Universidad Abierta y A Distancia de México
Ingeniería en Tecnología Ambiental
Termodinámica
Unidad 3 - Segunda Ley de la Termodinámica
Actividad 2 - La Entropía y el Desorden
Docente: Mtro. Victor Rivera Mancera
Estudiante: Omar Gabriel Hernández Castro
Matrícula: ES241101200
Correo: omar.hernandez.24ITA@nube.unadmexico.mx
MAPA MENTAL Segunda Ley de la Termodinamica y Entropia
Eficiencia de una Máquina Térmica
Reversibilidad e Irreversibilidad
Entropía
Segunda Ley de la Termodinámica
Incremento de Entropía en Sistemas Aislados
Conclusión
El concepto de energías renovables se ha vuelto fundamental en la búsqueda de soluciones sostenibles para enfrentar los desafíos energéticos y ambientales del siglo XXI. Las fuentes de energía renovable, como la solar, eólica, hidroeléctrica y biomasa, ofrecen alternativas viables a los combustibles fósiles, permitiendo una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero y promoviendo un desarrollo más sostenible.
Sin embargo, al considerar la implementación de estas tecnologías, es crucial tener en cuenta el enunciado de Kelvin-Planck de la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que es imposible construir un dispositivo que convierta todo el calor absorbido en trabajo útil sin pérdidas. Este principio implica que, aunque las energías renovables son más limpias y sostenibles, también enfrentan limitaciones inherentes en su eficiencia.
Por ejemplo, en el caso de la energía solar, aunque se puede capturar una gran cantidad de energía del sol, la conversión de esta energía en electricidad a través de paneles solares no es 100% eficiente; parte de la energía se pierde en forma de calor. De manera similar, en las turbinas eólicas, aunque se aprovecha la energía cinética del viento, también hay pérdidas asociadas a la fricción y a la conversión de energía.
Para aplicar el enunciado de Kelvin en el contexto de las energías renovables, es fundamental diseñar sistemas que minimicen estas pérdidas y maximicen la eficiencia. Esto puede lograrse mediante la investigación y el desarrollo de tecnologías más avanzadas, como paneles solares de mayor eficiencia, sistemas de almacenamiento de energía más efectivos y turbinas eólicas optimizadas. Además, la integración de múltiples fuentes de energía renovable en una red inteligente puede ayudar a equilibrar la oferta y la demanda, reduciendo así el impacto de la entropía en el sistema energético.
Aunque las energías renovables representan una solución prometedora para un futuro sostenible, es esencial reconocer y abordar las limitaciones impuestas por la Segunda Ley de la Termodinámica. Al hacerlo, podemos avanzar hacia un sistema energético más eficiente y respetuoso con el medio ambiente, alineando nuestras prácticas con los principios fundamentales de la física.
Referencias
- Autor Desconocido (2015). ENTROPIA. Disponible en - https://daliaguzman1996.wordpress.com/temas/entropia/
- Básicos de Ingeniería. (2021, March 18). Procesos mecánicamente reversibles [Video]. YouTube. Disponible en - https://www.youtube.com/watch?v=8ebwzTRiKSo
- Colaboradores de Wikipedia. (2024). Muerte térmica del universo. Wikipedia, La Enciclopedia Libre. Disponible en - https://es.wikipedia.org/wiki/Muerte_t%C3%A9rmica_del_universo
- Coluccio E. (2024). Entropía - Concepto, ejemplos y entropía negativa. Concepto. Disponible en - https://concepto.de/entropia/
- Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (s.f.) Termodinámica. Segunda y Tercera Ley. Disponible en - https://fcen.uncuyo.edu.ar/upload/clase4segundayterceraleyesdelatermodinamica.pdf
- LICEO AGB (s.f.). Máquinas Térmicas. Disponible en - https://www.liceoagb.es/quimigen/termo9.html
- Martín T. & Serrano A. (s.f.). Termodinámica – Segundo Principio. Universidad Politécnica de Madrid. Disponible en - https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo2p/maquinas.html
- Moebs, W., Ling, S. J., Sanny, J. (2021). 4.1 Procesos Reversibles e Irreversibles. Física Universitaria Volumen 2. OpenStax. Disponible en - https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-2/pages/4-1-procesos-reversibles-e-irreversibles
- Noguera, I. B. (2020). Irreversibilidad de los fenómenos físicos. Ingeniería Química Reviews. Disponible en - https://www.ingenieriaquimicareviews.com/2020/05/irreversibilidad-de-los-fenomenos.html
- Química.es (s.f.). Entropía_(termodinámica). Disponible en - https://www.quimica.es/enciclopedia/Entrop%C3%ADa_%28termodin%C3%A1mica%29.html
- UNADM (2024). Segunda Ley de la Termodinámica. Unidad 3. Termodinámica I. Ingeniería en Tecnología Ambiental. Universidad Abierta y A Distancia de México.
