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segunda ley y la entropia

Presentación de los fundamentos que originan la Segunda Ley de la Termodinámica y la Entropía
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on 25 April 2014

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Transcript of segunda ley y la entropia

Integrantes
DESIGUALDAD DE CLAUSSIUS
S universo >= 0

William Thomson Kelvin (1824-1907)
Físico y matemático británico. Entre otros aportes a la geología, geofísica, electricidad y la escala de la temperatura., en el tema de la energía podemos destacar que en 1851 presentó a la "Royal Society" de Edimburgo una memoria sobre la teoría dinámica del calor ”Dynamical theory of heat”; en este texto encontramos el principio de la disipación de la energía, que en conjunto con el enunciado equivalente de Clausius, del año anterior, integra la base del segundo principio de la termodinámica. Así, demostró que las conclusiones de Carnot no eran opuestas a la obra de Rumford, Robert Mayer y Joule; la teoría dinámica del calor, juntamente con el principio de la conservación de la energía.

C
Segunda Ley:
"El calor jamás fluye espontáneamente de un objeto frío a un objeto caliente" (Inzunza , 2002)
Científicos que contribuyeron en esta ley
Con la llegada de la revolución industrial y las maquinas de vapor, comienzan las investigaciones sobre eficiencia, de modo que estas maquinas reduzcan a un menor porcentaje su consumo energético (calor), con el aumento de su producción al máximo (trabajo). Así en este periodo nacen investigaciones de algunos científicos, que buscando llegar a maximizar la eficiencia, establecieron la Segunda Ley Termodinámica.

2° Principio de la Termodinámica:
Entropía
Maquinas térmicas
Espontaneidad de los procesos termodinámicos
Combustión Externa
Se les suministra calor a través de una fuente externa a ellas, por ejemplo la locomotora a vapor, que funciona gracias a la combustión del carbón. El rendimiento se disminuye , por ejemplo, debido a que los recipientes no contienen bien el calor.
Combustión Interna
equilibrio
proceso
Caso Particular
para el Sistema Aislado.
Como el sistema es aislado, este no recibe energía ni materia de los alrededores del sistema, osea para este caso no hay que tomar en cuenta la entropía de los alrededores ni la variación de entropía que pueda llegar a tener el sistema.
Sistema cerrado.
Para un sistema cerrado el cual permite el traspaso de energía, y se ve afectado por la entropía del entorno, la entropía del sistema se ve afectada de de diferentes formas dependiendo del proceso al cual se sometió al sistema
Proceso Cíclico.
Proceso en el cual el sistema es sometido a un conjunto de cambios termodinámicos, para finalmente volver a su estado inicial.
Proceso Adiabático Reversible
Proceso en el cual el sistema no presenta variaciones de calor, por lo tanto la entropía del sistema no varia.
Proceso Isotérmico Reversible
En este proceso donde la temperatura es una constante, solo se necesitara conocer la variación de calor, para este proceso la variación de entropía nunca es de valor 0.
Proceso Isobárico Reversible
En el proceso isobárico donde la presión es una constante, en éste la diferencia de calor es igual la diferencia de entalpía.
El suministro de calor esta dentro de la misma máquina, como en los automóviles. El rendimiento puede disminuirse debido al roce.
Para realizar actividades en la vida diaria, son necesario ciertos artefactos, cuya funciones las podemos clasificar en aquellas que transforman el trabajo en calor y otras que realizan el proceso inverso. Durante este cambio existen trabajos realizados por fuerzas no conservativas, y transferencias de calor que impiden que la transformación sea totalmente efectiva. A continuación se indicará los tipos de máquinas por:
Proceso Isocorico Reversible.
En el proceso isocórico donde el volumen es una constante, en este proceso la diferencia de energía interna es de igual magnitud que la diferencia de calor.
Tipos de máquina imposibles
Diversos científicos en su afán de comprender de que forma y en que sentido se producen los procesos termodinámicos, propusieron maquinas "imaginarias" con ciertas condiciones que a continuación se designan:
Máquina térmica de Kelvin

Refrigerador térmico de Clausius
No se puede "quitar" el calor de un sistema, para transformarlo en trabajo mecánico; si este sistema permanece a una temperatura constante y no varía ni éste, ni sus alrededores.

