Universidad Nacional Mayor de San Marcos Universidad del Perú, Decana de América
Facultad de Ciencias Físicas
Curso de Física 2
Prof.: Fis. Luis P. Vilcapoma Lázaro Semestre 2012 - 2
Ciclos termodinámicos
Fis. Luis P. Vilcapoma Lázaro 2012 - 2
Contenido
1. Procesos reversibles e irreversibles.
2. Máquinas termodinámicas.
3. Eficiencia.
4. Segunda ley de la termodinámica.
5. Ciclo de Carnot.
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Procesos termodinámicos
Los cuatro procesos termodinámicos más
frecuentes son:
“sin transferencia de calor” = adiabático (Q = 0)
“a temperatura constante” = isotérmico (T = cte)
“a volumen constante” = isocórico (V = cte)
“a presión constante” = isobárico (P = cte)
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Proceso adiabático (Q=0)
En este tipo de proceso no hay transferencia de
calor entre el sistema y el entorno.
-PdV-dWdU
0 dQ como
dWdQdU
De la primera ley
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Proceso adiabático (Q=0)
ctePVcteTV
V
dVdT
1
v
v
RT
c
dVV
nRT-dTnc
-PdV-dWdU
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Proceso adiabático (Q=0)
bbaa
bbaa
VPVP
VTVT
UW
11
En resumen
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Trabajo en el proceso
adiabático de un gas ideal
1
)(
)(
bbaa
bbaav
abvv
VPVPW
VPVPR
cW
TTncTncW
UW
Corresponde a una
expansión adiabática
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Proceso isotérmico (T=cte)
En este proceso se tiene que la temperatura es
una constante y esto significa que ΔU =0
ctePVWQ
0 dU como
dWdQdU
De la primera ley
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Trabajo en el proceso
isotérmico de un gas ideal Expansión isotérmica
Q
1
2ln
2
1
V
VnRTW
dVV
nRTW
PdVdW
V
V
Q = W
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Proceso isobárico (P=cte)
En este proceso la presión se mantiene
constante.
)( 12 VVPW
TncQ
WUQ
dWdQdU
p
De la primera ley
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Proceso isobárico (P=cte)
Trabajo del gas ideal a presión constante.
Es una expansión a
presión constante
Q
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Proceso isocórico
Si el volumen permanece constante, la presión
es directamente proporcional a la temperatura,
a este proceso se denomina Isócora.
teconsT
Ptan
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Proceso isocórico
En este proceso el sistema no realiza trabajo
QU
2
2
1
1
T
P
T
P
Q
TncQU v
El sistema al ceder calor a su entorno, disminuye su
temperatura, presión, y la energía interna.
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Proceso irreversible
Adiabática El flujo de calor del cuerpo más
caliente al más frío es irreversible. Los
procesos termodinámicos que se dan en la
naturaleza son irreversibles.
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Proceso reversible
Si aumentamos infinitesimalmente la
temperatura de la caja, el calor fluirá de la caja
al hielo, derritiéndolo. Al reducir
infinitesimalmente la temperatura de la caja, el
agua se congelará.
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Proceso reversible
Las condiciones para un proceso reversible
son:
No debe existir trabajo realizado por fricción.
El proceso debe ser tal que el sistema se
encuentre siempre muy cerca de estados de
equilibrio termodinámico.
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Proceso cíclico
Es la sucesión de procesos termodinámicos que
al final deja al sistema en su estado inicial, como
se muestra en la figura.
00 UUU f
En la primera ley de la
termodinámica, se obtiene:
WQneto
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Trabajo neto en un proceso
cíclico El trabajo neto W realizado durante un proceso
cíclico es el área encerrada por la curva que
representa el proceso en un diagrama PV
Si el proceso es horario, el
trabajo realizado por el
sistema es positivo. Si el
proceso es anti horario, el
trabajo realizado por el
sistema es negativo.
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Ejercicio 1
n moles de un gas ideal
diatómico se somete al
ciclo mostrado. Calcular:
a)El trabajo en un ciclo.
b)La temperatura T3.
c)El calor absorbido por
el gas en un ciclo.
d)El calor cedido por el
gas en un ciclo.
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Ejercicio 2
Tres moles de un gas ideal se
somete al ciclo. El proceso cb es
adiabático. Halle el trabajo total
del ciclo.
Para este gas:
Kmol
JcP
.1,29
KT
KT
KT
c
b
a
492
600
300
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Máquinas térmicas
Las primeras
locomotoras,
obtenían su
energía quemando
leña o carbón. El
calor producido
proporcionaba
vapor de agua que
a la vez accionaba
al motor de la
locomotora.
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Máquinas térmicas
Al quemas combustible se obtiene vapor de agua que
recorre todo el circuito mostrado en la figura
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Motor de combustión interna
El motor a gasolina,
empleado en autos y en otros
tipos de maquinarias, es un
ejemplo común de máquina
térmica. El calor en este caso
se obtiene al quemar el
combustible.
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Máquinas térmicas Depósito caliente
Depósito frío
W
eficiencia
cQ
We
TC
TF
MT
QC (+)
QF (-)
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Ciclo de Otto (motor a gasolina)
a: Mezcla de aire + agua.
ab: Compresión adiabática.
bc: La bujía enciende el
combustible. El calor liberado
por la combustión produce un
calentamiento a volumen
constante.
cd: Expansión adiabática.
da:Enfriamiento a volumen
constante, expulsión de la
mezcla quemada al entorno.
r: Razón de compresión.
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Refrigerador
Equivale a una máquina
térmica que opera en
reversa. Toma calor de un
lugar frío (el interior del
refrigerador) y lo cede a un
lugar más caliente (el medio
ambiente)
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Esquema de un refrigerador Depósito caliente
Depósito frío
W (-)
Calor cedido al depósito caliente
TC
TF
R
QC (-)
QF (+) Calor absorbido del depósito frío
Trabajo entregado
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Rendimiento de un refrigerador
Depósito caliente
Depósito frío
W (-)
TC
TF
R
QC (-)
QF (+) W
QR
F
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Segunda ley de la termodinámica
Kelvin y Planck plantean:
Es imposible que una
máquina efectúe un
proceso cíclico en el que
absorba calor de un
depósito de temperatura
uniforme y lo convierta
totalmente en trabajo
mecánico.
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Máquina térmica de Carnot
1-2: Expansión isotérmica.
2-3: Expansión adiabática.
3-4: Compresión isotérmica.
4-1: Compresión adiabática.