- Universidad de Granada (s.f.). 2da Ley de la Termodinámica. Maquinas Térmicas. Entropía. Disponible en - https://www.ugr.es/~esteban/earth/apuntesbasesfisicas/tr10.pdf
- Universidad de Sevilla (s.f.). Entropía. Departamento de Física Aplicada Disponible en - http://tesla.us.es/wiki/index.php/Entrop%C3%ADa
- YouPhysics (s.f.). Variación de entropía de un sistema aislado. Entropía del universo. Disponible en - https://www.youphysics.education/es/entropia-sistema-aislado/
Enunciado de Clausius
Es imposible que un proceso ocurra de tal manera que el calor fluya espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente.
Un refrigerador es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que pueda funcionar de forma continua, como sucede con las máquinas térmicas. (Martin T. & Serrano A., s.f.).
Reversibilidad
Un proceso es reversible si puede ser revertido sin dejar cambios en el sistema y el entorno. En estos procesos, la entropía total del sistema y el entorno permanece constante.
La condición necesaria para un proceso reversible es, por tanto, el requisito cuasiestático. Observe que es bastante fácil restaurar un sistema a su estado original; lo difícil es que su ambiente se restaure a su estado original al mismo tiempo (Moebs W., Ling S. J. , Sanny J.; 2021).
La Entropía en los Sistemas Aislados
En un sistema aislado, la entropía total nunca disminuye; en cualquier proceso espontáneo, la entropía del sistema y del entorno aumenta.
La entropía es una función de estado que indica la dirección de los procesos termodinámicos. Cuando un sistema experimenta una transformación AB irreversible, la variación de entropía que experimenta es mayor que la integral que aparece en el segundo miembro (YouPhysics, s.f.)
Irreversibilidad
Un proceso es irreversible si no puede ser revertido sin cambios en el sistema y el entorno. En estos casos, la entropía total aumenta. El sistema y su ambiente no pueden ser restaurados a sus estados originales al mismo tiempo. Como esto es lo que ocurre en la naturaleza, también se le llama proceso natural. El signo de un proceso irreversible proviene del gradiente finito entre los estados que se producen en el proceso real (Moebs W., Ling S. J. , Sanny J.; 2021).
Entropía
La entropía es una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema. Se relaciona con la cantidad de energía en un sistema que no puede ser utilizada para realizar trabajo.
En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural ( Química.es , s.f.).
Entropía del Universo
El universo es un sistema aislado (si entendemos que el universo es todo entonces no hay nada más con lo que pueda intercambiar materia y/o energía). Además, todas las transformaciones que suceden en la realidad son irreversibles, por lo que cada vez que una transformación cualquiera AB tiene lugar en el universo, su entropía aumentará. Siempre (YouPhysics, s.f.).
Ejemplos de la Entropía
Si entendemos el plato como un sistema ordenado y equilibrado, con un alto potencial entrópico, veremos que su fragmentación en pedazos es un suceso natural, temporal, que no sucede de manera espontánea en sentido inverso (Coluccio E. , 2024).
