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Preguntas 633
CONCEPTOS Y PRINCIPIOS
Una máquina térmica es un dispositivo que toma
energía por calor y, al funcionar en un proceso
cíclico, expulsa una fracción de dicha energía
mediante trabajo. El trabajo neto realizado por una
máquina térmica al llevar una sustancia de trabajo
a través de un proceso cíclico (E int 0) es
W máq 0Q h 0 0Q c 0 (22.1)
donde Q h es la energía que se toma de un
depósito caliente y Q c es la energía que se expulsa
a un depósito frío.
La segunda ley de la termodinámica establece lo siguiente:
Es imposible construir una máquina térmica que, al
funcionar en un ciclo, no produzca otro efecto que
la entrada de energía por calor desde un depósito
y la realización de una cantidad igual de trabajo
(enunciado de Kelvin–Planck).
Es imposible construir una máquina cíclica cuyo
único efecto sea la transferencia continua de energía,
mediante calor, de un objeto a otro a una mayor
temperatura sin la entrada de energía por trabajo
(enunciado de Clausius).
El teorema de Carnot establece que ninguna máquina
térmica real que funcione (irreversiblemente) entre las
temperaturas T c y T h puede ser más eficiente que una
máquina que funcione reversiblemente en un ciclo de
Carnot entre las mismas dos temperaturas.
La eficiencia térmica de una máquina térmica que
funciona en el ciclo de Carnot es
T c
e C 1
(22.6)
T h
La segunda ley de la termodinámica afirma que, cuando se presentan procesos reales (irreversibles), el grado de
desorden en el sistema y los alrededores, aumenta. Cuando se presenta un proceso en un sistema aislado, el estado del
sistema se vuelve más desordenado. La medida de desorden en un sistema se llama entropía S. Debido a eso, incluso
otra forma de la segunda ley se puede establecer del modo siguiente:
La entropía del Universo aumenta en todos los procesos reales.
El cambio en entropía dS de un sistema durante
un proceso entre dos estados de equilibrio
infinitesimalmente separados es
dQ r
dS
(22.8)
T
donde dQ r es la transferencia de energía por calor
para el sistema para un proceso reversible que
conecta los estados inicial y final.
El cambio de entropía de un sistema durante un proceso
arbitrario entre un estado inicial y un estado final es
f
dQ r
¢S
(22.9)
T
i
El valor de S para el sistema es el mismo para todas las
trayectorias que conectan los estados inicial y final. El cambio
de entropía para un sistema que se somete a algún proceso
reversible cíclico es cero, y cuando ocurre tal proceso, la
entropía del Universo permanece constante.
Preguntas
O indica pregunta complementaria.
1. ¿Cuáles son algunos factores que afectan la eficiencia de los
motores automotrices?
2. O Considere procesos cíclicos completamente caracterizados
por cada una de las siguientes entradas y salidas de energía
neta. En cada caso, las transferencias de energía que se mencionan
son las únicas que ocurren. Clasifique cada proceso
como a) posible, b) imposible de acuerdo con la primera ley
de la termodinámica, c) imposible de acuerdo con la segunda
ley de la termodinámica o d) imposible de acuerdo con la
primera y segunda leyes. i) Entrada de 5 J de trabajo y salida
de 4 J de trabajo. ii) Entrada de 5 J de trabajo y salida de 5 J
de energía transferida por calor. iii) Entrada de 5 J de energía
transferida por transmisión eléctrica y salida de 6 J de trabajo.
iv) Entrada de 5 J de energía transferida por calor y salida de 5
J de energía transferida por calor. v) Entrada de 5 J de energía
transferida por calor y salida de 5 J de trabajo. vi) Entrada de
5 J de energía transferida por calor y salida de 3 J de trabajo
más 2 J de energía transferida por calor. vii) Entrada de 5 J de
energía transferida por calor y salida de 3 J de trabajo más 2 J
de energía transferida por ondas mecánicas. viii) Entrada de
5 J de energía transferida por calor y salida de 3 J de trabajo
más 1 J de energía transferida por radiación electromagnética.