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• Luis Fernando

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FACULTA DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL “TERMODINÁMICA” TEMA: SEGUNDA LEY DE TERMODINAMICA DOCENTE: Mg. HENRY CALLATA CARPIO ALUMNOS:    

KANA TOLEDO CARMEN ROSA LOAYZA TACA MELISSA QUISPE CHACNAMA LUIS FERNANDO RIVERA CAMARGO ESTEFANY

CICLO:

F

IV

SECCION: 1 AREQUIPA – PERU -2017-

1

INDICE Contenido INDICE ...................................................................................................................................... 2 1.

OBJETIVO ...................................................................................................................... 3

2.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 3

3.

ANTECEDENTES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA .......................... 4

4.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA ................................................................... 4

5.

ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY .......................................................................... 6 5.1.

Enunciado de Clausius: ...................................................................................................................... 6

5.2.

Enunciado de Kelvin:........................................................................................................................... 6

5.3.

Enunciado de Carnot: .......................................................................................................................... 7

5.4.

Enunciado de Hatsopoulos – Keenan:............................................................................................ 8

6.

MAQUINA TÉRMICAS.................................................................................................... 8 6.1.

Eficiencia térmica ............................................................................................................................... 10

6.2.

Interpretación física de la entropía y del segundo principio .................................................. 11

6.3.

Motores y bombas térmicas ............................................................................................................ 12

7.

REFRIGERADORES .....................................................................................................14

8.

EL CICLO DE CARNOT ................................................................................................15

9.

CICLO DE CARNOT INVERSO .....................................................................................17

10.

REFRIGERADORES DE CARNOT................................................................................17

11.

APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA EN EL CAMPO DE LA INGENIERÍA. ......18

12.

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................21

2

1. OBJETIVO 

El alumno identificará y aplicará entenderá el Segundo Principio de la Termodinámica. Además, calculará los cambios de entropía y establecerá las posibilidades de realización de procesos y las mejores condiciones de funcionamiento de los sistemas aplicados en la ingeniería.



El objetivo de este capítulo es introducir los conceptos básicos y definiciones requeridos por la segunda ley de la Termodinámica. También se consideran un conjunto de deducciones que pueden denominarse corolarios del mismo.



Introducir el concepto de entropía.



Presentar el ciclo y la máquina de CARNOT. 2.

INTRODUCCIÓN

La Termodinámica desempeña un papel vital en el diseño de múltiples procesos, dispositivos y sistemas en la industria. El primer principio de la termodinámica, nos permite afirmar que las diversas formas de energía son equivalentes, pero no nos dice nada en cuanto a la posibilidad de la conversión de un cierto tipo de energía en otro y a las limitaciones que pueden o no existir para dicha transformación. Es el segundo principio el que nos indicará las limitaciones que existen en las transformaciones energéticas. Cuando hablamos de energía, una de las primeras cosas que acuden a nuestra mente es el uso que hacemos de ella de manera indiscriminada, desde la revolución Industrial hasta casi inicios del siglo XXl. Utilizar de manera inadecuada la energía ha provocado que se rompa el delicado equilibrio ecológico con las consecuencias que empezamos a vivir, como el calentamiento global del planeta, con el inicio del derretimiento de los polos y por ende los catástrofes que se originan por tormentas, inundaciones, sequias, contaminación ambiental, entre otras. El consumo de combustibles fósiles para la obtención y uso de energía en el transporte y la industria han sido las fuentes primarias que producen los efectos irreversibles que estamos viviendo en estos momentos. Todas las personas nos hemos dado cuenta de que al frotarnos las manos vigorosamente ocurre un incremento de temperatura, cuando dejamos de frotarnos, nuestras manos vuelven

3

a

su estado original.

De

acuerdo

con

la

primera ley de

la termodinámica,

la

energía mecánica se ha transformado en calor con una eficiencia de 100%.

Consideremos ahora el proceso inverso, y nos preguntamos: ¿Es posible convertir la energía térmica en trabajo con una eficiencia de 100%? En el ejemplo anterior: ¿Es posible capturar todo el calor transferido al aire y hacerlo volver a nuestras manos, provocando que ellas de froten indefinidamente en forma espontánea? Por desgracia, tal proceso no puede ocurrir, aun cuando no infrinja la primera ley. Tampoco es posible recuperar todo el calor perdido para frenar un automóvil con el propósito de que las ruedas empiecen a girar de nuevo. Por estos motivos la segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible de los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica.

