Segunda Ley de la Termodinámica – Ejercicios Resueltos
¡Buenas amigos! tiene días que no publico un post, pero es porque estamos trabajando en grandes cosas para este sitio así como en otros de la misma índole, así que no te preocupes y si ya eres un suscriptor más, dentro de poco recibirás buenas noticias 😎
En esta ocasión vengo con un post muy entretenido e interesante en el mundo de la física, así que presta mucha atención si quieres aprender, consultar o simplemente reafirmar tus conocimientos de este tema, ya que veremos algunos ejercicios resueltos y de que forma entender por completo la segunda ley de la termodinámica.
¿Qué nos dice la segunda ley de la termodinámica?
En la primera ley de la termodinámica se explica que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. La segunda ley, sin embargo es probablemente la más conocida y de caso de estudio más profundo, ya que describe incluso los límites del universo, así como también nos advierte que el tiempo sigue una flecha de sola una dirección y que nuestro universo tiene un destino desolador y catastrófico.
Pero bien, esto puede resultar un poco confuso y quizá no logres captarlo a la primera, así que voy a intentar explicarlo de una manera concisa para comprender esta ley.
La segunda ley de la termodinámica nos dice que:
- Cuando ocurre un proceso termodinámico, este ocurre en una sola dirección con respecto al tiempo, pero no viceversa.
Es decir, que por ejemplo; si aventamos un vaso de cristal al suelo, este objeto “se romperá” y se dispersará en fragmentos sobre todo el piso, entonces aquí viene la pregunta. ¿Es posible qué de forma natural los fragmentos se reconstruyan nuevamente a la forma original que tenía antes el vaso?, es lógico que la respuesta sea NO, ya que se trata de un fenómeno irreversible, entonces aquí es donde viene el concepto y estudio de la segunda ley 🙂
Otra forma de encontrarla es mediante una definición similar a la siguiente:
- Es imposible convertir completamente un tipo de energía a otro, sin que este cause pérdidas en el proceso.
Esto es algo que en su momento podría parecer ilógico, pero si se analiza delicadamente podremos tener una respuesta más teórica y entendible del tema, en algunos casos nos toparemos con la definición de que, “la cantidad de entropía en el universo tiende a incrementarse con el tiempo“.
Pero… ¿Qué es entropía? Pues bien, la entropía no es más que aquella cantidad de energía que no se puede aprovechar para producir un trabajo. Así también nos explica que se trata de un desorden total de las moléculas que esto complementa.
Por ejemplo; el universo constantemente se expande y por su desorden considerablemente va aumentando su entropía, hasta quedar sin energía necesaria para seguir transformándose, cuando ese momento llegue, todos los cuerpos alcanzarán un equilibrio térmico, de tal manera que sería el fin del universo entero.
curioso ¿no?
A pesar de estas ideas y teorías que quizá un poco confusas para las personas que no eran científicos en ese tiempo, el avance de la termodinámica se formuló en un momento de gran optimismo tecnológico, la revolución industrial.
En la mitad del siglo 19, los físicos e ingenieros estaban construyendo máquinas de vapor para mecanizar el trabajo y el transporte y estaban tratando de encontrar la manera de hacerlos más potentes y eficientes. Grandes científicos como Clausius, Kelvin, Joule contribuyeron en gran medida, aunque en cierta parte se le considera como padre de esta disciplina al físico francés Sadi Carnot .
Carnot demostró que se podía predecir la eficiencia máxima teórica de un motor de vapor mediante la medición de la diferencia de temperaturas del vapor en el interior del cilindro y la del aire que lo rodea, conocida en términos termodinámicos como los depósitos de agua caliente y fría de un sistema, respectivamente.
Ejercicios Resueltos de eficiencia de máquinas térmicas
Como se comentó texto atrás, “Es imposible construir una máquina térmica que transforme en su totalidad el calor en energía y viceversa”.
La Eficiencia de una máquina térmica es la relación entre el trabajo mecánico producido y el calor suministrado.
Dónde:
e = Eficiencia [ % ]
1.- Cuál es la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministrarán 8 000 calorías para obtener 25 200 Joules de calor de salida?
Solución: Sin duda el problema es muy fácil de resolver, simplemente tenemos que sustituir los datos en nuestra fórmula:
Sustituyendo nuestros datos:
Lo que sería equivalente a un 25% de eficiencia térmica
2.- Calcular la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministran 5.8 x 10^8 cal, realizando un trabajo de 8.3 x10^7 J.
Solución: Vamos a utilizar nuestros datos de la siguiente manera:
Convertimos las calorias en Joules, haciendo este pequeño factor de conversión 1 Cal = 4.185 J/Cal , de tal manera que ahora 
Sustituyendo en la fórmula, tendremos:
que multiplicado por 100, tendríamos
Haciendo un total del 3.41 por ciento de eficiencia térmica, bajo esas condiciones.
Ahora veamos otro ejemplo de análisis.
3.- Suponga que una persona le comenta que construyó una máquina térmica la cual, en cada ciclo, recibe 100 cal de la fuente caliente y realiza un trabajo de 418 J. Sabiendo que 1 cal = 4.18 J. ¿Qué puede opinar al respecto?
