido Flujo de fluidos a travs de vlvulas y filtros porosos (laminado o estrangulamiento) Reacciones qumicas espontneas Mezcla de fluidos diferentes

2. MQUINAS TRMICAS

Una maquina trmica es un dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o energa mecnica.Las Mquinas trmicas son sistemas compuestos, formados por los subsistemas siguientes:

Proceso cclico: Es una sucesin de procesos que al final deja la sustancia en el estado que inicio.

1. Mquina: un sistema cerrado a travs del cual un fluido describe un proceso cclicoCuasiesttico.

2. Focos: sistemas cerrados de temperatura constante, que no se altera por una extraccin o aportacin continuada de calor. Esto puede lograrse debido a:

Su gran capacidad calorfica, que haga despreciable su variacin de temperatura, a pesar del trfico de calor (ej.: el mar, el ambiente)

Que sea una sustancia pura realizando un cambio de fase isobaro (ej.: agua o un fluido frigorfico en ebullicin)

Que en su seno se desarrolle una reaccin qumica o nuclear en equilibrio estacionario, en la que la energa liberada en la reaccin se iguale a la liberacin de calor (ej.: sol, hogar de combustin)

En general, una mquina trmica puede operar con varios focos a distintas temperaturas:Recibe calor de unos focos y aporta a otros. El conjunto es una produccin neta de trabajo.ESQUEMA DE UNA MAQUINA TERMICA

Esquema que representa una mquina trmica que interacciona con varios focos

3.FUENTES FRIA Y CALIENTE

Todas las mquinas trmicas absorben calor de una fuente a una temperatura relativamente alta, realizan un trabajo mecnico y desechan o rechazan algo de calor a una temperatura ms baja. En lo que a la mquina concierne, el calor desechado se desperdicia.En los motores de combustin interna, ste es el calor que se elimina en los gases de escape y en el sistema de enfriamiento; en una turbina de vapor, es el calor que debe salir del vapor usado para condensar y reciclar el agua.Si un sistema pasa por un proceso cclico, sus energas internas inicial y final son la misma. Para todo proceso cclico, la primera ley de la termodinmica exige que:

Es decir el calor neto que fluye hacia la, maquina en un proceso cclico es igual al trabajo neto realizado por la mquina.

Al analizar maquinas termincas, resulta til considerar dos fuentes con las cuales la sustancia de trabajo puede interactuar : Fuente Caliente:Proporciona calor , puede dar a la sustanias de trabajo grandes cantidades de calor a temperatura constante, sin cambiar apreciablemente su propia temperatura(TH).

Fuente Fra:Puede absorber grandes cantidades de calor desechado por la maquina a una temperatura constante menor(TC).Denotamos a las cantidades de calor transferido de las fuentes caliente y fra como QH y QC.

Una cantidad de Calor Q es positiva cuando se transfiere a la sustancia de trabajo, y negativa si sale de dicha sustancia. QH PositivoQC Negativo

4.DIAGRAMAS DE FLUJO DE ENERGA Y EFICIENCIAEl calor QH suministrado a la maquina por la fuente caliente es proporcional a la anchura de la tuberia de entrada a la parte superior del diagrama. La anchura de la tuberia de salida abajo es proporcional a la Magnitud QC del calor rechazado en el escape.

El ramal de la derecha representa la porcin del calor suministrado que la mquina convierte en trabajo mecnico (W)

Si una maquina repite el mismo ciclo una y otra vez, El calor neto Q absorbido por ciclo es:

La salida til de la mquina es el trabajo neto W efectuado por la sustancia de trabajoPor la primera Ley:

Idealmente, convendra convertir todo el calor QH en trabajo; en tal caso, tendramos.

La experiencia muestra que esto es imposible; siempre se desperdicia algo de calor y QC nunca es cero.

Definimos la eficiencia trmica de una maquina, denotada con e, como el cociente:

La eficiencia trmica representa la fraccin de QH que s se convierte en trabajo, e es lo que se obtiene dividido entre lo que se paga, y siempre es menor que 1.La mquina mas eficiente es aquella en la que el ramal que representa la salida de trabajo es lo ms ancho posible, y la tuberia de escape que representa el calor desechado es lo ms angosto posible. EXPRESIONES EQUIVALENTES PARA e

Eficiencia trmica de una Maquina

e = Es adimensional5.MOTORES DE COMBUSTIN INTERNAEl motor de gasolina, empleado en automoviles y muchos otros tipos de maquinaria, es un ejemplo comn de mquina trmica, examinemos su eficiencia trmica:

1. Carrera de Admisin:Primero, una mezcla de aire y gasolina fluye al interior de un cilindro por una vlvula de admisin abierta mientras el pistn desciende, aumentando el volumen del cilindro desde un mnimo de V (cuando el pistn est hasta arriba) hasta un mximo de r-V (cuando est hasta abajo).

La cantidad r se llama razn de compresin; en los motores de automviles modernos, r suele estar entre 8 y 10.

2. Carrera de Compresin:La vlvula de admisin se cierra y la mezcla se comprime al subir el pistn.

3. EncendidoLa buja enciende la mezcla.

4. Carrera de PotenciaLa mezcla quemada se expande, de forma aproximadamente adiabtica, otra vez al volumen r-V, empujando el pistn y efectuando trabajo5. Carrera de EscapeLa vlvula de escape se abre y el pistn sube, expulsando la mezcla quemada hacia fuera del cilindro, por lo que el motor queda listo para la siguiente carrera de admisin.Ambas Vlvulas cerradas

5.1.El Ciclo de Otto

Es un diagrama p-V de un modelo idealizado de los procesos termodinmicos en un motor de gasolina. Este modelo se llama ciclo Otto. En el punto a, la mezcla aire-gasolina ya entr en el cilindro. La mezcla se comprime adiabticamente hasta el punto b y se enciende. Al quemarse, la gasolina agrega calor QH al sistema, siguiendo la lnea b-c, y la carrera de potencia es la expansin adiabtica al punto d. El gas se enfra a la temperatura del aire exterior por la lnea d-a, expulsando calor.

En la prctica, este gas sale del motor como escape y no vuelve a entrar en el motor pero, dado que entra una cantidad de aire y gasolina equivalente, podemos considerar que el proceso es cclico.

Podemos calcular la eficiencia de este ciclo idealizado. Los procesos b-c y d-a son a volumen constante, asi que QH y QC tiene una relacin simple con las temperaturas.

Para simplificar esto, usamos la relacin temperatura-volumen para procesos adiabaticos con gas ideal.Para dos procesos adiabaticos a-b y c-d: Reemplazando:

Eficiencia Trmica en ciclo de Otto

5.2.El ciclo DieselLa operacin del motor a Diesel es similar a la del motor de gasolina. La diferencia ms importante es que no hay combustible en el cilindro al principio de la carrera de compresin. Un poco antes de iniciar la carrera de potencia, los inyectores comienzan a inyectar combustible directamente al cilindro, con la rapidez justa para ma