3. ANTECEDENTES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La experiencia nos muestra que algunos procesos naturales siguen cierta "direccionalidad" para que se lleven a cabo. Por ejemplo, no esperamos que una cascada fluya hacia arriba de manera espontánea o que una taza de café aumente de manera natural su temperatura en lugar de disminuirla. Es importante caracterizar la "dirección" que sigue un proceso natural, existe una direccionalidad básica en la naturaleza.

4. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Aunque todos los procesos naturales deben ocurrir de acuerdo con la Primera Ley, que es el principio de la conservación de la energía es por sí mismo inadecuado para una descripción inequívoca del comportamiento de un sistema. Específicamente, en la Primera Ley no se incluye la observación de que cada proceso natural tiene en un cierto sentido, una dirección preferente de acción. Por ejemplo, la transferencia de calor ocurre naturalmente del cuerpo más caliente al cuerpo más frío, en ausencia de otras influencias, pero si ocurriera lo contrario no existiría ciertamente una violación de la Primera Ley.

4

La Segunda Ley es esencialmente diferente de la Primera Ley; estos dos principios son independientes y no se pueden en ningún sentido deducir uno partir del otro, es decir que a partir de la primera ley se puede obtener la segunda ley. Para establecer la segunda ley de la termodinámica o segundo principio, el concepto de la energía o temperatura no es suficiente, y debe aparecer una nueva propiedad. Así la segunda ley no se puede obtener o derivar de la Ley Cero o de La Primera Ley. La nueva propiedad que se presenta en La Segunda Ley aparece más o menos de la misma manera como aparece la propiedad temperatura en la Ley Cero y la energía en La primera Ley, esto es a través de examinar ciertos resultados de la observación. Es importante tener en mente que dentro de la estructura de la termodinámica clásica, no hay prueba más fundamental que las observaciones. Un enunciado que se puede adoptar como La Segunda Ley de la termodinámica es: Segunda Ley: Existe para cada sistema termodinámico en equilibrio una propiedad escalar extensiva llamada entropía, S, que en un cambio de estado reversible infinitesimal del sistema, dS = dQ /T , donde T es la temperatura absoluta y dQ es la cantidad de calor recibida por el sistema. La entropía de un sistema aislado térmicamente no puede disminuir y la entropía es constante si y solamente si todos los procesos son reversibles. Cabe señalar que nadie, absolutamente nadie, ha logrado extender la definición termodinámica de entropía para sistemas que se encuentran en estados fuera de equilibrio, excepto en lo que se conoce como equilibrio local y, en este caso, no es más que el concepto de equilibrio global extrapolado para regir en pequeños subsistemas que componen al sistema total.

5

5. ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY 5.1.

Enunciado de Clausius:

No hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea transferir calor de un foco frío a otro caliente. FUENTE CALIENTE Temperatura T1

IMPOSIBLE

MÁQUIN A CÍCLICA

FUENTE FRIA Temperatura T2

“Es imposible la existencia de un sistema que pueda funcionar de modo que su único efecto sea una transferencia de energía mediante calor de un cuerpo frío a otro más caliente”. Esta exigencia describe simplemente una máquina frigorífica, un dispositivo que funciona cíclicamente, transfiere energía térmica desde una región de baja temperatura a otra de alta temperatura.

5.2.

Enunciado de Kelvin:

“Es imposible construir una máquina con un solo depósito de calor que, mientras funcione siguiendo un ciclo, produzca otros efectos que el de realizar trabajo a base de tomar calor de dicho depósito enfriándolo”. Este enunciado de Kelvin- Planck exige que cualquier dispositivo cíclico que produzca un trabajo neto intercambie calor por lo menos con dos fuentes térmicas a diferentes temperaturas. FUENTE

Q

PROCESO CICLICO

Q=W

IMPOSIBLE 6

No hay ninguna transformación termodinámica cuyo único efecto sea extraer calor de un foco y convertirlo totalmente en trabajo. La segunda ley proporciona la base para el concepto termodinámico de entropía Principio de máxima entropía: Existe una función de estado de los parámetros extensivos de cualquier sistema termodinámico, llamada entropía S, con las siguientes propiedades: 1. los valores que toman las variables extensivas son los que maximizan S consistentes con los parámetros externos, 2. la entropía de un sistema compuesto es la suma de las entropías de sus subsistemas. (2º y 3º postulados de Callen) El postulado exige que los motores térmicos funcionen entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Sin embargo, el cuerpo a baja temperatura no puede ser una fuente de energía como lo es de alta temperatura.

