Segunda Ley de la Termodinámica

Artículo sobre la segunda ley de la termodinámica

Todos los procesos naturales ocurren en una sola dirección, pero no pueden ocurrir en la dirección opuesta; generalmente se denominan procesos irreversibles. Después de ser liberados del tallo y caída libre Cuando un mango cae al suelo, nunca vuelve a levantarse. Un libro que empujamos y luego dejamos de empujar nunca regresa hacia nosotros. Si tocamos un objeto caliente con uno frío, el calor fluye naturalmente del objeto caliente al frío. Nunca observamos el proceso inverso, donde el calor se transfiere naturalmente de un objeto frío a uno caliente. Si esto ocurriera, el objeto frío se enfriaría aún más, mientras que el caliente se calentaría. Pero en realidad, esto no sucede. Existen muchos procesos irreversibles que parecen diferentes entre sí, pero todos implican cambios en la forma de energía y la transferencia de energía de un objeto a otro.

Por ejemplo, un fuerte terremoto provoca el derrumbe de edificios (debido a la energía de las ondas sísmicas). ¿Alguna vez has visto cómo cada parte del edificio derrumbado se une y se levanta como antes? O, por ejemplo, un vaso que cae al suelo y se rompe... ¿Alguna vez has visto cómo los fragmentos de vidrio esparcidos por el suelo se unen y forman un vaso entero? Nunca ha sucedido... hay muchos otros ejemplos.

Para explicar los procesos termodinámicos que ocurren en una sola dirección (procesos irreversibles), los científicos formularon la segunda ley de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica explica qué procesos pueden ocurrir en el universo y cuáles no. Un científico llamado RJE Clausio (1822-1888) hizo la siguiente declaración:

El calor se mueve por sí solo de un objeto a alta temperatura a uno a baja temperatura; el calor no se mueve por sí solo de un objeto a baja temperatura a uno a alta temperatura (segunda ley de la termodinámica – enunciado de Clausius).

El enunciado de Clausius es una formulación particular de la segunda ley de la termodinámica. Se denomina así porque se aplica únicamente a un proceso: la transferencia de calor. Dado que este enunciado no se relaciona con otros procesos, necesitamos una formulación más general. El desarrollo de la formulación general de la segunda ley de la termodinámica se basó, en parte, en el estudio de las máquinas térmicas. Por lo tanto, comenzaremos por analizar las máquinas térmicas.

MOTOR TÉRMICO

Gran parte de la energía que utilizamos proviene de la energía potencial química contenida en el petróleo, el gas y el carbón. Esta energía potencial química no se puede utilizar directamente; primero hay que quemarlos. Generalmente, la combustión de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) produce calor. Este calor se puede usar directamente para cocinar y calentar una habitación. Para mover algo (por ejemplo, un vehículo), debemos convertir el calor en energía cinética o energía mecánica (energía mecánica = energía potencial + energía cinética). Convertir energía mecánica en calor es muy sencillo, pero convertir calor en energía mecánica es difícil. Frota las palmas de tus manos… ¿verdad que están calientes? Al frotar las palmas (realizamos trabajo), la energía mecánica se convierte en calor. El proceso es muy sencillo… Incluso se puede producir calor infinito realizando trabajo. Pero el proceso inverso, es decir, usar calor para realizar trabajo, es difícil.

El primer dispositivo para aprovechar el calor y realizar trabajo se inventó en 1700: la máquina de vapor. Estas máquinas se utilizaron inicialmente para bombear agua de las minas de carbón. Es importante destacar que el primer uso de las máquinas de vapor se produjo antes de que los científicos supieran que el calor es, en realidad, energía que se transfiere debido a las diferencias de temperatura (la primera ley de la termodinámica aún no se había formulado).

El uso de máquinas de vapor en aquella época probablemente se basaba en la experiencia cotidiana que demostraba que el vapor podía mover objetos. Las máquinas de vapor se consideran máquinas térmicas (una máquina térmica es un dispositivo que convierte el calor en energía mecánica). Hoy en día, las máquinas de vapor se utilizan para generar energía eléctrica. Las máquinas térmicas modernas son motores de combustión interna (motores de automóviles, motocicletas, etc.).