Solución: Si la máquina recibe 100 cal de la fuente caliente quiere decir que:
Ahora por fórmula tenemos:
que multiplicado por 100, tenemos
Por lo que nuestra respuesta tendrá que ser, que eso es imposible ya que viola la segunda ley de la termodinámica, al decir que una máquina no puede realizar una eficiencia de 100%, puesto que al realizar algún trabajo la energía tiene que disiparse de alguna forma o transformarse en otra cosa.
una duda en el primer ejercicio como sustituyesen la formula e=Q1-Q2 si esta calorías y me marca q tiene q ser en joules
Q1
Simplemente haces la conversión Mari!
Recuerda que:
Eso quiere decir, que las calorías que tienes, las tendrás que multiplicar por 4.185, para obtenerlo en Joules.
Saludos
tengo esa duda tambien porque ahi te ponen que 1cal= 4.20 , te ponen que 25200j es igual a 6000 cal el resultado del primer ejemplo me da 0.246 osea 24%
Hola Jordy, estás en toda la razón.
En este ejemplo estamos tomado a 1 cal = 4.20 J, entonces haciendo la relación nos sale como 6000 calorias el resultado, pero si asumimos lo que dice el problema 2, que puede variar también.
Aplicando en la fórmula:
Entonces tendríamos:
Qué sería nuestra eficiencia en porcentaje.
Saludos
Una máquina térmica de Carnot recibe calor de un depósito a 1.700 °F a razón de 700 Btu/min, y rechaza el calor de desecho al aire ambiente a 80 °F. Toda la potencia producida por la máquina térmica se usa para accionar un refrigerador que quita calor del espacio refrigerado a 20 °F y lo transfiere al mismo aire ambiente a 80 °F. Determine a) la tasa máxima de remoción de calor del espacio refrigerado y b) la tasa total de rechazo de calor al aire ambiente.
disculpa en el segundo ejercicio dice 5.6×10^8 cal y al dar los datos diste esto Q1=5.8×10^8 cal.
Resuelto francisco, hemos modificado el problema.
Ayúdame en el mío esta abajo
Calcular el cambio De energía interna de un sistema Que absorbe 170 joule Y realiza 72 joule de trabajo sobre su producto?
AYUDENME NO LE ENTIENDO
Primera ley de la termodinámica variación de energía interna = variación de calor + variación de trabajo como el calor entra y el trabajo sale los signos serian + y – respectivamente dando como resultado 98J de variacion en la energia interna de tu sistema
170J x (1Cal/4.185J) = 40.62Cal
72J x (1Cal/4.185J)= 17.2Cal
e= 17.2Cal/40.62Cal= 0.42 x 100 = 42%
En realidad, se utilizaría en este caso un ejercicio de la primer ley de la termodinámica aplicándose que: Como el calor (170J) se absorbe, es positivo, y el trabajo (72J) se realiza sobre el producto, es negativo. Por ende:
△U = △Q – △W
△U = 170J – (-72J)
△U = 170J + 72J
△U = 242J
Aquí encontrarás la definición y algunos ejemplos: https://www.fisimat.com.mx/leyes-de-la-termodinamica/
Gracias Fernanda por tu comentario.
Saludos
me puede ayudar con tres ejercicios de eficiencia gracias!!!
resueltos gracias
hola
quien me puede ayudar con este ejercicio.
Una turbina adiabática se alimenta mediante 7,0 kg/s de vapor sobre
calentado a 400ºC y 10 MPa. El vapor sale a 75 kPa y con una calidad del 90%. Si se desprecian los cambios de energía cinética y de energía potencial, determine la potencia de la turbina.
Hola
Quien me puede ayudar con este ejercicio,
2. Calcule el trabajo realizado y el volumen final luego de un proceso isotérmico donde la entropía de 0,2 kmol de aire aumenta en 3,6 kJ/K si la presión inicial es 600 kPa y la temperatura 400 K
tengo un taller muy interesante , para resolver un parcial , alguien tiene la generosidad y el tiempo para explicarme y ayudarme a resolverlo, por skype o facebook.
hola
buenas noches
ayuda con este ejercicio
El motor de un refrigerador ideal tiene una potencia de 150 W. La temperatura exterior al refrigerador es de 55°C. ¿Cuánto tiempo demorará el refrigerador en congelar 4 kg de agua (paso de agua líquida a hielo a la temperatura de 0°C), sabiendo que el calor de fusión del hielo es de 80 cal/g?
hola
buenas noches me pueden ayudar con este ejercicio
ejercicio 2.
La masa de aire asignada a su grupo en la Tabla 1, se encuentra a 150 kPa y 12°C y está confinada dentro de un dispositivo de cilindro-émbolo hermético y sin fricción. A continuación se comprime hasta una la presión final asignada a su grupo en la misma tabla. Durante el proceso, se retira calor del aire de tal modo que permanece constante la temperatura en el interior del cilindro. Calcule el trabajo consumido durante este proceso.
datos de la tabla
Ejercicio 2: masa de aire en kg: 9,6
Presión final kpa: 570
Ejercicio 3: área de entrada de la turbina en m2: 0,37
Velocidad de entrada de la turbina en m/s: 28
Ejercicio 4: temperatura del agua caliente en °c: 117
Temperatura deseada de la mezcla en °c: 85
ejercicio 3.