No existe ningún proceso espontáneo que sólo transporte el calor desde un objeto de menor temperatura a otro de mayor grado de agitación térmica.
Enunciado de
Kelvin
Enunciado de
Clausius
Maquinas posibles
Trabajo
Clausius
Si se le aplica un trabajo a una maquina, ésta puede transportar el calor desde un sistema que tiene menor temperatura a otro que tiene mayor agitación térmica.
Calor
Trabajo
Kelvin
Al intentar generar trabajo, a través del aporte de calor, gran cantidad de éste se traduce a trabajo, pero el resto del calor aplicado es liberado a otra zona que tenga una menor temperatura que la fuente de suministro.
Maquinas térmicas y los enunciados de Kelvin y Clausius
Validación de los Enunciados
Si se dijese que uno de los dos postulados es falso (A),
entonces existiría la correspondiente maquina imposible (A)
y ésta combinada con una maquina del enunciado que no se cuestiona (B), sería una maquina imposible de éste último enunciado (B)
Lo que indicaría que el enunciado B seria falso
De esta forma, si se afirma que uno de los dos enunciados es falso, a partir de esta negación se deduce que el otro es errado; por lo tanto los enunciados se validan y sustentan mutuamente.
Ciclo de Carnot
Tercer Principio Termodinámico
“En cualquier proceso isotérmico que implique sustancias puras, cada una en equilibrio interno, la variación de entropía tiende a cero cuando la temperatura tiende a cero (0°k)”
La tercera ley termodinámica postula que:
-Al llegar al cero absoluto (0 K) cualquier proceso de un sistema se detiene. 
-Al llegar al 0 absoluto (0 K) la entropía alcanza un valor constante.

En palabras simples para llegar al cero absoluto todo debería estar en orden, para ello solo hay una disposición de las moléculas permitiendo conocer la entropía de cualquier sustancia a 0°k. Sabiendo que en una sustancia pura en estado condensado estable (solido – liquido) la entropía es cero cuando su presión es equivalente a 1 bar y su temperatura tiende a 0.

Todo sistema en equilibrio siempre tiende a la entropía positiva, esto puede ser ejemplificado con una baraja de cartas (macroscópicamente), es improbable que al barajarlas estas estén en su orden original, pero cada carta individual (microscópicamente) tiene un dibujo ordenado el cual no cambia .