La idea fundamental de un motor térmico es que el calor solo se convierte en energía mecánica si fluye desde una zona de alta temperatura a una de baja temperatura. Durante este proceso, parte del calor se transforma en energía mecánica (se utiliza para realizar trabajo), mientras que otra parte se disipa en la zona de baja temperatura. El proceso de conversión y transferencia de energía en un motor térmico se ilustra en el diagrama.

Alta temperatura (T_H) y baja temperatura (T_L) también se denomina temperatura de funcionamiento del motor. El calor que fluye desde un lugar de alta temperatura se representa con el símbolo Q._H, mientras que al calor que se libera a un lugar de baja temperatura se le da el símbolo Q_L. Cuando fluye desde un lugar de alta temperatura a un lugar de baja temperatura, algunos Q_H convertida en energía mecánica (utilizada para realizar trabajo), parte de ella se libera como Q_L. En realidad, esperamos que todos Q_H se puede convertir en W, pero la experiencia cotidiana demuestra que esto es imposible. Siempre hay algo de pérdida de calor. Por lo tanto, basándose en la conservación de la energía, se puede concluir que Q_H = W + Q_L.

Ahora revisemos una máquina térmica comúnmente utilizada para convertir calor en energía mecánica. Es importante destacar que solo consideramos máquinas térmicas que realizan trabajo continuo. Para que el trabajo se realice de forma continua, el calor debe fluir continuamente desde una región de alta temperatura a una de baja temperatura. Si el calor fluye solo una vez, el trabajo realizado por la máquina térmica también se realizará solo una vez (la energía mecánica producida será muy pequeña). Por lo tanto, la máquina térmica no puede utilizarse de forma óptima. Una máquina térmica puede utilizarse de forma óptima si realiza trabajo de forma continua. En otras palabras, la energía mecánica producida por la máquina térmica es suficiente para mover algo.

Máquina de vapor

Las máquinas de vapor utilizan vapor de agua como medio de transferencia de calor. El vapor es la sustancia de trabajo de una máquina de vapor. Existen dos tipos de máquinas de vapor: las de pistón y las de turbina (turbinas de vapor). Sus diseños difieren ligeramente, pero ambos tipos comparten similitudes: utilizan vapor calentado mediante la combustión de petróleo, gas, carbón o energía nuclear.

Máquina de vapor de tipo alternativo

El agua en un recipiente se calienta generalmente a alta presión. Debido a esta alta presión, el proceso de ebullición se produce a una temperatura elevada. La temperatura es directamente proporcional a la presión. Cuanto mayor sea la temperatura del vapor, mayor será la presión de vapor. Este vapor a alta temperatura o presión pasa a través de la válvula de entrada y se expande contra el pistón. Al expandirse, el vapor empuja el pistón, provocando su desplazamiento hacia la derecha.

Parte del calor del vapor se convierte en energía cinética. Cuando el pistón se mueve hacia la derecha, la rueda conectada a él gira (1). Tras media rotación, la rueda empuja el pistón de vuelta a su posición original (2). Cuando el pistón se mueve hacia la izquierda, la válvula de entrada se cierra automáticamente, mientras que la de escape se abre automáticamente. El vapor se condensa en el condensador, convirtiéndose en rocío. A continuación, el agua del condensador se bombea de nuevo al recipiente para hervirla otra vez. Y así sucesivamente… Debido a que el proceso se repite, el pistón se mueve continuamente hacia la derecha y hacia la izquierda. Como el pistón se mueve continuamente hacia la derecha y hacia la izquierda, la rueda también gira continuamente. La rotación de la rueda se utiliza normalmente para mover algo.

