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CAPÍTULO 20 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

PREGUNTAS PARA ANÁLISIS



Ya que no podemos realizar un proceso al revés, porque ya hemos aplicado calor

20.2 Cite dos ejemplos procesos reversibles y dos de procesos irreversibles en sistemas puramente mecánicos, como bloques que se deslizan por planos, resortes, poleas y cuerdas. Explique qué hace a cada proceso reversible o irreversible.

Procesos irreversibles:

  • Al deslizar un libro sobre una mesa se concierte la energía cinética en energía mecánica.

  • El proceso en el cual se derrite el hielo es irreversible, si lo colocamos en una caja metálica caliente el calor fluye de la caja al hielo y al agua; nunca al revés.

Procesos reversibles:

  • En la caja metálica se puede derretir el hielo pero si aumentamos o reducimos infinitesimalmente la temperatura de la caja, podemos hacer que el calor fluya de la caja hacia el hielo derritiendo este, o hacia la caja desde el agua volviendo a congelar ésta.

  • Cualquier cambio de estado que se presente podría ser irreversible modificando inicialmente las condiciones iniciales; el flujo de calor entre dos cuerpos cuyas temperaturas difieren solo infinitesimalmente pueden revertirse haciendo un cambio muy pequeño en la temperatura.


20.3. ¿Qué procesos irreversibles se efectúan en un motor de gasolina? ¿Por qué son irreversibles?

Estrangulación

Fricción

Pérdidas de calor por conducción

Por que ocurren en una sola dirección y además no permiten alcanzar el aprovechamiento máximo de combustible.

20.4 Suponga que trata de enfriar su cocina dejando abierta la puerta del refrigerador. ¿Qué sucede? ¿Por qué? ¿El resultado sería el mismo si se dejara abierta una hielera llena de hielo? Explique las diferencias, si las hay.

El refrigerador extrae calor del interior y lo cede a la parte exterior; si se abre la puerta del refrigerador, el calor extraído de la cocina se devuelve ampliamente a esta y por ende en lugar de enfriarla se la calentará.

20.5. Un congresista de Estados Unidos sugirió un plan para generar energía. Se rompen moléculas de agua para producir hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se quema (se combina con el oxigeno) para liberar energía. El único producto de esta combustión es agua, así que no hay contaminación. A la luz de la segunda ley de la termodinámica, ¿qué piensa usted de este plan?

El plan no podría realizarse como el congresista lo propone, porque si bien es cierto una molécula de agua si se puede romper para producir hidrógeno y oxigeno usando cierta energía, el proceso inverso requeriría la misma energía por lo cual el plan no tendría sentido. Si se logra crear este proceso de forma artificial, entonces no sólo se conseguiría una fuente inagotable de energía renovable, sino que se resolverían todos los problemas. Ya que se estaría liberando oxígeno, se consumiría dióxido de carbono, y el hidrógeno liberado también podría utilizarse como combustible.
20.6 convertir energía mecánica totalmente en calor, ¿viola la segunda ley de la termodinámica? ¿Y convertir calor totalmente en trabajo?
No viola la segunda ley solo limita la disponibilidad de la energía y las formas en que puede usarse y convertirse.

Es imposible construir una maquina térmica que convierta calor totalmente en trabajo, es decir, una maquina con eficiencia termina del 100%.

20.7 Imagine un filtro de aire especial colocado en la ventana de una casa. Los diminutos orificios en el filtro solo permiten la salida de moléculas de aire cuya rapidez sea mayor que cierto valor, y solo permite la entrada de moléculas cuya rapidez sea menor que ese valor. Explique porque tal filtro enfriaría la casa y por que la segunda ley de la termodinámica imposibilita la construcción de semejante filtro.

Permite el enfriamiento porque funciona como un refrigerador, absorbiendo una temperatura caliente del exterior y la enfría para que entre en una casa. La construcción de uno de estos filtros sería muy complicada porque sería un proceso intermedio y estos casi no se pueden dar.

20.08 El eje de un motor eléctrico esta acoplado al de un generador eléctrico. El motor impulsa al generador, y una de la corriente de este opera el motor. El resto de la corriente se usa para iluminar una casa. ¿Qué defecto tiene este esquema?

Por el hecho de que la corriente sea menor la iluminación no va hacer igual que al cundo la corriente este a su máxima capacidad.

20.9 Si un trapo mojado se cuelga en el desierto, donde hay viento caliente, se enfría por evaporación a una temperatura hasta 200 C menor que el aire. Analice a la luz de la segunda ley de la termodinámica.