En una turbina de flujo estacionario, se expande aire de 1 000 kpa y 600°C en la entrada, hasta 100 kpa y 200°C en la salida. El área y la velocidad de entrada se indican en la Tabla 1 de acuerdo al número de su grupo, la velocidad de salida es 10 m/s. Determine la tasa de flujo de masa, y el área de la salida.
ejercicio 4.
Un flujo de agua fría a 25°C entra a una cámara mezcladora a una razón de 0.5 kg/s, y se mezcla con un flujo de agua caliente que se encuentra a la temperatura asignada a su grupo en la Tabla 1. Se desea que la mezcla salga de la cámara a la temperatura asignada en la misma tabla. Calcule el flujo de masa de agua caliente requerida. Suponga que todos los flujos están a la presión de 250 kpa
Tengo ejercicios del libro de atkins, y son ejercicios y problemas, màs que todo teoricos… es decir, se resuelve derivando e integrando formulas como la de Gibbs, la verdad no entiendo mucho… y no lo se… solo queria decirlo :’v desahogarme para mi examen de mañana que seguro reprobare :””’v
Hola Dayana! esos problemas que mencionas son para un nivel universitario y ciertamente hay que derivar e integrar.
No te desanimes, mucho ánimo y éxito en tu examen.
Me podrían ayudar con mi problema
Una maquina de carnot efectua trabajo a la tasa de 440 kw mientras usa 680 kcal de calor por segundo. si la temperatura de la fuente de calor es de 570 º c ¿a que temperatura se expulsa el calor desecho?
Un dispositivo de émbolo-cilindro contiene 2 kg de vapor de agua saturado a 600 kPa. El agua se expande
adiabáticamente hasta que la presión es 100 kPa y se dice que produce 700 kJ de trabajo.
a) Determine el cambio de entropía del agua en kJ/kg · K.
quien me puede ayudar
suponga que 0.200 moles de un gas diatomico con un comportamiento ideal gamma igual a 1.4 efectua un ciclo de carnot con temperatura de 227°C y 27°C, la presion inicial es de 10×10^5 pa y durante la expansion isotermica a la temperatura superior se la duplica el volumen a) calcule presion y volumen de los puntos a,b,c y d
Una central eléctrica nuclear genera 1200MW y tiene una eficiencia de 30% ,si se utiliza un rio cuyo caudal es 106 kg/s para liberar el exceso de energía térmica en ¿Cuanto variaría la temperatura promedio del río?
me podrian ayudar con este ejercicio gracias
2. Considere un automóvil que pesa 1200 kg a una velocidad constante de 90 km/h sobre una carretera plana, que después empieza a subir por una cuesta de 30° con respecto a la horizontal del camino. Si la velocidad del automóvil permanece constante durante la subida, determine la potencia adicional en Hp que debe suministrar el motor del vehículo.
que pasa cuando el porcentaje es igal a cero ??
Tengo este problema alguien que me ayude
Considerando un ciclo termodinámico formado por los siguientes procesos.
1 a 2 expansión isentropica
2 a 3 proceso isotérmico
3 a 1 proceso isobarico
El ciclo opera opera sobre 113gr de nitrógeno, la relacion de expansión de 1 a 2 es 5, T1=149 °c,P1=682.5 kPa.
Calcular
Calor sumistrado
Calor rechazado
Trabajo neto
Rendimiento termico
Presión media efectiva
Potencia para 100 ciclos por segundo
HOLA, ESTUDIO INGENIERIA EN SISTEMAS PRODUCTIVOS, Y LA WEB ME AYUDA A ACLARAR DUDAS, SALUDOS DESDE LEON, GTO.
Gracias Félix. Saludos!
3. Un refrigerador que se usa para enfriar alimentos en una tienda de abarrotes debe producir 25,000 kJ de efecto de enfriamiento, y tiene un coeficiente de 1.60. ¿Cuántos kilowatts de potencia necesitará este refrigerador para operar?
Por q en el primer ejercicio lo convierte en 4.20 y el otro 4.185 como puedo saber por cual lo voy a convertir
3. Un ciclo termodinámico que maneja 2,5kg/s de agua consta de una caldera, de la cual sale vapor a 8MPa y 600°C. Posteriormente el vapor entra a una turbina adiabática con 85% de eficiencia isoentropica, de la turbina se descarga el vapor a un condensador que opera a una presión de 20kPa y del cual sale como líquido saturado, luego pasa a una bomba con 80% de eficiencia para llevar el líquido nuevamente a la caldera. Si los alrededores están a 25°C y 100kPa y puede suponerse que no existe caída de presión en el condensador, determine:
a) Potencia real en la turbina (kW)
b) Calor del condensador (kW)
c) Tasa de generación de entropía en la turbina.
d) Tasa de generación de entropía en el condensador.