Turbina de vapor

El principio de funcionamiento de una turbina de vapor es esencialmente el mismo que el de una máquina de vapor de pistón. La diferencia radica en que una máquina de vapor de pistón utiliza un pistón, mientras que una turbina de vapor utiliza una turbina. En una máquina de vapor de pistón, el calor se convierte primero en energía cinética de traslación del pistón. Posteriormente, esta energía cinética de traslación se convierte en energía cinética de rotación de la rueda giratoria. En una turbina de vapor, el calor se convierte directamente en energía cinética de rotación de la turbina. La turbina puede girar debido a una diferencia de presión. La temperatura del vapor por encima de los álabes es mucho mayor que la del vapor por debajo. Los álabes son placas delgadas ubicadas en el centro de la turbina. La temperatura es directamente proporcional a la presión. Dado que la temperatura del vapor por encima de los álabes es mayor que la del vapor por debajo, la presión del vapor por encima de los álabes es mayor que la presión por debajo. Esta diferencia de presión hace que el vapor empuje los álabes hacia abajo, provocando la rotación de la turbina. La dirección de rotación de la turbina se muestra en la figura.

Es importante destacar que el principio de funcionamiento de una máquina de vapor se basa en el diagrama de transferencia de energía explicado anteriormente. En este caso, la energía mecánica se genera al permitir que el calor fluya desde un objeto o lugar con alta temperatura hacia otro con baja temperatura. Por lo tanto, una diferencia de temperatura es esencial en una máquina de vapor.

Si observas cómo funciona una máquina de vapor de pistón alternativo, notarás que el pistón puede moverse hacia la izquierda y hacia la derecha incluso sin diferencia de temperatura (sin condensador ni bomba). El movimiento del pistón se debe a la expansión del vapor a alta temperatura o presión. En este caso, parte del calor del vapor se convierte en energía cinética de traslación del pistón. Esta energía cinética de traslación se transforma en energía cinética de rotación de la rueda giratoria. Tras completar media rotación, la rueda empuja el pistón hacia la izquierda. Al empujar el pistón hacia la izquierda, la energía cinética de rotación de la rueda se convierte nuevamente en energía cinética de traslación del pistón. A medida que el pistón se mueve hacia la izquierda, expulsa el vapor del cilindro. Simultáneamente, se abre la válvula de escape.

Así, el vapor impulsado por el pistón empujará al vapor que se encuentra debajo de la válvula de escape. Si la temperatura del vapor debajo de la válvula de escape es igual a la del vapor impulsado por el pistón, toda la energía cinética de traslación del pistón se convertirá de nuevo en energía interna del vapor. La energía interna es directamente proporcional a la temperatura. Si la energía interna del vapor aumenta, la temperatura del vapor también aumenta. La temperatura es directamente proporcional a la presión. Si la temperatura del vapor aumenta, la presión del vapor también aumenta. Por lo tanto, la presión del vapor liberado a través de la válvula de escape es igual a la presión del vapor que entra por la válvula de admisión. El pistón seguirá moviéndose continuamente de derecha a izquierda, pero no habrá energía cinética total que pueda utilizarse (no se producirá trabajo total). Así, la energía cinética recibida por el pistón durante el proceso de expansión (cuando el pistón se mueve hacia la derecha) se devolverá al vapor durante el proceso de compresión (cuando el pistón se mueve hacia la izquierda).

Se concluye que sigue siendo necesaria una diferencia de temperatura en una máquina de vapor. Esta diferencia de temperatura se puede lograr mediante un condensador. Cuando la temperatura y la presión del vapor por debajo de la válvula de escape son mucho menores que la temperatura y la presión del vapor en el cilindro, entonces, cuando el pistón se mueve hacia la izquierda, la presión que ejerce sobre el vapor es mucho menor que la presión que el vapor ejerce sobre el pistón cuando este se mueve hacia la derecha. En otras palabras, el trabajo que el pistón realiza sobre el vapor es mucho menor que el trabajo que el vapor realiza sobre el pistón. Por lo tanto, solo una pequeña parte de la energía cinética del pistón se devuelve al vapor. Así, se produce una energía cinética total o un trabajo total. Esta energía cinética total se utiliza para mover algo.

Motor de combustión interna

Los motores de motocicleta y automóvil son ejemplos de motores de combustión interna. Se denominan así porque el proceso de combustión se produce dentro de un cilindro cerrado. Los motores de combustión interna son el resultado de la ingeniería que utiliza el concepto de compresión y expansión adiabática, como se explicó en el tema anterior. primera ley de la termodinámica.

