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Nombre: Alan Felipe Olvera Pacheco. Actividad 7: Entropía basada en la segunda ley de la termodinámica. Materia: Termodinámica. Profesor: Benjamín Vaca Moreno. Plantel: UNIDEG San José Iturbide Gto.

Introducción.

En el presente trabajo se va a explicar con definiciones, conceptos y un ejemplo de la aplicación de la segunda ley de la termodinámica para así llevarnos más un conocimiento a parte de las clases vistas por el tutor, esto me va a servir para reforzar conocimientos, comprender los últimos temas de esta materia para así cerrar con éxitos. El uso de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos, también afirma de energía y sus transformaciones sin considerar su calidad. Conservar la calidad de la energía es una cuestión importante, y la segunda ley provee los medios necesarios para determinarla, así como el grado de degradación que sufre durante un proceso; se usa también para determinar los limites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario, así como predecir el grado de terminación de las reacciones químicas.

La entropía es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para realizar trabajo y que, en consecuencia, se pierde. El término entropía fue inicialmente acuñado por el físico alemán Rudolf Clausius al observar que, en cualquier proceso irreversible, siempre se iba una pequeña cantidad de energía térmica fuera de la frontera del sistema. El segundo principio de la termodinámica establece que, si bien todo el trabajo mecánico puede transformarse en calor, no todo el calor puede transformarse en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica se expresa en varias formulaciones equivalentes: Enunciado de Kelvin – Planck. No es posible un proceso que convierta todo el calor absorbido en trabajo. Enunciado de Clausiois. No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un cuerpo frío a otro más caliente. El 24 de agosto de 1888, fallecía el físico y matemático alemán Rudolf Julius Emmanuel Clausius. En sentido formal, el segundo principio de la termodinámica dictamina que la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sino que se transforman, y establece el sentido en el que se produce dicha transformación.

El conjunto de una máquina que transfiera calor del foco frío al caliente (Clausius) combinado con un motor nos da como resultado una máquina que absorbe calor de una sola fuente y lo transforma íntegramente en trabajo (Kelvin-Planck). Segunda ley de la termodinámica: en cualquier proceso cíclico, la entropía aumentará, o permanecerá igual. La entropía es una variable de estado cuyo cambio se define por un proceso reversible en T, y donde Q es el calor absorbido, y al igual que una medida de la cantidad de energía que no está disponible para realizar trabajo. Puesto que la entropía da información sobre la evolución en el tiempo de un sistema aislado, se dice que nos da la dirección de la "flecha del tiempo". Si las instantáneas de un sistema en dos momentos diferentes, muestran uno que está más desordenado, entonces se puede deducir que este estado se produjo más tarde en el tiempo que el otro. En un sistema aislado, el curso natural de los acontecimientos, lleva al sistema a un mayor desorden (entropía más alta) de su estado. Entropía en Términos de Calor y Temperatura, la fórmula que originalmente se usó para definir la entropía S es: dS = dQ/T. Se puede integrar para calcular el cambio en la entropía durante una parte de un ciclo de motor. En el caso de un proceso isotérmico, se puede evaluar simplemente por ΔS = Q/T. En este contexto, el cambio en la entropía se puede describir como el calor añadido por unidad de temperatura y sus unidades son los Julios/ºKelvin (J/K) o eV/ºK. La 2ª Ley de la Termodinámica se aplica solamente a sistemas aislados, es decir, a sistemas en los cuales las transformaciones implicadas quedan todas incluidas en ellos (como es el caso de la "dilución homeopática"). En sistemas abiertos, en cambio, así como la energía puede pasar de un sistema a otro –y entonces mientras uno la pierde, el otro la gana, pero el balance total es igual a cero-, lo

mismo acontece con la entropía: si un sistema gana en entropía, su alrededor (que es otro sistema) la pierde, pero el balance total es nulo. Variaciones de entropía en procesos irreversibles. Para calcular las variaciones de entropía de un proceso real (irreversible) hemos de recordar que la entropía (como la energía interna) depende solamente del estado del sistema. Una variación de entropía cuando el sistema pasa de un estado A a otro B de equilibrio depende solamente del estado inicial A y del estado final B. Para calcular la variación de entropía ΔS de un proceso irreversible entre dos estados de equilibrio: Como veremos en los ejemplo, la variación de entropía ΔS es siempre positiva para el sistema y sus alrededores en un proceso irreversible. La entropía de un sistema aislado que experimenta un cambio siempre se incrementa. En un proceso reversible la entropía del sistema aislado permanece constante. Conducción térmica:

En el proceso de conducción del calor, el sistema está formado por un foco caliente a la temperatura Ta conectado mediante una barra a un foco frío a la temperatura Tb. La barra hecha de un material conductor del calor está

perfectamente aislada. Se transfiere a través de la barra una cantidad de calor Q del foco caliente al foco frío. Como el foco frío absorbe calor, su entropía aumenta en Q/Tb. Al mismo tiempo, como el foco caliente pierde calor su variación de entropía es -Q/Ta. Cambio de estado.