5.3.

Enunciado de Carnot:

Nicolás Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832) Para entender adecuadamente el enunciado de Carnot del segundo principio debemos, en primer lugar, definir lo que se entiende en él por máquinas térmicas. Se entiende por máquina térmica todo equipo que transforma calor en trabajo mecánico operando cíclicamente. Es decir, que toda máquina térmica está constituida por ciertos mecanismos y algún fluido que evoluciona en ellos, de manera que al describir dicho fluido un ciclo termodinámico se produce la conversión de una cierta cantidad de calor en trabajo mecánico. Con dicho concepto de máquina térmica el enunciado de Carnot puede expresarse: Toda máquina térmica requiere para su funcionamiento al menos dos fuentes de calor a diferentes temperaturas. La máquina funcionará tomando calor de la fuente de mayor temperatura, que denominaremos fuente caliente, producirá trabajo y entregará calor a la fuente de menor temperatura, que llamaremos fuente fría. El esquema representativo de una máquina térmica que funciona de acuerdo con el enunciado de Carnot del segundo principio se indica en la figura siguiente: 7

5.4.

Enunciado de Hatsopoulos – Keenan:

Cualquier sistema con ciertas restricciones especificadas y que tenga un límite superior en su volumen puede, desde cualquier estado inicial, alcanzar un estado de equilibrio estable sin ningún efecto sobre el ambiente. Un corolario importante del enunciado de H.K. es: “Si un sistema está en equilibrio estable, no puede cambiar a otro estado de equilibrio estable con un trabajo neto de salida como el único efecto externo al sistema”.

6. MAQUINA TÉRMICAS El enfoque clásico para la segunda ley se basa en un punto de vista macroscópico de las propiedades, independiente de cualquier tipo de conocimiento de la estructura de la materia o comportamiento de las moléculas. Este enfoque surgió del estudio de la máquina térmica, que es un dispositivo o máquina que produce trabajo a partir de calor en un proceso cíclico. Un ejemplo de máquina térmica es la planta termoeléctrica, donde el fluido de trabajo (vapor) regresa periódicamente a su estado original. En esta planta, el ciclo (en su forma más sencilla) tiene las siguientes etapas:

8

Agua líquida a temperatura cercana a la del medio ambiente se bombea hacia una caldera a alta presión.

1. La transferencia del calor de un combustible (calor de combustión de un combustible fósil o calor de una reacción nuclear) de la caldera al agua, convirtiéndola en vapor a alta temperatura a la presión de la caldera.

2. Transferencia

de

energía,

como

trabajo de eje, del vapor a los alrededores, mediante un dispositivo tal como una turbina, en la cual el vapor se expande hasta la presión y temperatura reducidas.

3. El vapor que queda en la turbina se condensa a temperatura y presión bajas mediante la transferencia de calor al agua de enfriamiento, completando de esta, manera el ciclo. Las características fundamentales de los ciclos de todas las máquinas térmicas son la absorción de calor a altas temperaturas, el rechazo de éste a una temperatura baja y la producción de trabajo. En el estudio teórico de las máquinas térmicas los dos niveles de temperatura que caracterizan su funcionamiento se mantienen mediante reservas térmicas, las cuales pueden imaginarse como cuerpos capaces de absorber o arrojar una cantidad infinita de calor sin cambio alguno en la temperatura (sumideros).

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Durante la operación, el fluido de trabajo de una máquina térmica absorbe calor (Q H) de la reserva caliente, produce una cantidad neta de trabajo (W NETO), descarta calor (QL) hacia un depósito de baja temperatura y regresa a su estado inicial. Por tanto, la primera ley se reduce a:

6.1.

Eficiencia térmica

[La eficiencia térmica de cualquier motor calórico se define arbitrariamente como:

es decir, la fracción de calor absorbido que se obtiene como trabajo producido... la eficiencia térmica de un motor de Carnot está dada por

(Abbott y Vanness, 36)] Eficiencia: en una máquina térmica, la eficiencia se define como:

Donde:

10



η: Rendimiento o eficiencia térmica. Representa la parte de calor que la máquina aprovecha para realizar trabajo. Su valor se establece en tanto por uno ( η = 1 significa rendimiento del 100% )



W: Trabajo realizado por la máquina. Su unidad de medida en el sistema internacional es el julio ( J )



QH, QL: Calor. Representa el flujo de calor transferido entre la fuente y la máquina y la máquina y el sumidero respectivamente. Su unidad de medida en el sistema Internacional es el julio (J ), aunque también se usa la caloría ( cal ). 1 cal = 4.184 jul

6.2. 

