El Segon Principi de la Termodinàmica: Conceptes i Aplicacions

Objectiu

Presentar el 2n principi i aplicar-lo a sistemes tancats i a volums de control.

Limitacions del primer principi

El primer principi (l'energia es conserva) parla de la conservació de l'energia i la matèria, però no tots els processos que conserven l'energia són possibles. Necessitem un 2n Principi que ens digui si un procés és o no possible en una determinada direcció. Qualsevol procés haurà de complir tant el 1r com el 2n principi.

El 2n Principi

• Indica en quina direcció tenen lloc els processos.
• Parla de la qualitat de l'energia.
• Permet demostrar que l'energia es degrada a causa de les irreversibilitats del procés (i calcular-la).
• Permet conèixer les condicions d'equilibri.
• Determina les millors prestacions teòriques de cicles, motors i altres.

Focus tèrmic

És una classe especial de sistema tancat que es manté sempre a temperatura constant malgrat les transferències de calor. Exemples: l'atmosfera, el mar, l'aire d'una sala, etc.

Característiques:

• L'única interacció d'interès és la transferència de calor.
• La seva temperatura es manté constant i uniforme.
• La seva propietat termodinàmica principal és la temperatura.

Màquines tèrmiques i rendiments

• Màquina tèrmica directa: Instal·lació amb un fluid motor que experimenta un procés cíclic per obtenir treball a partir de la calor absorbida d'un focus calent.
• Màquina tèrmica inversa (refrigeradors i bombes de calor):
  • Refrigerador: Absorbeix calor d'un focus fred i, mitjançant un aport de treball, cedeix calor a un focus calent.
  • Bomba de calor: Absorbeix calor d'un focus fred (a temperatura del medi) i, mitjançant un aport de treball, cedeix calor a un focus calent.

En aquestes màquines es defineix el coeficient d'eficiència (COP): el COP pot ser >1, però el rendiment sempre és <1.

Enunciats clàssics del segon principi

• Enunciat de Clausius: És impossible que la calor vagi d'un cos fred a un més calent sense que es realitzi treball extern.
• Enunciat de Kelvin-Planck: És impossible crear una màquina cíclica que només absorbeixi calor d'un únic focus i produeixi un treball equivalent. No es pot construir una màquina tèrmica amb un rendiment del 100%.

Clausius i Kelvin-Planck són equivalents.

Corol·laris de Carnot

• El rendiment d'una màquina irreversible és sempre menor que el d'una reversible treballant entre els mateixos focus.
• Totes les màquines reversibles que operen entre els mateixos focus tenen el mateix rendiment.

Conclusió: El rendiment d'una màquina de Carnot (MCR) és el màxim possible i només depèn de les temperatures (TC i TF).

Desigualtats de Clausius

S'aplica en sistemes que fan processos cíclics. Si no hi ha irreversibilitats, la integral és igual a 0; si n'hi ha, és menor que 0.

Concepte d'entropia

A partir de la desigualtat de Clausius es defineix l'entropia (S) com una propietat termodinàmica. La calor intercanviada durant un procés irreversible és menor que TdS.

Unitats:

• Entropia total: J/K, kJ/K, cal/K.
• Entropia específica: J/kg·K, kJ/kg·K.
• Entropia molar: J/mol·K, kJ/mol·K.

Balanç d'entropia en sistemes tancats

L'entropia generada és >0 si el procés és irreversible, =0 si és reversible i <0 si és impossible. L'entropia no es conserva, es pot generar per irreversibilitats.

Principi d'augment d'entropia

En un sistema aïllat, les irreversibilitats sempre provocaran un augment d'entropia.

Irreversibilitat i energia degradada

Els processos reals són irreversibles. Factors que causen irreversibilitat: transferència de calor, fregament, reaccions químiques, canvis de fase, etc.

Fonts d'irreversibilitat:

• Mecànica externa: Fregament.
• Mecànica interna: Expansió lliure (Joule-Thomson).
• Tèrmica: Transferència de calor entre sistemes a diferent temperatura.

Rendiment isentròpic

Comparació entre el treball real (adiabàtic + irreversible) i el treball d'un procés idealitzat (adiabàtic + reversible = isentròpic).