Solo consideraremos motores de combustión interna que utilizan gasolina y diésel como combustible. La gasolina y el diésel son derivados del petróleo y, por lo tanto, poseen energía potencial química. Esta energía potencial química se convierte primero en calor mediante la combustión. El calor producido por la combustión se transforma luego en energía mecánica. Esta energía mecánica es la que permite el movimiento de una motocicleta o un automóvil. El ciclo en un motor de gasolina se denomina ciclo Otto, mientras que el ciclo en un motor diésel se denomina ciclo diésel. Un ciclo es un proceso termodinámico reversible. Analicemos primero el ciclo Otto.

Ciclo Otto

Este es un diagrama de un motor de combustión interna de cuatro tiempos. Una mezcla de aire y vapor de gasolina fluye desde el carburador hacia el cilindro a medida que el pistón desciende (carrera de admisión). Esta mezcla se comprime adiabáticamente en el cilindro al ascender el pistón (carrera de compresión). Debido a esta compresión adiabática, la temperatura y la presión de la mezcla aumentan. Simultáneamente, la bujía enciende la mezcla. Al quemarse, la temperatura y la presión del gas aumentan. El gas a alta temperatura y presión se expande contra el pistón, empujándolo hacia abajo (carrera de expansión). El gas quemado se libera a través de la válvula de escape y se dirige hacia el tubo de escape (carrera de escape). La válvula de admisión se abre de nuevo y se repiten los cuatro tiempos.

Es importante destacar que el propósito de la carrera de compresión adiabática es aumentar la temperatura y la presión de la mezcla de vapor de aire y gasolina. La combustión a alta presión produce temperaturas y presiones muy elevadas. En consecuencia, el empuje (F = PA) generado durante la expansión es muy grande. Esto hace que el motor de una motocicleta o automóvil sea más potente. Incluso sin compresión, la mezcla de vapor de aire y gasolina puede encenderse cuando la bujía produce una chispa. Sin embargo, la temperatura y la presión del gas quemado no son muy altas, por lo que el empuje resultante también es pequeño. Como resultado, el motor pierde potencia.

El proceso de transformación y transferencia de energía en un motor de combustión interna de cuatro tiempos se puede explicar de la siguiente manera: Durante la combustión, la energía potencial química de la gasolina y la energía del aire se convierten en calor. Parte de este calor se transforma en energía mecánica en la biela y el cigüeñal, mientras que otra parte se libera a través del tubo de escape. La mayor parte de la energía mecánica en la biela y el cigüeñal se convierte en energía mecánica en el vehículo (moviéndolo), mientras que una pequeña porción se transforma en calor. El calor se genera por fricción.

El proceso de expansión y compresión adiabática en el ciclo Otto se ilustra en el siguiente diagrama. Este diagrama muestra un modelo idealizado de los procesos termodinámicos que ocurren en un motor de combustión interna alimentado con gasolina.

Una mezcla de aire y vapor de gasolina entra en el cilindro (a). Esta mezcla se comprime adiabáticamente (a-b). El volumen del cilindro disminuye. La mezcla se calienta a volumen constante y se quema (b-c). El gas quemado experimenta una expansión adiabática (c-d). Al enfriarse a volumen constante, el gas quemado se expulsa por el tubo de escape y una nueva mezcla de aire y vapor de gasolina entra en el cilindro (d-a).

Una mezcla de aire y vapor de gasolina entra en el cilindro (a). Esta mezcla se comprime adiabáticamente (a-b). El volumen del cilindro disminuye. La mezcla se calienta a volumen constante y se quema (b-c). El gas quemado experimenta una expansión adiabática (c-d). Al enfriarse a volumen constante, el gas quemado se expulsa por el tubo de escape y una nueva mezcla de aire y vapor de gasolina entra en el cilindro (d-a).

