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Segunda Ley de la Termodinámica
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La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier proceso de conversión de energía, siempre se perderá parte de la energía en forma de calor residual, y es imposible lograr una conversión completa del calor en trabajo útil sin pérdidas. La fracción del calor que no puede ser convertida en trabajo se libera como calor residual. Esta liberación de calor residual resulta en un aumento de la entropía, que es una medida del desorden, tanto en el sistema como en su entorno, contribuyendo al aumento general de la entropía en el sistema.
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Mecanismos
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La segunda ley de la termodinámica establece que, en cualquier proceso natural, la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo; solo puede permanecer constante o aumentar. La entropía es una medida del desorden o la aleatoriedad, y la segunda ley implica que los procesos naturales tienden a moverse hacia un estado de máxima entropía o desorden. Esta ley explica por qué ciertos procesos son irreversibles y por qué la energía tiende a dispersarse. También fundamenta el concepto de la flecha del tiempo, dando una dirección al flujo del tiempo basada en la progresión hacia un mayor desorden. En términos prácticos, la segunda ley dicta que ningún motor térmico puede ser perfectamente eficiente, ya que siempre se perderá algo de energía como calor residual, y establece los límites fundamentales sobre la eficiencia de la conversión de energía y el funcionamiento de motores térmicos, refrigeradores y otros sistemas.
Mecanismos
ID:(15251, 0)
Calor y entropía
Concepto
La primera ley de la termodinámica establece que la energía se conserva y, en particular, que existen dos formas de modificar la energía interna del sistema, conocida como la energía interna ($U$). Esto se logra ya sea agregando o eliminando el contenido calórico ($Q$) y realizando trabajo sobre el sistema o permitiendo que el sistema realice trabajo, representado por el trabajo efectivo ($W$).
La segunda ley restringe estos procesos, limitando la conversión de la energía interna ($U$) y el trabajo efectivo ($W$). En este sentido, establece que no es posible que toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) se convierta completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), lo que significa que el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) nunca puede ser nulo. En otras palabras, es imposible convertir energía interna en trabajo mecánico sin experimentar una pérdida en forma de calor (el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$)).
Una segunda consecuencia de la segunda ley es que se hace necesario introducir una nueva variable, que cumple la función de el volumen ($V$) para el trabajo efectivo ($W$), teniendo en cuenta que el contenido calórico ($Q$) desempeña su papel como receptor de energía no aprovechada para la creación de trabajo. Esta nueva variable se denomina la entropía ($S$), y la tercera ley exige que su variación ( ($$)) sea siempre positiva o nula, pero nunca negativa.
En un sistema, un subsistema puede experimentar una disminución de la entropía ($\Delta S_{sub}<0$), pero el sistema completo debe mantener la entropía constante o experimentar un aumento en la misma ($\Delta S_{total}\geq 0$), de acuerdo con la tercera ley.
ID:(11129, 0)
Segunda ley de la termodinámica
Concepto
La segunda ley de la termodinámica se formula a partir de varias publicaciones [1,2], estableciendo que no es posible convertir por completo la energía en trabajo útil. La diferencia entre estas cantidades se relaciona con la energía no aprovechable el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), que corresponde al calor generado o absorbido en el proceso la temperatura absoluta ($T$).
En el caso de el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$), existe una relación entre la variable intensiva la presión ($p$) y la variable extensiva el volumen ($V$), expresada como:
| $ \delta W = p dV $ |
Una variable intensiva se caracteriza por definir el estado del sistema y no depender de su tamaño. En este sentido, la presión ($p$) es una variable intensiva, ya que describe el estado de un sistema independientemente de su tamaño. Por otro lado, una variable extensiva, como el volumen ($V$), aumenta con el tamaño del sistema.
En el caso de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), se necesita una variable extensiva adicional que complemente la variable intensiva la temperatura absoluta ($T$) para definir la relación como sigue:
| $ \delta Q = T dS $ |
Esta nueva variable, que llamaremos la entropía ($S$), se presenta aquí en su forma diferencial (la variación de la entropía ($dS$)) y modela el efecto de que no toda la energía el diferencial de la energía interna ($dU$) puede convertirse completamente en trabajo útil el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$).
[1] "Über die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen" (Sobre la fuerza motriz del calor y las leyes que de ella se pueden derivar para la teoría del calor misma), Rudolf Clausius, Annalen der Physik, 1850
[2] "On the Dynamical Theory of Heat" (Sobre la teoría dinámica del calor), William Thomson (Lord Kelvin), Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 1851
ID:(15702, 0)
Primera ley de la termodinámica y la presión
Concepto
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) se relaciona con el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) y el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) como se muestra a continuación:
| $ dU = \delta Q - \delta W $ |
Y sabiendo que el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) está relacionado con la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) de la siguiente manera:
| $ \delta W = p dV $ |
Entonces podemos concluir que:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
ID:(15701, 0)
Energía interna: relación diferencial
Concepto
Dado que la energía interna ($U$) depende de la entropía ($S$) y el volumen ($V$), el diferencial de la energía interna ($dU$) se puede calcular mediante:
$dU = \left(\displaystyle\frac{\partial U}{\partial S}\right)_V dS + \left(\displaystyle\frac{\partial U}{\partial V}\right)_S dV$
Para simplificar la escritura de esta expresión, se introduce la notación para la derivada de la energía interna ($U$) respecto a la entropía ($S$) con el volumen ($V$) fijo como:
$DU_{S,V} \equiv \left(\displaystyle\frac{\partial U}{\partial S}\right)_V$
y para la derivada de la energía interna ($U$) respecto a el volumen ($V$) con la entropía ($S$) fijo como:
$DU_{V,S} \equiv \left(\displaystyle\frac{\partial U}{\partial V}\right)_S$
por lo que se puede escribir:
| $ dU = DU_{S,V} dS + DU_{V,S} dV $ |
ID:(15703, 0)
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Cálculos
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Ecuaciones
$ \delta Q = T dS $
dQ = T * dS
$ dU = \delta Q - p dV $
dU = dQ - p * dV
$ dU = T dS - p dV $
dU = T * dS - p * dV
ID:(15310, 0)
Segunda ley de la termodinámica
Ecuación
El diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) es igual a la temperatura absoluta ($T$) por la variación de la entropía ($dS$):
| $ \delta Q = T dS $ |
ID:(9639, 0)
Primera ley de la termodinámica y la presión
Ecuación
Con la primera ley de la termodinámica, se puede expresar en términos de el diferencial de la energía interna ($dU$), el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) como:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) se relaciona con el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$) y el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) como se muestra a continuación:
| $ dU = \delta Q - \delta W $ |
Y sabiendo que el diferencial inexacto del trabajo ($\delta W$) está relacionado con la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) de la siguiente manera:
| $ \delta W = p dV $ |
Entonces podemos concluir que:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
ID:(3470, 0)
Energía Interna: relación diferencial
Ecuación
La dependencia de el diferencial de la energía interna ($dU$) de la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$), además de la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$), está dada por:
| $ dU = T dS - p dV $ |
Dado que el diferencial de la energía interna ($dU$) depende de el diferencial inexacto del calor ($\delta Q$), la presión ($p$) y la variación del volumen ($dV$) según la ecuación:
| $ dU = \delta Q - p dV $ |
y la expresión de la segunda ley de la termodinámica con la temperatura absoluta ($T$) y la variación de la entropía ($dS$) como:
| $ \delta Q = T dS $ |
podemos concluir que:
| $ dU = T dS - p dV $ |
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ID:(3471, 0)