LECCIN 7

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LECCIÓN 7
LECCIÓN 7

• Procesos cíclicos y máquinas térmicas.
• Los enunciados clásicos del segundo principio.
• Reversibilidad e irreversibilidad.

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Planteamiento del problema

• El primer principio estudió las conexiones en
  las que se daba trabajo al sistema.
• Las conexiones inversas pueden hacerse de dos
  formas respecto al camino inicial
• Por otro camino, que implica un ciclo.
• Por el mismo camino, que significa repetir
  todos los estados.

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Proceso cerrado o cíclico

• Aplicación del primer principio
• o bien

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Máquinas térmicas

• La realización práctica de los procesos cíclicos
  con intervención del calor constituyen las
  máquinas térmicas.
• Éstas tienen como fin la tranformación del calor
  en trabajo.
• Todo ciclo puede repetirse tanto como se quiera,
  de forma que permite obtener una gran cantidad de
  trabajo.

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Teoría dinámica del calor o teoría CCK

• 1769, James Watt patentó la primera máquina de
  vapor.
• 1824, Sadi Carnot publicó Reflexiones sobre la
  potencia motriz del fuego ...
• 1850, Rudolf Clausius estableció su enunciado del
  segundo principio.
• 1851, Lord Kelvin propuso su enunciado del mismo
  principio.

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Tipos de máquinas

• Térmica, produce trabajo y consume calor. Su
  rendimiento es
• Frigorífica, extrae calor de un cuerpo más frío
  que el ambiente y consume trabajo. Su eficiencia
  es

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Propiedades de las máquinas

• Son cíclicas.
• Sólo requieren el estudio de un ciclo.
• Una composición de máquinas es otra máquina.
• La máquina más sencilla se conoce como máquina
  simple.
• Veremos como una máquina compleja se descompone
  en máquinas simples.

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Necesidades de los ciclos

• Un foco o fuente térmica intercambia con el ciclo
  cualquier cantidad de calor sin modificar su
  estado térmico.
• Un medio mecánico ideal toma y cede el trabajo
  necesario sin disipaciones.
• Las fuentes y los medios mecánicos de interés
  para una máquina deben tener con ella un
  intercambio en cada ciclo que sea diferente de
  cero.

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Representación de ciclos
Los intercambios de todo ciclo siempre se
refieren a la sustancia que recorre el ciclo.
Los intercambios de los medios mecánicos y de
las fuentes térmicas, cumplen
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Enunciados del Segundo Principio

• Clausius El calor no puede pasar por sí mismo
  de un cuerpo más frío a otro más caliente.
• Kelvin Es imposible que, mediante agentes
  materiales inanimados, se extraiga efecto
  mecánico de un cuerpo enfriándolo por debajo de
  la temperatura del objeto más frío del entorno.

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Enunciado de Kelvin-Planck

• Es imposible un proceso cuyo único resultado sea
  la absorción de calor procedente de una sola
  fuente y su conversión en trabajo.
• Por único resultado se entiende que la
  conversión calor-trabajo considerada sea el único
  cambio producido en de todo el universo.

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Ciclos con una fuente
El primer principio exige a todo ciclo
, por lo que sólo son posibles los dos
ciclos siguientes
El segundo principio prohibe el ciclo 1. Por
todo lo cual el único ciclo permitido por los
dos principios es el ciclo 2.
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Recopilación de ideas
Antes de estudiar el ciclo con dos fuentes es
preciso establecer nuevas condiciones

• La temperatura se definió por el principio cero y
  el equilibrio térmico.
• El calor se definió como una diferencia de
  trabajos.
• Hasta ahora no se han relacionado.
• Es necesario decidir la relación entre el paso de
  calor y la diferencia de temperatura.

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Comparación de temperaturas
Hasta ahora la temperatura se ha igualado en el
equilibrio térmico mutuo. Pero Clausius en su
enunciado comparó dos valores distintos. Así pues,

El valor numérico de la temperatura de un cuerpo
caliente es mayor o menor que el de un cuerpo
frío?
El calor pasa espontáneamente de la temperatura
más alta a la más baja o de la más baja a la más
alta?.
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Convenio de temperatura

• Un cuerpo caliente tiene un valor de su
  temperatura mayor que un cuerpo frío.
• El calor pasa de la temperatura más alta a la más
  baja de forma natural.

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Ciclos disipativos

• Son aquellos que pierden total o parcialmente
  trabajo o la oportunidad de obtenerlo.
• El ciclo 22 transforma trabajo en calor.
• El ciclo 012 pasa calor entre fuentes sin obtener
  trabajo.

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Ciclos con dos fuentes
Todo ciclo con dos fuentes tiene tres
intercambios que, por el primer principio,
cumplen Cada
ciclo tiene dos intercambios independientes.
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Ciclos posibles
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Composición de ciclos
Condiciones para componer ciclos

• Deben compartir, al menos, una fuente o el medio
  mecánico.
• Deben ser comparables, o sea, intercambiar
  cantidades de calor y de trabajo del mismo orden.
  
• La comparación impone una condición a sus
  intercambios.

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Ejemplo de composición
Estudio de la existencia del ciclo 111
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Ciclos 212 y 112
Los ciclos 112 y 212 son ciclos disipativos
22
El ciclo térmico

• Entre los ciclos posibles se encuentra el de la
  máquina que produce trabajo o máquina térmica.

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El ciclo frigorífico

• También está el ciclo que gobierna la máquina que
  enfría o máquina frigorífica.

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Inversión de una conexión

• Invertir una conexión nos llevó a los ciclos, que
  ya conocemos.
• Ahora estudiaremos la inversión por el mismo
  camino, que se llama reversible.

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Composición de un ciclo térmico y otro frigorífico
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Ciclos reversibles
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Relación de rendimientos
El rendimiento de la máquina térmica reversible
es
La eficiencia de la máquina frigorífica
reversible es
Si las máquina son opuestas y reversibles se
cumple
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Ciclo reversible

• Se dice que un ciclo es reversible cuando se
  compone con su opuesto, sin que cambie el
  universo al funcionar el conjunto.
• Este es un comportamiento límite que no existe en
  la realidad.
• Un ciclo reversible posee una disipación nula.
• Todo ciclo reversible realiza exactamente los
  mismos intercambios que su opuesto pero con los
  signos cambiados.

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Proceso reversible
El carácter reversible de los ciclos puede
generalizarse a cualquier proceso

• Es aquel que al finalizar, o en cualquier
  momento del mismo, el sistema puede ser
  reintegrado a su estado inicial sin ocasionar
  ningún cambio en el universo.
• El proceso reversible no existe en la realidad,
  es un comportamiento límite.

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Procesos irreversibles

• Rozamiento viscoso de un líquido.
• Deformación plástica de un sólido.
• Expansión de un gas contra el vacío.
• Rotura de un sólido.
• Pérdida de calor.
• Difusión de un cuerpo en otro.

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Condición de reversibilidad

• Salvo infinitésimos, deben cumplirse siempre las
  condiciones de equilibrio mecánico, térmico y
  material o másico.
• Un proceso reversible es el lugar geométrico de
  los estados de equilibrio mecánico, térmico y
  material del sistema.
• Es una generalización del proceso cuasiestático

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LECCIÓN 7
FIN