Un sólido cuyo calor de fusión es Lf funde a la temperatura Tf. Calcular la variación de entropía cuando una masa m de sólido funde. En el proceso de cambio de estado una sustancia absorbe una cantidad de calor mLf manteniendo la temperatura constante Tf.

Calorímetro de mezclas.

En un calorímetro de mezclas, una sustancia de masa m1 y calor específico c1 y temperatura inicial T1 se coloca en contacto con una segunda sustancia de masa m2, calor específico c2 y temperatura inicial T2>T1. Las dos sustancias se colocan en un calorímetro de modo que forman ambas un sistema aislado. Una vez que alcanzan el equilibrio térmico a la temperatura Te vamos a calcular la variación de entropía. La sustancia que inicialmente tiene la temperatura más alta cede calor a la sustancia que inicialmente tiene temperatura más baja, la primera disminuye su temperatura, la segunda la aumenta hasta que ambas alcanzan el equilibrio a la temperatura Te. m1·c1·(Te-T1)+m2·c2·(Te-T2)=0

Expansión de un gas.

Consideremos la expansión adiabática de un gas ideal que ocupa inicialmente un volumen V1. Se rompe la membrana que separa el gas de la región en la que se ha hecho el vacío, el gas se expande irreversiblemente hasta ocupar un volumen V2.

El trabajo realizado por el gas es cero W=0, y ya que las paredes del recipiente son aislantes, no se transfiere energía hacia el exterior, Q=0 Como la energía interna no cambia ΔU=0, la temperatura no cambia, ya que la energía interna de un gas ideal solamente depende de la temperatura T. Para calcular la variación de entropía, podemos imaginar un proceso reversible isotérmico a la temperatura T en la que el gas empuje muy despacio el émbolo mientras la energía entra en el gas procedente de un foco de calor para mantener la temperatura constante.

Ejercicios de la segunda ley de la termodinámica.

Como se comentó texto atrás, “Es imposible construir una máquina térmica que transforme en su totalidad el calor en energía y viceversa”. La Eficiencia de una máquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado. Y podemos encontrarla de diversas formas:

Dónde:

W= Trabajo Mecánico [Cal, Joules]

Q= Calor suministrado a la máquina por el combustible en calorías (cal) o en Joules (J) = Eficiencia de la máquina térmica. También la podemos encontrar de la siguiente manera:

Dónde: Q1= Calor Suministrado [Cal, Joules] Q2= Calor Obtenido [Cal, Joules] La eficiencia de una máquina térmica se puede calcular también en función de la relación que hay entre la temperatura de la fuente caliente (T1) y la fuente fría (T2), ambas medidas en temperaturas absolutas, es decir, en grados Kelvin (K) dónde:

Ejemplo de eficiencia de máquinas térmicas. Una máquina térmica teórica opera entre dos fuentes termales, ejecutando el ciclo de Carnot. La fuente fría se encuentra a 127 °C y la fuente caliente, a 427 ° C. ¿Cuál es el rendimiento porcentual de esa máquina? Solución:

Si observamos bien el problema, en este solamente contamos con las temperaturas, pero no contamos con otro tipo de dato. Si leemos muy bien el tema nos daremos cuenta que podemos usar la fórmula de la eficiencia térmica en términos de las temperaturas. Pero primero debemos de convertir las temperaturas en absolutas.

Aplicando la fórmula de la eficiencia:

Sustituyendo nuestros datos en la fórmula:

Multiplicando por 100, para convertirlo en porcentaje

Por lo que la eficiencia es de 43%.

Conclusión.

Como conclusión del presente trabajo se pudo tomar en cuenta y entender más a fondo la segunda ley de la termodinámica, así como también los temas de las maquinas térmicas, como estas se diferencias de los refrigeradores pero en si tienen algo en común, que es obtener energía para transformarla en trabajo. También se vio el ciclo de Carnot, el cual se divide en 4 fases dos isotérmicos y dos adiabáticos, este ciclo se define por un ciclo térmico que produce un equipo o maquina cuando trabaja absorbiendo calor y cediendo. La resolución del ejercicio acerca de la de la eficiencia de las maquinas térmicas es otro tema en el cual se reforzó el conocimiento y se pudo aclarar todo acerca de ese tema. La resolución de esta actividad fue muy satisfactoria y muy productiva para así concluir con esta materia.