A nivel
Macroscópico
A nivel
Microscópico
Descrito por las variables
Presión
Volumen
Temperatura
Las partículas a nivel macroscópico pueden estar tanto en orden como en desorden, ya que estas pueden tomar distintas posiciones.
Descrito por las variables
Posición
Velocidad
Las partículas a nivel microscópico están ordenadas, ya que no poseen otro estado en ellas a diferencia de las macroscópicas en las que están contenidas.
En termodinámica si se analizan las sustancias puras se tiene que :
A mayor separación de las partículas (estado gaseoso) mayor es la entropía, y a medida que se van ordenando su entropía tiende a disminuir.
Además a medida que el numero de moles aumente, su grado de desorden (entropía) también lo hará.
En la naturaleza, de manera espontánea siempre el calor fluye desde el cuerpo mas cálido al mas frió nunca en sentido contrario.
Variación de entropía en Cambios de Fase
Los sistemas pueden cambiar de estado bajo ciertas condiciones requiere de un cambio físico y una cierta cantidad de calor.
Cambio de Estado Para un Gas Ideal.
Un das ideal serán aquellos que, en un mol del gas ocupen 22,4 litros de espacio en condiciones normales, y su variación de entropía está dada por:
Para poder describir los fenómenos que ocurren en las máquinas o en la naturaleza, es necesario establecer este modelo cíclico y simplificado propuesto por Sadi Carnot (y en parte por Clausius), que explica los intercambios de calor y trabajo entre el sistema y el universo. Como ya se ha mencionado, para que se realicen estos procesos es necesario un gradiente o "potencial" térmico, esto se obtiene gracias a que existe una fuente de mayor temperatura que llamaremos "1" y otra de menor grado de agitación térmica "2". Toda transformación cíclica o real que es analizada de forma diferencial, podrá ser estudiada a través de este ciclo.
Máquina
En la imagen se observa la transformación de calor en trabajo, en la cual se absorbe calor "Q1" y se libera "Q2"; la temperatura "T1" es mayor que la "T2".
Si se invirtiesen los sentidos de las flechas, es decir, cambiando la absorción por liberación y viceversa, éste proceso sería una maquina posible de Clausius o congelador.
Expansión Isotérmica.
Desde el punto A hasta el punto B.
Expansión Adiabática.
Desde el punto B hasta el punto C.
Compresión Adiabática.
Desde el punto C hasta el punto D.
Compresión Isotérmica.
Desde el punto D hasta el punto A.
Trabajo del Ciclo de Carnot.
Tomando en cuenta lo anterior, se hablará del trabajo realizado por el ciclo de Carnot, como la suma de los trabajos individuales.
Como se sabe que:
Se puede afirmar que:
Rendimiento.
El ciclo de Carnot tiene un rendimiento (n), que depende a la cantidad de calor absorbido y el trabajo empleado por la maquina térmica al cual está ligado.
A
B
D
Exp. Isotérmica
Exp. Adiabática
Com. Isotérmica
Com. Adiabática
Diagrama Presión versus Volumen
Este será un cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido de la forma :
En la imagen se muestran las trayectorias:
A->B Expansión isotérmica debido a la absorción de calor, con la generación de trabajo.
B-> C Expansión adiabática el sistema se encuentra aislado de las fuentes, no hay transferencia de calor.
C-> D Compresión isotérmica el sistema libera calor.
D-> A Comprensión adiabática el sistema aislado reduce su volumen.
Resumiéndose en:
Aplicación del ciclo de carnot.
Cálculo del calor, trabajo y rendimiento en Ciclos de Carnot.
Cualquier proceso cíclico puede ser expresado en ciclos de Carnot mas pequeños con un limite perfecto.
Rudolf Clausius (1822-1888)
Físico alemán, uno de los fundadores de la termodinámica. En 1850, enunció el segundo principio de la termodinámica como la imposibilidad de flujo espontáneo de calor de un cuerpo frío a otro caliente sin la aplicación de un trabajo externo: "el calor no puede pasar de un cuerpo frío a uno más cálido espontáneamente". enunciado en la memoria Sobre la fuerza motriz del calor, que fue presentada a la Academia de Ciencias de Berlín en 1850. Un año después el británico Kelvin enunció también este principio, de forma distinta pero equivalente. En 1865, partiendo de las demostraciones de Carnot sobre los ciclos de calor, surge el término entropía, definido la proporción de energía de un sistema que no es capaz de desarrollar trabajo, demostró que la entropía de un sistema aumenta en un proceso irreversible. Los avances de la maquina de vapor también se atribuyen a sus estudios.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (París, 1796, 1832)
Ingeniero y científico, describió el ciclo térmico que lleva su nombre (ciclo de Carnot), a partir del cual se deduciría el segundo principio de la termodinámica. Este fue publicado en su ensayo en 1824 titulado “reflexiones sobre la potencia motriz del fuego” en el cual describe en detalle el funcionamiento energético de una maquina idealizada, el cual depende únicamente de la temperatura inicial y final de la sustancia que impulsa la maquina sin importar su naturaleza química.
Las particiones para los ciclos de Carnot son (expresión diferencial):
Ludwig Boltzmann (1844-1906)
Físico austriaco  entre 1867 y 1869 colaboró con Joseph Stefan en las investigaciones que llevaba a cabo sobre las pérdidas de energía sufridas por los cuerpos muy calientes. En 1870 publicó los artículos donde exponía cómo la segunda ley de la termodinámica se puede explicar aplicando las leyes de la mecánica y la teoría de la probabilidad a los movimientos de los átomos. Demostró de forma practica la defunción de entropía y su formula (S = K∙ln w), la cual esta escrita en su lapida posterior a su suicidio.
Introducción
De la misma forma:
BIBLIOGRAFÍA
INZUNZA,2002. Juan Inzunza B. Física: Introducción a la Mecánica. Proyecto de docencia. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Departamento de física de la Atmósfera y el Océano. [en línea vista 02-11-2013]. Barrio Universitario,Concepción.Primera edición Agosto 2002.Capítulo 15 pág. 431-452.<http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/portada.pdf>
Química, manual esencial santillana pág 122 a 127
www.biografiasyvidas.com
Cuando quebramos una copa de vino, sufrimos porque sabemos que ya es imposible repararlo, ya que cada cristal se subdividió de tal forma que es imposible pegar todos los trozos que la componían , es por eso que la espontaneidad de un proceso aumenta el desorden de un sistema, sin que éste pueda volver a su originalidad.
Necesidad de una Segunda ley
debido a la espontaneidad
Criterio de Espontaneidad
Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de Entropía del Universo.
ΔS universo > 0

