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segunda y tercera ley de la termodinamica

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on 7 November 2013

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Transcript of segunda y tercera ley de la termodinamica

photo credit Nasa / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli
Segunda y tercera ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Restringe la conversión de calor en trabajo y la dirección del flujo de calor de un sistema a otro
Es la magnitud que determina aquella porción de la energía que no puede usarse para producir trabajo. También se puede definir, como la cuantificación de desorden en el sistema.
Enunciado de kelvin
Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.

Enunciado de Clausius
Es imposible transferir calor de un reservorio de menor temperatura a uno de mayor temperatura.
Enunciado de Carnot
Sadi Carnot, en el año 1852, concluyó que es posible crear una máquina que funcionando cíclicamente pueda realizar un trabajo equivalente a la cantidad de energía absorbida por dos reservorios de temperatura en desnivel.
Tercera ley de la termodinámica
Por ejemplo, si un fluido a temperatura ambiente le colocamos hielo, después de un tiempo el fluido que inicialmente estaba a temperatura ambiente, ahora se encontrará a una menor temperatura, ya que hubo un flujo de calor del fluido a los cubos de hielo, disminuyendo así su temperatura.
Entropía
En la naturaleza, todo tiende a desordenarse, es decir pasar de un estado menos estable a uno mas estable.
Por ejemplo un helado tenderá a derretirse a temperatura ambiente y no a congelarse, siendo así aval de la segunda ley de la termodinámica
Matemática
Matemáticamente, la entropía es una función de estado, se denota comúnmente con una letra "S" y se define como el cambio infinitesimal de entropía durante un proceso reversible:
ds = [dQ/T]
Concepto
inicialmente se aplicó la entropía como cantidad de calor liberado por un sistema cuando se producía un choque de partículas, así mismo, si le suministramos calor al sistema, aumentará el choque particular, y a su vez, la entropía de éste.
Aplicando el concepto de entropía, podemos resumir la segunda ley de la termodinámica como:

∆S(sist) + ∆S(entr)= ∆S(univ)> 0
Para ejemplificar, podemos decir que el hielo a temperatura ambiente tiene un mayor grado de entropía que el agua a medio ambiente, por lo tanto, el hielo tenderá a derretirse y pasar a un estado mas probable (liquido).
La entropía de un sistema, al sufrir cambios irreversibles aumenta. Cuando el proceso es reversible, esta se mantiene constante y hay que dejar en claro que la entropía jamás disminuye.
Por contra parte, es posible obtener trabajo de un flujo de calor siempre y cuando existan 2 reservorios de temperatura con un desnivel de por medio.
Maquina térmica
Cuando la temperatura de un sistema permanece constante, la entropía del sistema puede aumentar o permanecer igual, pero jamás disminuirá.
Maquina térmica
Sin embargo, es factible traspasar calor de una fuente de poca temperatura a una de mayor temperatura, ejerciendo un trabajo sobre este proceso con una máquina térmica que haga esta función.
Éste es el principio básico de todos los sistemas de refrigeración actuales
Relacionando ambos enunciados...
Ahora imaginemos una máquina térmica que viole el enunciado de Clausius:
Supongamos una máquina térmica que viole el enunciado de kelvin:
Tendríamos, como concecuencia, que una máquina produciría trabajo equivalente al flujo de calor entre dos fuentes en desnivel de temperatura, accionando así una máquina frigorífica. A partir de esto, obtendríamos una máquina frigorífica que funcionaría solamente por la diferencia de temperatura y ésto violaría lo enunciado por Clausius.
Por consiguiente, obtendríamos una máquina que produciría una cantidad de trabajo equivalente a la cantidad del flujo de calor entre los dos reservorios de temperatura.
Asi podemos ver la estrecha relación existente entre ambos enunciados.
Gracias a esta relación, es que podemos ver reflejado en el hoy en dia la tecnología de refrigeración para la mantención de alimento, aire acondicionado, etc.
Principio básico de refrigeración
Ciclo de Carnot
También conocido como el cíclo perfecto, consiste en el detalle, proceso a proceso, de cómo es posible que pueda existir la máquina propuesta por Carnot
1) Expansión isotérmica reversible
Considerando un mol de gas ideal, empezamos el ciclo de carnot
En la fase inicial del ciclo de carnot, el gas se expande a temperatura constante.
2) Expansión adiabática reversible
Aquí, el gas vuelve a sufrir una expansión pero esta vez en un estado adiabático, es decir, la diferencia de calor entre el estado inicial y el final de ésta expansión es igual a 0.
3) Compresión isotérmica reversible
En la tercera etapa del proceso, el gas se comprime moviéndose por la curva de la isoterma, en el gráfico presión vs volumen.
4) Compresión adiabática reversible
Por último, el gas se comprime una última vez de forma adiabática (diferencia de calor igual a 0) para llegar a su estado inicial y empezar nuevamente el ciclo de Carnot.
El ciclo de Carnot se demostró matemáticamente, aplicando la matemática respectiva al tema, se logra demostrar que el trabajo total del proceso es igual a la cantidad de energía requerida por el mismo, dándonos a entender así, que éste proceso tiene una eficiencia del 100%, donde no exíste ningún tipo de pérdida de energía.
Ciclo de Carnot
Entropías absolutas
La tercera ley de la termodinamica que mas bien es el postulado de Nernst, quien señala lo siguente:
"La entropia de un sistema a la temperatura de 0°K, será 0"(Nernst. 1906)
Esto se debe a que a esa temperatura el orden es tal y la energía tan baja, que las partículas dejan de moverse.
La tercera ley permite conocer las entropías absolutas de cualquier sustancia debido a que estas están tabuladas y determinadas
podemos definir entropía absoluta como el valor de la entropía cuando la temperatura tiende a los 0°K
Para mayor información visite
http://es.wikipedia.org/wiki/Segundo_principio_de_la_termodin%C3%A1mica
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Enunciado_de_Kelvin-Planck
http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/enunciados-segundo-principio
http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/maquinas.html
http://cursosderefrig.blogcindario.com/2011/04/00003-principios-basicos-de-refrigeracion.html
https://www.google.cl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0CFcQFjAG&url=http%3A%2F%2Fanteproyectoautomatizacion.wikispaces.com%2Ffile%2Fview%2FREFRIGERACION.ppsx&ei=t0x5UriiNpPEqQGBu4DgBQ&usg=AFQjCNHFfWJYL2LWi3fOHuhD66rjmVZsYw&bvm=bv.55980276,d.aWM&cad=rja
http://termodinamicaeci.blogspot.com/2012/03/enunciadp-de-clausius-y-kelvin.html
https://www.google.cl/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=13&ved=0CG4QFjAM&url=http%3A%2F%2Fphysics.unl.edu%2F~cbinek%2FKelvin%2520and%2520Clausius%2520statements.pps&ei=EE15Ur-UAZPkqQGyrYDgAg&usg=AFQjCNHuZH8Zga--wPjaLLdc4yS0VSTIEQ&bvm=bv.55980276,d.aWM&cad=rja
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo2p/carnot.html
http://casanchi.com/fis/ciclo001.pdf
http://archivodequimica.blogspot.com/2012/09/walther-nernst-teorema-del-calor-y.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Tercer_principio_de_la_termodin%C3%A1mica
http://www.eluniverso.org.es/category/el-universo-y-la-entropia/
Se basa primordialmente en el postulado de Walther Nernst, quien gracias a este teorema, ganó el premio Nobel en 1920.
Teorema del Calor
" La entropía de una materia tiende a anularse cuando su temperatura se acerca al cero absoluto, constituyendo la tercera ley de la termodinámica.
El máximo trabajo que se puede obtener de un proceso podría ser calculado por el calor generado a temperaturas cercanas al cero absoluto".
(Nernst. 1906)
Interpretación molecular de la entropía
Los sistemas podemos agruparlos como sistemas macroscópicos y estos están formados por sistemas microscópicos. A su vez un sistema macroscópico puede estar ordenado o desordenado.
La entropía es una medida de la cantidad de sistemas microscópicos existentes, y a demás ya sabemos que la entropía siempre tendrá una tendencia a aumentar
Tendiendo en cuenta la tercera ley de la termodinámica y suponiendo que el "O° K" es alcanzable, se alcanzaría un orden máximo de los sistemas microscópicos, existiendo solo una disposición posible
Podemos finalmente establecer una relación entre la temperatura (quien le da energía a las moléculas y así mismo la capacidad para moverse y vibrar.
Es decir, a mayor temperatura mayor entropía (mayor desorden molecular) y a la inversa a menor temperatura menor entropía (mas orden molecular)
Bitácora
Horas trabajadas: 16 horas
Boris Carrasco Lindermeyer
Grabé video numero 1, recabé información sobre la tercera ley de la termodinámica.
Albert Maxwell Abarcia
Recabé información de la segunda ley de la termodinámica y del concepto de entropía, además de desarrollar brevemente lo referente a la entropía química
Cecilia Ocayo Cortés
Recabé información sobre la relación entre entropía y universo, redacté y seleccioné la información recabada por mis compañeros, busqué las imágenes y vídeos temáticos que aparecen en el trabajo.
Jorge Sánchez González
Recabé información y desarrollé el concepto de entropía, los enunciados de Kelvin, Clausius y Carnot (ciclo de Carnot), también hice la edición final y la estructura general del esquema
Entropía Química
Habla sobre la entropía según la naturaleza química de las sustancia.
Por ejemplo, la entropía de un gas será mucho mayor a la entropía de un sólido. A nivel particular, las partículas de un gas están mucho mas desordenadas que las partículas de una sustancia en estado solido
También existe una relación directa entre la entropía y los tamaños y estructuras de las moléculas.
Si los tamaños y estructuras moleculares son parecidas, sus entropías también deben serlo