La física contemporánea ha advertido sobre una teoría del fin del universo, llamada «muerte térmica», que sostiene que la entropía en el universo alcanzará en algún momento un equilibrio, un punto de entropía máxima en el cese del movimiento y de transferencias de calor, con lo cual no habrá más evolución ni cambio de ningún tipo (Coluccio E. , 2024).
Eficiencia de una Máquina Térmica
La eficiencia de una máquina térmica está limitada por la segunda ley de la termodinámica, ya que parte del calor absorbido se convierte en entropía, lo que reduce la cantidad de trabajo útil que se puede extraer.
- En las máquinas térmicas una sustancia de trabajo experimenta un proceso cíclico, y a través de dicha sustancia hay un intercambio de calor con el medio, a al menos dos temperaturas distintas.
- A la temperatura más alta el sistema absorbe calor y, a fin de completar el ciclo, debe ceder calor a la temperatura más baja.
- La diferencia entre el calor cedido y el absorbido es el trabajo realizado en el ciclo.
Enunciado de Kelvin - Planck
Es imposible construir un dispositivo que, funcionando en un ciclo, convierta todo el calor absorbido de una fuente en trabajo sin que haya un efecto secundario (como la transferencia de calor a una fuente fría). Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos (Martin T. & Serrano A., s.f.).
Mapa Mental segunda ley de la termodinamica
Gabo Hernández
Created on November 23, 2024
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Universidad Abierta y A Distancia de México
Ingeniería en Tecnología Ambiental
Termodinámica
Unidad 3 - Segunda Ley de la Termodinámica
Actividad 2 - La Entropía y el Desorden
Docente: Mtro. Victor Rivera Mancera
Estudiante: Omar Gabriel Hernández Castro
Matrícula: ES241101200
Correo: omar.hernandez.24ITA@nube.unadmexico.mx
MAPA MENTAL Segunda Ley de la Termodinamica y Entropia
Eficiencia de una Máquina Térmica
Reversibilidad e Irreversibilidad
Entropía
Segunda Ley de la Termodinámica
Incremento de Entropía en Sistemas Aislados
Conclusión
El concepto de energías renovables se ha vuelto fundamental en la búsqueda de soluciones sostenibles para enfrentar los desafíos energéticos y ambientales del siglo XXI. Las fuentes de energía renovable, como la solar, eólica, hidroeléctrica y biomasa, ofrecen alternativas viables a los combustibles fósiles, permitiendo una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero y promoviendo un desarrollo más sostenible. Sin embargo, al considerar la implementación de estas tecnologías, es crucial tener en cuenta el enunciado de Kelvin-Planck de la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que es imposible construir un dispositivo que convierta todo el calor absorbido en trabajo útil sin pérdidas. Este principio implica que, aunque las energías renovables son más limpias y sostenibles, también enfrentan limitaciones inherentes en su eficiencia. Por ejemplo, en el caso de la energía solar, aunque se puede capturar una gran cantidad de energía del sol, la conversión de esta energía en electricidad a través de paneles solares no es 100% eficiente; parte de la energía se pierde en forma de calor. De manera similar, en las turbinas eólicas, aunque se aprovecha la energía cinética del viento, también hay pérdidas asociadas a la fricción y a la conversión de energía. Para aplicar el enunciado de Kelvin en el contexto de las energías renovables, es fundamental diseñar sistemas que minimicen estas pérdidas y maximicen la eficiencia. Esto puede lograrse mediante la investigación y el desarrollo de tecnologías más avanzadas, como paneles solares de mayor eficiencia, sistemas de almacenamiento de energía más efectivos y turbinas eólicas optimizadas. Además, la integración de múltiples fuentes de energía renovable en una red inteligente puede ayudar a equilibrar la oferta y la demanda, reduciendo así el impacto de la entropía en el sistema energético. Aunque las energías renovables representan una solución prometedora para un futuro sostenible, es esencial reconocer y abordar las limitaciones impuestas por la Segunda Ley de la Termodinámica. Al hacerlo, podemos avanzar hacia un sistema energético más eficiente y respetuoso con el medio ambiente, alineando nuestras prácticas con los principios fundamentales de la física.