Proceso reversible:
ΔSuniv = ΔSsis +ΔSent= 0
Proceso irreversible:
ΔSuniv = ΔSsis+ ΔSent> 0


Interpretación molecular de la Segunda Ley
Entropía:
Propiedad extensiva
Espontaneidad
"Un arreglo desordenado es más probable que uno ordenado, si se dejan actuar las leyes de la naturaleza sin interferencia" (Inzunza,2002)
Los sistemas aislados tienden al desorden y la Entropía es una medida de ese desorden.
La Entropía del Universo crece en todos los procesos naturales. (Inzunza,2002)
Entropía
La entropía es una función de estado relacionada con la segunda ley de la termodinámica, donde todos los estados físicos tienden al estado más probable y ese es siempre el que tiende a aumentar el desorden.
El Universo está regido por esta ley.
Entropía de un sistema
El cambio en la Entropía de un sistema sólo depende de las propiedades de los estados de equilibrio inicial y final. (Inzunza,2002)
Entonces la variación del desorden en un estado termodinámico finito es la variación del calor transferido (dQ) cuando el sistema se encuentra a una temperatura T.
Ecuación de la entropía
La Entropía es una función de estado y una propiedad extensiva, es decir, que depende de la masa del sistema.
Además sus unidades están definidas en Joules/ °K
Ejemplo de Entropía
Tipos de Procesos
Proceso Isocórico Reversible
En este vídeo se presenta una demostración de la segunda ley termodinámica en forma práctica, tomando distintos objetos tales como botellas o globos con agua y como estos tienden al desorden.
Ciclo de Carnot
Trabajo y Calor
Nelson Pereira
-Carrera: geología
-Temas realizados:
Las maquinas térmicas posibles e imposibles
Validación enunciados de Kelvin y Clausius
Introducción teórica del ciclo de carnot
Diagrama de presión volumen del ciclo
Distribución y tamaño de las diapositivas
Vanessa Valderrama
-Carrera: geología
-Temas realizados:
Interpretación molecular de la segunda ley termodinámica
Entropía a nivel macromolecular y micromolecular
Tercer principio termodinámico
Biografias de los científicos participantes

-Carrera: geología
-Temas realizados:
Ciclo de carnot
Caso aislado y caso cerrado
Variación de fase
Karina Olivo
-Carrera: Geología
-Temas realizados:
Entropía
Espontaneidad en los procesos termodinámicos
Definición Segunda Ley Termodinámica.
Gabriel Suarez
Universidad de Atacama
noviembre de 2013
Profesor: Juan Chamorro
Asignatura: Termodinámica
Tiempo empleado: 12 hrs aprox
Nota autoevaluación: 6.7
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LA ENTROPÍA
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