Interpretación física de la entropía y del segundo principio

La termodinámica constituye un poderoso formalismo de gran generalidad, edificado sobre muy pocas y muy simples hipótesis. El concepto central introducido a través de estas hipótesis es la entropía... En el formalismo resultante, no obstante, la entropía es uno de los parámetros extensivos del conjunto, junto con la energía, el volumen, el número de moles y el momento magnético. Puesto que cada una de estas últimas cantidades tiene una clara interpretación física, resultaría extraño realmente si la entropía únicamente estuviese exenta de una interpretación física.



El objeto de la mecánica estadística es el proveer una interpretación física de la entropía, y aportar una justificación heurística para el segundo principio de la termodinámica. (Callen, 329)

11

6.3.

Motores y bombas térmicas

Se definen los motores térmicos como los dispositivos que producen trabajo mediante un proceso de intercambio de calor entre dos recipientes, no obstante el cual permanece sin cambios.

fig. 1

Considérese el motor térmico de la fig.1. La variación de entropía para el sistema total es

DST = DSC + DSF + DSM Dado que la entropía del motor no varía al ser éste cíclico, DSM = 0, entonces (1)

Para el motor, la primera ley da DUM = QC - QF - W y puesto que DUM, W = QC - QF

(2)

Combinando (1) y (2) para eliminar QC tenemos 12

W + QF = -TC (DST - QF / QF) y reagrupando, queda en W = -TCDST + QF (TC / TF - 1)

(3)

Si suponemos el caso límite en que los procesos son reversibles, es decir, DST = 0, entonces (3) se reduce a W = QF (TC / TF - 1)

(4)

Entonces, para que el mecanismo realice trabajo, W > 0, es necesario que QF > 0 TC > TF Es decir, es necesario que se disipe una cierta cantidad de calor al depósito externo (entorno) y que la temperatura del depósito interno (fuente de calor) sea superior a la temperatura del depósito externo, incluso en la condición límite de reversibilidad. Es imposible convertir completamente el calor en trabajo, ya que una parte del calor utilizado debe ser disipado (perdido) al exterior, sin posibilidad de realizar trabajo con él. [Esta observación con respecto a los motores térmicos es tan básica que su enunciado formal, a menudo, se considera como una expresión alterna de la segunda ley de la termodinámica: Es imposible construir un motor que, al funcionar en ciclos, no produzca un efecto que no sea la extracción de calor de un depósito y la realización de una cantidad equivalente de trabajo. Este es el enunciado Kelvin/Planck de la segunda ley. Todos los motores térmicos deben disipar parte del calor que absorben y los recipientes naturales de calor disponibles para absorber este calor disipado son la atmósfera, los lagos, ríos y océanos. Las temperaturas de éstos son del orden de 300 K. Los recipientes de calor prácticos a TC son objetos como por ejemplo: hornos y los reactores nucleares mantenidos a altas temperaturas mediante la combustión de energéticos fósiles y la fisión de elementos radiactivos, respectivamente. Los componentes básicos de todas las plantas energéticas estacionarias que generan electricidad son: una fuente de calor, a alta temperatura, un motor térmico, los cuales pueden ser altamente complejos y un sumidero para la descarga del calor residual, o sea el medio ambiente. Esta descarga de calor residual hacia el medio ambiente

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o contaminación térmica, es una consecuencia inevitable de la segunda ley de la termodinámica" (Abbott y Vanness, 36)]

7. REFRIGERADORES Como la transferencia de calor en la naturaleza ocurre en sentido de mayor a menor temperatura, la transferencia en sentido inverso requiere de un dispositivo denominado refrigerador. Los refrigeradores como las bombas de calor, sin dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo en el ciclo se denomina refrigerante. El ciclo de refrigeración más empleado es el “ciclo de refrigeración por compresión por vapor”, en el que intervienen cuatro componentes: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. El refrigerante entra al compresor como vapor y se comprime hasta la presión del condensador, posteriormente sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y se condensa a medida que fluye por los serpentines del condensador rechazando calor al medio circundante. Después entra al tubo capilar donde su presión y temperatura caen de forma drástica debido al efecto de estrangulamiento. Luego, el refrigerante a temperatura baja entra al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor. El objetivo de un refrigerador es eliminar QL de un espacio refrigerado. Coeficiente de desempeño (CDF, COPR) La eficiencia se mide en términos de la relación entre lo que se quiere obtener con respecto a lo que entra, en un refrigerador se requiere remover QL y requiere entrada de potencia, por lo tanto:

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8.