Fluye el calor del interior frío porque esta mojado el trapo, al exterior cálido. La segunda ley de la termodinámica dice que no puede haber un flujo espontáneo de calor de un cuerpo frío a uno caliente.

20.10. Compare el diagrama pV para el ciclo Otto en la figura 20.6 con el diagrama para la máquina térmica de Carnot de la figura 20.13.Explique algunas diferencias importantes entre los dos ciclos.

Ciclo Otto.- Un modelo idealizado de los procesos termodinámicos de un motor a gasolina adiabáticamente. Este gas sale del motor pero, dado que entra una cantidad de aire y gasolina equivalente, podemos considerar que el proceso es cíclico.

Ciclo de Carnot.- Consiste en dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos, todos reversibles.

20.11. If no real engine can be as efficient as a Carnot engine operating between the same two temperatures, what is the point of developing and using Eq. (20.I4)?

Para conocer la dependencia de la eficiencia en la máquina de Carnot, que está sólo dada por la diferencia de temperaturas de las fuentes TH y TC, si la diferencia es grande la eficiencia será mayor, y será muy pequeña cuando las temperaturas son casi iguales; además para tener un modelo con el cual idealizar el trabajo de una máquina térmica.

20.12. La eficiencia de una maquina de calor es alta cuando la diferencia de temperatura entre el reservorio frio y caliente es grande. Refrigeradores en la otra mano, trabajan mejor cuando la diferencia de temperatura es pequeña. Pensando en el ciclo mecánico del refrigerador de la fig 20.9 explicar en términos físicos porque toma menos trabajo remover calor de la sustancia que trabaja si los 2 reservorios (el que esta dentro del refrigerador y el aire fuera) están cerca de la misma temperatura, que si el aire fuera es mucho mas caliente que el interior del refrigerador.

Si el aire fuera del refrigerador está caliente, el sistema tendrá que realizar más trabajo para depositarle calor, si el aire fuera tiene una temperatura semejante a la que hay dentro en sistema podrá tomar el calor de la sustancia dentro y depositarlo en un aire frio.

20.13 Que eficiencia tendrá una maquina de carnot que opera con TH =TC ? ¿ y si TC = 0 K y TH fuera cualquier temperatura mayor que 0 K? interprete sus respuestas.

e = (TH - TC)/TH e = 0/ TH Si TH = TC no existiría una eficiencia y tampoco un ciclo carnot porque este opera entre dos fuentes de calor a temperaturas distintas y su eficiencia depende únicamente de estas temperaturas.

Si Tc = 0 la eficiencia seria de 1 o sea del 100%

20.14 las máquinas térmicas reales, como el motor de gasolina de un auto, siempre tienen fricción entre sus piezas móviles, aunque los lubricantes la reduzcan al mínimo. ¿Una máquina térmica totalmente sin fricción sería 100% eficiente? ¿Por qué? ¿Depende la respuesta de si la máquina ejecuta un ciclo de Carnot o no?

No podría ser una máquina 100 % eficiente, aquella que funcione sin lubricación, esa máquina no podría funcionar, se dañaría inmediatamente, porque al no existir un líquido lubricante en la máquina, esta se recalienta por la alta fricción entre sus piezas y se fundiría, independientemente de si es una máquina con el ciclo de oto o cualquier otro.

20.15 ¿Un refrigerador lleno de alimentos consume más potencia si la temperatura ambiente es 20˚C que si es 15 ˚C? ¿O el consumo es el mismo explique su razonamiento?

Consume lo mismo porque en un refrigerador para que se cumpla el Principio de Carnot no debe existir transferencia de calor.

20.16 en el ejemplo 20.4 un refrigerador de Carnot requiere una entrada de trabajo de sólo 230 J para extraer 346 J de calor de la fuente fría ¿esta discrepancia implica una violación a la ley de la conservación de la energía? Explique por qué

El ciclo contiene procesos irreversible como refrigerador estas ecuaciones no son válidas se requieren cálculos más detallados.

20.17. Explique por qué cada uno de los siguientes procesos es un ejemplo de desorden o aleatoriedad creciente: mezclado de agua caliente y fría; expansión libre de un gas; flujo irreversible de calor; producción de calor por fricción mecánica. ¿Hay aumentos de entropía en todos ellos? ¿Por qué?

Si son ejemplo de desorden de aleatoriedad debido a que cuando se transfiere calor no se transfiere en formad de ordenada de moléculas además es irreversible el proceso. También existe aumento de entropía debido a que la cantidad de energía que no produce trabajo no se puede recuperar debido a que estos procesos son irreversibles.

