Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Segona llei de la termodinàmica

Segona llei de la termodinàmica

D'acord amb la primera llei de la termodinàmica, tot procés que ocorre en un sistema donat ha de satisfer el principi de conservació de l'energia, incloent el flux de calor.

L'equació: Increment de l'entropia menys treball és igual a la calor

Estableix, en altres paraules, que tot procés l'únic fi sigui el de crear o destruir energia, és impossible, és a dir, nega l'existència d'una màquina de moviment perpetu de primera classe.

Tanmateix, la primera llei no ens diu res sobre la direcció en què un procés pot ocórrer en un Sistema. Així dins el context d'aquesta llei no existeix cap limitació per transformar energia d'una forma a una altra. Per exemple, calor en treball o viceversa. La transformació de treball en calor és un procés que pot ocórrer pràcticament sense cap limitació: per exemple per fricció entre dues superfícies, pel pas de corrent elèctric, etc. Però l'experiència ens diu que la primera alternativa només és realitzable sota limitacions molt severes.

Aquesta restricció en la direcció, en què un procés pot o no ocórrer en la naturalesa, es manifesta en tots els processos espontanis o naturals. En efecte, sempre observem que un gas comprimit tendeix a expandir-se, que la calor flueix dels cossos calents als freds, etc., però mai vam observar que aquests processos tinguin lloc en forma espontània en direcció oposada. A través de la segona llei de la termodinàmica, que constitueix la generalització d'aquestes observacions, podrem entendre aquests fenòmens.

L'entropia en la segona llei de la termodinàmica

La segona llei de la termodinàmica requereix que, en general, l'entropia total de qualsevol sistema no pugui disminuir més que augmentant l'entropia d'algun altre sistema. Per tant, en un sistema aïllat del seu entorn, l'entropia d'aquest sistema tendeix a no disminuir. Es dedueix que la calor no pot fluir d'un cos més fred a un cos més calent sense l'aplicació del treball (la imposició de l'ordre) al cos més fred.

En segon lloc, és impossible que un dispositiu que funcioni en un cicle produeixi treball en xarxa des d'un sol dipòsit de temperatura; la producció de treball en xarxa requereix flux de calor des d'un dipòsit més calent a un dipòsit més fred, o un sol dipòsit en expansió sotmès a refredament adiabàtic, que realitza un treball adiabàtic. Com a resultat, no hi ha possibilitat d'un sistema de moviment perpetu.

Es dedueix que una reducció en l'augment d'entropia en un procés específic, com una reacció química, vol dir que és energèticament més eficient.

De la segona llei de la termodinàmica es desprèn que l'entropia d'un sistema que no està aïllat pot disminuir. Un aire condicionat, per exemple, pot refredar l'aire en una habitació, reduint així l'entropia de l'aire d'aquest sistema. La calor expulsat de l'habitació (el sistema), que l'aire condicionat transporta i descàrrega a l'aire exterior, sempre contribueix més a l'entropia de l'ambient que la disminució de l'entropia de l'aire d'aquest sistema. Per tant, el total d'entropia de la sala més l'entropia de l'entorn augmenta, d'acord amb la segona llei de la termodinàmica.

Un altre exemple el podem veure en una instal·lació d'energia solar tèrmica d'aigua sanitària. Definim el fluid del circuit com un sistema. En el moment en que el líquid per pel col·lector solar i rep la radiació solar, augmenta la seva energia tèrmica i, per tant, la seva entropia. El fluid segueix circulant pel circuit passant pels radiadors i es va refredant. En refredar, redueix la seva energia tèrmica i, per tant, la seva entropia.

En mecànica, la segona llei juntament amb la relació termodinàmica fonamental posa límits a la capacitat d'un sistema per fer un treball útil. El canvi d'entropia d'un sistema a temperatura T absorbint una quantitat infinitesimal de calor dQ d'una manera reversible, està donada per dQ / T.

L'aplicabilitat d'una segona llei de la termodinàmica es limita als sistemes que estan a prop o en estat d'equilibri. Alhora, les lleis que regeixen els sistemes que estan lluny de l'equilibri encara són debatibles. Un dels principis rectors per a tals sistemes és el principi de màxima producció d'entropia. Afirma que els sistemes no equilibrats evolucionen de forma tal que maximitzen la seva producció d'entropia.