Ciclo diésel

El principio de funcionamiento de un motor diésel es similar al de un motor de gasolina. La diferencia radica en la etapa inicial de compresión adiabática (compresión adiabática = compresión que se realiza tan rápidamente que el calor no tiene tiempo de entrar ni salir del sistema. En este caso, el sistema es un cilindro). Mientras que en un motor de gasolina se comprime una mezcla de aire y vapor de gasolina, en un motor diésel solo se comprime el aire. La compresión adiabática provoca un aumento de la temperatura y la presión del aire. A continuación, el inyector pulveriza el diésel. Debido a que la temperatura y la presión del aire ya son muy altas, cuando el diésel se pulveriza en el cilindro, se enciende inmediatamente. No se necesitan bujías. Observe el valor de presión que se muestra en el diagrama a continuación. BCompárelo con la magnitud de la presión que se muestra en el diagrama del ciclo Otto.

Este diagrama muestra un ciclo diésel ideal. Inicialmente, el aire se comprime adiabáticamente (a-b), luego se calienta a presión constante: el inyector pulveriza diésel y se produce la combustión (b-c), el gas quemado experimenta una expansión adiabática (c-d), se enfría a volumen constante: el gas quemado se expulsa por el tubo de escape y entra aire fresco en el cilindro (d-a).

Basándonos en la explicación anterior, se puede concluir que cada máquina térmica tiene esencialmente una sustancia de trabajo específica. La sustancia de trabajo para una máquina de vapor es el agua, la sustancia de trabajo para una máquina de gasolina es el aire y el vapor de gasolina, y la sustancia de trabajo para una máquina diésel es el aire y el combustible diésel. La sustancia de trabajo generalmente absorbe calor a alta temperatura (Q_H), realizando un trabajo (W), y luego liberando el calor restante a una temperatura más baja (Q_L). Debido a que la energía se conserva, entonces Q_H = W + Q_L.

Eficiencia de un motor térmico

La eficiencia (e) de una máquina térmica es la relación entre el trabajo (W) realizado por la máquina y el calor de entrada a alta temperatura (Q)._HMatemáticamente se puede escribir así:

W es la ganancia que recibimos, mientras que Q es la ganancia que recibimos._H El costo que asumimos al comprar y quemar combustible es el que incurrimos. Como seres humanos que siempre buscamos obtener el mayor beneficio posible con el menor gasto, esperamos que el beneficio que obtenemos (W) sea proporcional al costo que asumimos (QH). ¿Es eso posible?

Basándose en la conservación de la energía, el calor de entrada (Q_H) debe ser igual al trabajo (W) realizado + calor liberado (Q)_L). Matemáticamente:

Si desea expresar la eficiencia de una máquina térmica en porcentaje, simplemente multiplique la ecuación de eficiencia por 100%. Según la ecuación de eficiencia anterior, cuanto más calor se rechaza (Q_L) por una máquina térmica, cuanto menos eficiente sea la máquina térmica. Realmente queremos la cantidad de calor rechazado (Q_L) lo menos posible. Sin embargo, el aporte de calor (Q_H) se obtiene normalmente quemando petróleo, carbón, gas, etc. (el combustible por el que pagamos).

Por lo tanto, toda máquina térmica se diseña esencialmente para ser lo más eficiente posible. Si bien buscamos el mayor beneficio con el menor gasto, la realidad es que las máquinas de vapor suelen tener una eficiencia de alrededor del 40%, mientras que las de combustión interna rondan el 50%. Esto significa que la mitad del calor producido por la combustión del combustible se desperdicia. Solo la mitad se convierte en energía mecánica.

Ejemplo de pregunta 1:

Un motor térmico absorbe 3000 julios de calor (Q_H), realizando trabajo (W) y liberando 2500 julios de calor (Q_L). ¿Cuál es la eficiencia de la máquina térmica?

Discusión

Ejemplo de pregunta 2:

Un motor térmico absorbe 3000 julios de calor (Q_H), realizando trabajo (W) y liberando 2000 julios de calor (Q_L). ¿Cuál es la eficiencia de la máquina térmica?

Discusión

Ejemplo de pregunta 3:

Un motor térmico absorbe 3000 julios de calor (Q_H), realizando trabajo (W) y liberando 1500 julios de calor (Q_L). ¿Cuál es la eficiencia de la máquina térmica?

Discusión