20.18 La libre expansión de un gas es un proceso adiabático, por lo que no hay transferencia de calor. No se realiza trabajo, de manera que la energía interna no cambia. Por lo tanto, Q/T=0; sin embargo, el desorden del sistema y, por lo tanto, la entropía se incrementan después de la expansión. ¿Por qué la ecuación (20.19) no se aplica a esta situación?

No se puede aplicar esta ecuación por que no existe un cambio de entropía ya que la formula es = a vS=S2-S1 ya que no existe trabajo ni cambio de temperatura vS=0 entonces no podemos resolver por esta formula.

    1. ¿Están la tierra y el sol en equilibrio térmico? ¿Existen cambios de entropía asociados con la transmisión de energía a la tierra? ¿La radiación difiere de otros modos de transferencia de calor con respecto a los cambios de entropía? Explica tu razonamiento.

No, la tierra no se encuentra en equilibrio térmico con el sol, ya que si lo estuviera no se producirían más flujos de energía en dirección a la tierra.

20.20. Discuss the entropy changes involved in the preparation and consumption of a hot fudge sundae.

La entropía puede crearse mas no destruirse, es por eso que si a un helado le agregamos chocolate caliente el chocolate se enfria y por lo tanto se condensa.

20.21. Si tu ruedas un filme en dirección contraria; esto es si la dirección del tiempo ha sido revertida. En el tiempo de regreso del filme; puede verse en el proceso de violación de la conservación de la energía? Conservación de el momento lineal? Puede verse en el proceso una violación a la segunda ley de la termodinámica.

En cada caso, si una ley es violada en un proceso que puede ocurrir, de algunos ejemplos.

-Al rodar una cinta de video en sentido contrario no estaríamos quitándole energía al sistema, ya que solo estamos cambiando de sentido , por lo tanto no se esta violando a la ley de la conservación de la energía, si hablamos de la conservación de el momento lineal, se puede decir que seria afectado si actúan fuerzas externas en el sistema, considerando que no haya fuerzas externas en todo el sistema se podría decir que el momento lineal se conserva; según la ley de la termodinámica no hay ninguna forma de que esta sea violada al rodar el filme en direccion contraria

20.22 Algunos críticos de la evolución biológica aseguran que ésta viola la segunda ley de la termodinámica, pues implica organismos simples que dan origen a otros más ordenados. Explique por qué este no es un argumento válido contra la evolución.

La Segunda Ley de la Termodinámica permite que partes de un sistema disminuyan en la entropía mientras que otras partes experimenten un incremento compensatorio de manera que la entropía general del sistema sea el cual nunca disminuya. Así, nuestro planeta como un todo puede aumentar más complejo porque el sol vierte calor y los organismos simples disminuir su entropía a otros más ordenados pudiendo evolucionar hacia la complejidad además que consumiendo otras formas de vida incrementamos la universal.

20.23 Al crecer, una planta crea una estructura muy compleja y organizada a partir de materiales simples, como aire, agua y minerales. ¿Viola esto la segunda ley de la termodinámica?. Explique por qué. ¿Cuál es la fuente de energía final de la planta?. Explique su razonamiento.

No, ya que la segunda ley de la termodinámica describe la direccionalidad de los procesos naturales, es decir explica todo lo ocurrido en la naturaleza, no la contradice ya que este proceso si ocurre.

La fuente de energía final de la planta es el suelo ya que contiene los minerales necesarios para conservar a la planta, una vez sacada la planta de la tierra el aire es indispensable para que la planta no se pudra.

PROBLEMAS



Datos Resolucion

W=2200 J W=Qc-Qf e=W/Qc

Qf=4300 J 2200=Qc-4300 e=2200/6500

  1. Qc =6500 J b) 0.338

20.2 Un motor de avión recibe 9000J de calor y desecha 6400J en cada ciclo. a) Calcule el trabajo mecánico efectuado por el motor en un ciclo. b) Calcule la eficiencia térmica del motor.

a)





b)







20.3. Motor de gasolina. Un motor de gasolina recibe 1.61x104 J de calor y produce 3700 J de trabajo por ciclo. El calor proviene de quemar gasolina que tiene un calor de combustión de 4.60x104 J/g. a) Calcule la eficiencia térmica, b) ¿Cuánto calor se desecha en cada ciclo?, c) ¿Qué masa de gasolina se quema en cada ciclo?, d) Si el motor opera a 690 ciclos / s, determine su salida de potencia en kilowatts y en hp.

a)



b)



c)



d)





20.5. Cierta planta nuclear produce una potencia mecánica (que impulsa un generador eléctrico) de 330 MW. Su tasa de aporte de calor proviene del reactor nuclear es de 1300 MW.
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