EL CICLO DE CARNOT

Si no es posible que las máquinas térmicas tengan una eficiencia térmica de 100 por ciento, entonces qué es lo que determina el límite superior? Ciertamente es de esperarse que la eficiencia térmica de una máquina térmica dependa del grado de reversibilidad de la operación. Por otra parte, una máquina térmica que funcione de una manera completamente reversible es muy especial, y se conoce como máquina de Carnot. Las características de esta máquina ideal fueron descritas por primera vez por Sadí Carnot en 1824. Las cuatro etapas de las que consta un ciclo de Carnot se llevan a cabo en el orden siguiente:

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1. Expansión isotérmica reversible: el sistema mantiene contacto con la reserva caliente a TH, y experimenta un proceso isotérmico reversible durante el cual el calor QH se absorbe de la reserva caliente y aumenta su volumen. 2. Expansión adiabática reversible: el sistema ahora es adiabático con un aislamiento adecuado, el gas se expande lentamente y realiza trabajo sobre el entorno hasta que la temperatura disminuye de TH a TL. 3. Compresión adiabática reversible: al sistema se le retira el aislamiento y está en contacto con el sumidero a TL y una fuerza externa realiza trabajo sobre el sistema pero manteniendo su temperatura constante por medio de la eliminación de calor (QL) 4. Compresión

adiabática

reversible:

colocando

nuevamente un aislamiento y se comprime el sistema de manera reversible, entonces el gas vuelve a su estado original. La temperatura sube de TL a TH durante este proceso adiabático que completa el ciclo. En el diagrama P-v se muestra el proceso, el área bajo la curva 1-2-3 es el trabajo que se realiza durante la expansión del ciclo y el área bajo la curva 3-4-1 es el trabajo realizado sobre el sistema durante la compresión del ciclo. El área que encierra la trayectoria del ciclo es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo.

Por ser un ciclo reversible, el de Carnot es el más eficiente que opera entre dos límites de temperatura, TH y TL 16

9. CICLO DE CARNOT INVERSO Si se considera el proceso inverso al ciclo de Carnot, se

tiene

un

ciclo

de

refrigeración de Carnot. El ciclo es exactamente el mismo

sólo

que

las

direcciones

de

las

interacciones

son

las

opuestas: el calor QL se absorbe de un depósito de temperatura a TL, el calor QH se rechaza hacia un depósito a TH y se requiere una cantidad de trabajo W NETO para completar el ciclo. MAQUINA TERMICA DE CARNOT

Una máquina que opera en el ciclo reversible de Carnot se denomina máquina térmica de Carnot. Las relaciones son similares a las usadas en las máquinas térmicas generales y la eficiencia se puede estimar con la temperatura absoluta:

10.

REFRIGERADORES DE CARNOT

Un refrigerador que opera en el ciclo inverso de Carnot, se llama refrigerador de Carnot. La eficiencia se mide igualmente en términos de la temperatura absoluta. Para los refrigeradores:

Estos son los coeficientes de desempeño más altos que puede tener un refrigerador que opera entre dos límites de temperatura TL y TH. Los refrigeradores reales que operan entre los límites de temperatura tienen menores coeficientes de desempeño. 17

11. APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA EN EL CAMPO DE LA INGENIERÍA.

18

El trabajo realizado por el cuerpo que baja hace aumentar la energía interna del aire contenido en el volumen fijo, es imposible que el aire se use para hacer girar las paletas y suba el peso.

Máquina de vapor Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas: Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro. El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbo máquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor 19

alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

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12.

BIBLIOGRAFÍA

http://www3.imperial.ac.uk/pls/portallive/docs/1/16075696.PDF http://miguelhadzich.com/wp-content/uploads/2012/10/Libro-Termodinamica-Cap-11-SegundaLey-Hadzich.pdf https://www.fing.edu.uy/if/cursos/fister/apoyo/notas/2ley.pdf https://ingerick18.wordpress.com/fisica-de-fluidos-y-termodinamica/tercer-corte/leyes-dela-termodinamica/segunda-ley-de-la-termodinamica/

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