Màquines tèrmiques

Una de les aplicacions més importants de la primera llei de la termodinàmica és el cicle de Carnot que subjau en el funcionament de les màquines tèrmiques, i de fet, en la formulació més relacionada amb l'enginyeria de la segona llei de la termodinàmica.

Definició de màquines tèrmiques

Un motor o màquina tèrmica l'objectiu de proporcionar contínuament treball a l'exterior, transformant en treball el màxim possible de la calor absorbida, consisteix en un dispositiu mitjançant el qual es fa recórrer un cicle a un sistema, en sentit tal que absorbeix calor mentre la temperatura és alta, cedeix una quantitat menor a una temperatura inferior i realitza sobre l'exterior un treball net.

Un exemple el tenim en els collectores solars. L'energia tèrmica que s'obté de la radiació solar que incideix sobre el panell solar sempre serà més gran que l'energia que finalment s'obté del sistema (energia elèctrica, calor o energia mecànica).

Si imaginem un cicle realitzat en sentit oposat al d'un motor, el resultat final serà l'absorció de calor a temperatura baixa, l'expulsió d'una quantitat major a temperatura més elevada, i per fi, la realització d'una quantitat neta de treball sobre el sistema. Aquest és elconcepto més simple d'un refrigerador i, en efecte, aquest és un dispositiu que efectua un cicle en aquest sentit i es denomina nevera. El sistema constitueix un refrigerant.

Desenvolupament i eficiència de les máqulnas tèrmiques

L'enginyer francès N.Sadi Carnot (1796-1832) va ser el primer a plantejar-se el funcionament de les màquines tèrmiques. Va publicar en 1824 la seva famosa memòria "Reflexions sobre la potència motriu de la calor i sobre les màquines apropiades per desen desenvolupar aquesta potència" on es va dedicar a raonar a la pregunta general de com produir treball mecànic (potència motriu), a partir de fonts que produeixen calor.

Carnot va trobar, que el punt clau en el seu estudi era reconèixer que una màquina tèrmica requereix d'una diferència de temperatures per poder operar. És a dir, quan una màquina opera entre dos cossos i extreu calor del més calent, cedeix una quantitat de calor al cos més fred fins a igualar les temperatures de tots dos, és a dir fins restaurar l'equilibri tèrmic. Aquest és el principi de Carnot, però Carnot mai va demostrar la conjectura que l'eficiència d'aquesta màquina només depèn de la temperatura dels recipients entre els quals opera.

De la dependència de la efidencia de les màquines en la temperatura, se li ocorre a Carnot pensar que una màquina tèrmica eficient ha de dissenyar de manera que no hi hagi fluxos de calor desaprovechables durant la seva operació. Per a això, idea un procés cíclic en el qual només apareixen la font tèrmica de la qual la màquina extreu calor per operar i la font freda a la qual se li subministra la calor no aprofitable. Aquesta operació minimitza les pèrdues de calor per diferències de temperatura espúries i, a més, com al final de cicle Uf = Ui l'energia interna de la substància operant és la mateixa que a l'inici. Per tant el treball net realitzat en el cicle és és la calor absorbida del cos calent menys la calor cedit al cos fred.

El segon resultat important que sorgeix de les idees de Carnot va ser demostrar que cap màquina operant entre dos cossos a temperatures diferents, pot ser més eficient que la màquina concebuda per ell, a través del:

Teorema de Carnot: "Cap màquina tèrmica operant en cicles entre dos recipients tèrmics daus, té una eficiència més gran que la d'una màquina reversible (de Carnot) operant entre els mateixos recipients"

I encara més: "Totes les màquines reversibles (màquines de Carnot amb diferents substàncies operants) operant entre dos recipients tèrmics a temperatures donades, tenen la mateixa eficiència."

La demostració, és deguda a W. Thomson, (Lord Kelvin). A més a es troba el teorema de Kelvin Planck: "Tota transformació cíclica, l'únic resultat final sigui el d'absorbir calor d'un cos o font tèrmica a una temperatura donada i convertir-lo íntegrament en treball, és impossible."

valoración: 3 - votos 6

Última revisió: 12 de abril de 2018