Referencias
Enunciado de Clausius
Es imposible que un proceso ocurra de tal manera que el calor fluya espontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente. Un refrigerador es un dispositivo cuyo objetivo es extraer calor de un cuerpo a una cierta temperatura y cederlo a otro que se encuentra a una temperatura superior. Para ello utiliza de una sustancia de trabajo (vapor de agua, aire u otras sustancias) que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica, para que pueda funcionar de forma continua, como sucede con las máquinas térmicas. (Martin T. & Serrano A., s.f.).
Reversibilidad
Un proceso es reversible si puede ser revertido sin dejar cambios en el sistema y el entorno. En estos procesos, la entropía total del sistema y el entorno permanece constante. La condición necesaria para un proceso reversible es, por tanto, el requisito cuasiestático. Observe que es bastante fácil restaurar un sistema a su estado original; lo difícil es que su ambiente se restaure a su estado original al mismo tiempo (Moebs W., Ling S. J. , Sanny J.; 2021).
La Entropía en los Sistemas Aislados
En un sistema aislado, la entropía total nunca disminuye; en cualquier proceso espontáneo, la entropía del sistema y del entorno aumenta. La entropía es una función de estado que indica la dirección de los procesos termodinámicos. Cuando un sistema experimenta una transformación AB irreversible, la variación de entropía que experimenta es mayor que la integral que aparece en el segundo miembro (YouPhysics, s.f.)
Irreversibilidad
Un proceso es irreversible si no puede ser revertido sin cambios en el sistema y el entorno. En estos casos, la entropía total aumenta. El sistema y su ambiente no pueden ser restaurados a sus estados originales al mismo tiempo. Como esto es lo que ocurre en la naturaleza, también se le llama proceso natural. El signo de un proceso irreversible proviene del gradiente finito entre los estados que se producen en el proceso real (Moebs W., Ling S. J. , Sanny J.; 2021).
Entropía
La entropía es una medida del desorden o la aleatoriedad de un sistema. Se relaciona con la cantidad de energía en un sistema que no puede ser utilizada para realizar trabajo. En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural ( Química.es , s.f.).
Entropía del Universo
El universo es un sistema aislado (si entendemos que el universo es todo entonces no hay nada más con lo que pueda intercambiar materia y/o energía). Además, todas las transformaciones que suceden en la realidad son irreversibles, por lo que cada vez que una transformación cualquiera AB tiene lugar en el universo, su entropía aumentará. Siempre (YouPhysics, s.f.).
Ejemplos de la Entropía
Si entendemos el plato como un sistema ordenado y equilibrado, con un alto potencial entrópico, veremos que su fragmentación en pedazos es un suceso natural, temporal, que no sucede de manera espontánea en sentido inverso (Coluccio E. , 2024). La física contemporánea ha advertido sobre una teoría del fin del universo, llamada «muerte térmica», que sostiene que la entropía en el universo alcanzará en algún momento un equilibrio, un punto de entropía máxima en el cese del movimiento y de transferencias de calor, con lo cual no habrá más evolución ni cambio de ningún tipo (Coluccio E. , 2024).
Eficiencia de una Máquina Térmica
La eficiencia de una máquina térmica está limitada por la segunda ley de la termodinámica, ya que parte del calor absorbido se convierte en entropía, lo que reduce la cantidad de trabajo útil que se puede extraer.
Enunciado de Kelvin - Planck
Es imposible construir un dispositivo que, funcionando en un ciclo, convierta todo el calor absorbido de una fuente en trabajo sin que haya un efecto secundario (como la transferencia de calor a una fuente fría). Este enunciado implica que la cantidad de energía que no ha podido ser transformada en trabajo debe cederse en forma de calor a otro foco térmico, es decir, una máquina debe trabajar al menos entre dos focos térmicos (Martin T. & Serrano A., s.f.).