Auto evaluación: 6.2
Auto evaluación: 6.0
Auto evaluación: 6.2
La palabra entropía viene del griego "em" que significa en, sobre y cerca de; y "sqopg" que significa cambio, evolución o transformación.
Es una función de estado, es decir no depende de la trayectoria, si no mas bien del estado final y el estado inicial
En procesos aislados, la entropía del universo jamás sera negativa solo puede ser positiva o igual a cero, sin embargo, el signo del valor de la entropía del entorno y del sistema, penderá del carácter de la reacción química, (si es exotérmica o endotérmica). También es una función extensiva, ya que se puede cuantificar y es aditiva.
Procesos reversibles
la entropía en estos tipos de procesos, será igual a cero y constante, debido a que durante la reacción no existe un intercambio de calor.
S(sist)+S(entorno) = S(univ) = 0
Procesos irreversibles
En estos procesos, la reacción se produce en una sola dirección y a partir de una serie de procesos la entropía puede aumentar o disminuir, pero jamás será negativa
S(univ) = S(entorno) + S(sist) > 0
Podemos concluir que la entropía del universo no puede ser negativa bajo ningún caso.
Calculo de entropía según el tipo de proceso
Proceso adiabático: S = 0
Procesos isocórico: S = CvLn(T2/T1)
Proceso isobárico: S = CpLn(T2/T1)
Proceso isotérmico: S = nRLn(V2/V1)
El calor que se transfiere gracias a un desnivel de temperatura, se puede transformar en trabajo siempre y cuando se cumplan ciertas reglas enunciadas por los siguientes enunciados
Maquina de vapor
Fue la primera maquina que pudo convertir el calor en trabajo, y así el primer motor que movió la industria mundial
Las maquinas de vapor es un ejemplo de como funciona el universo y en general todos los procesos termodinámicos de la naturaleza
Entropía y el universo
Clausius sugiere una idea de la cual habla que en base al segundo principio de la termodinámica "La entropía aumenta con el tiempo, lo cual es una regla general y no menos básica" (Clausius. 1865)
Según este segundo principio, la entropía aumenta constantemente, lo cual significa que las diferencias en la concentración de energía también van desapareciendo.
Llevando esto a la teoría de la creación del universo, la cantidad de energía liberada por el "Big-Bang", implica una mucho mayor cantidad de entropía, generando un caos máximo en el universo. La entropía alcanzará su máximo cuando la energía del universo esté perfectamente igualada, y a partir de eso no ocurrirá nada más, porque aunque la energía siga ahí, no habrá ya ningún flujo que haga que las cosas ocurran
Combustión interna
Combustión externa
Tipos de máquinas térmicas
Es cuando la fuente térmica pertenece a la máquina
Motor de explosión y motores diesel
Son aquellas que obtienen el calor de una fuente externa a la maquina
Matemática
El trabajo total del ciclo de Carnot esta dado por:
W(total) = R(T2-T1)Ln(Vb/Va)
Rendimiento
Rut: 18.405.647-K
Auto evaluación: 6.8
Rut: 18.141.666-1
Rut: 18.219.399-2
Rut: 18.142.041-3
Gracias por su atención
Entendiendo la entropía...
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