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Tema 3. Segundo principio de la Termodinámica Material docente Máquinas térmicas http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/ter mo2p/maquinas.html Enunciados del segundo principio de la Termodinámica http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/ter mo2p/equivalencia.html Ciclo de Carnot. Teorema de Carnot http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/ter mo2p/carnot.html Entropía. Teorema de Clausius. Interpretación de la entropía http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/ter mo2p/entropia.html Resumen y objetivo del tema El Primer Principio de la Termodinámica implica que en todo proceso termodinámico la energía se conserva. Sin embargo, este principio no es suficiente para determinar si un proceso concreto puede ocurrir o no. Por ejemplo, en un proceso cíclico, se puede convertir todo el trabajo en calor pero no se puede producir el proceso inverso, es decir, transformar todo el calor absorbido en trabajo aunque en este caso tampoco se viole el Primer Principio. Mediante ese ejemplo se deduce también que no todas las formas de energía son igualmente aprovechables. Por ello, es necesario establecer otro principio (Segundo Principio de la Termodinámica) que indique cuándo un proceso puede ocurrir y cuándo no, aunque se siga cumpliendo el Primer Principio. En este tema se darán varios enunciados del Segundo Principio, siendo todos ellos equivalentes. Se definirá también una nueva función de estado, llamada entropía (S), que permitirá caracterizar en qué sentido tienen lugar los procesos termodinámicos. El desarrollo de la Termodinámica y más en concreto del Segundo Principio vino motivado por la necesidad de aumentar la cantidad de trabajo producido para una determinada cantidad de calor absorbido. De forma empírica, se llega así al primer enunciado del Segundo Principio. Una máquina térmica es un dispositivo cuyo objetivo es convertir calor en trabajo. Para ello, utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire, gasolina) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que la máquina pueda funcionar de forma continua. A través de dichas transformaciones la sustancia absorbe calor (normalmente, de un foco térmico) que transforma en trabajo. El objetivo de una máquina es aumentar la relación entre el trabajo producido y el calor absorbido; se define pues el rendimiento como el cociente entre ambos. Si tenemos en cuenta la limitación impuesta por enunciado de Kelvin-Planck, el trabajo es siempre menor que el calor absorbido con lo que el rendimiento siempre será menor que uno. En principio, cualquier ciclo termodinámico se puede utilizar para diseñar una máquina o un refrigerador, según el sentido en el que se recorra el ciclo. Puesto que, según el enunciado del Segundo Principio ninguna máquina puede tener rendimiento 100%, es importante saber cuál es el máximo rendimiento posible entre dos focos determinados. Como veremos, el ciclo de Carnot proporciona ese límite superior entre dos focos. Este ciclo es una idealización ya que está constituido por transformaciones reversibles: el intercambio de calor de la sustancia de trabajo con los focos se produce a través de isotermas y las variaciones de temperatura de forma adiabática, para que no haya pérdidas de calor.
