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Entropia

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMETAL DE GUAYANA COORDINACIÓN DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CATEDRA: TERMODINÁMICA ENTROPÍA MSc MSc Ing Lilian Castillo

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SEGUNDO PRINCIPIO DE LATERMODINÁMICA. ENTROPÍA.

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Postulado 1 (según Lord Kelvin) No existe una transformación termodinámica cuyo único efecto consista en extraer una cantidad de calor de un baño térmico para convertirla completamente en trabajo Es imposible extraer calor de un objeto y transformarlo enteramente en trabajo. Postulado 2 (según Clausius) No existe una transformación termodinámica cuyo único efecto consista en extraer una cantidad de calor de un baño térmico para entregarla a otro baño térmico más caliente El calor nunca fluye espontáneamente de los cuerpos fríos a los calientes. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

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Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido. La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa. Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.

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SEGUNDO PRINCIPIO Todo sistema aislado evoluciona en un sentido hasta alcanzar el equilibrio El tiempo va en una dirección

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Cualquier proceso que ocurre espontáneamente produce un aumento de entropía del universo Segundo Principio de la Termodinámica Criterio de espontaneidad: DSuniv > 0

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En todo sistema en equilibrio, la entropía del universo permanece constante. En todo proceso irreversible, la entropía del universo aumenta. Segundo Principio de la Termodinámica desigualdad de Claussius: DSuniv ≥ 0

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Es la medida de la uniformidad de la energía de un sistema. 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. La entropía es un concepto que se aplicó inicialmente a sistemas de termodinámica para tener una idea de la cantidad de calor disipado por un cuerpo. La idea general es que un cuerpo cuando libera mayor cantidad de energía calorífica es que las moléculas que lo componen se mueven a mayor velocidad chocando unas con otras, y en cada choque de moléculas se libera alguna cantidad de energía en forma de calor. ENTROPÍA (S)

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La entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad (desorden)

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La entropía se define solamente para estados de equilibrio. Solamente pueden calcularse variaciones de entropía. Por conveniencia se considera nula la entropía de una sustancia en algún estado de referencia conveniente. Así se calculan las tablas de vapor, en donde se supone cero la entropía del agua cuando se encuentra en fase liquida a 0'C y presión de 1 atm. La entropía de un sistema en estado se equilibrio es únicamente función del estado del sistema, y es independiente de su historia pasada. La entropía puede calcularse como una función de las variables termodinámicas del sistema, tales como la presión y la temperatura o la presión y el volumen. La entropía en un sistema aislado aumenta cuando el sistema experimenta un cambio irreversible. CARACTERÍSTICAS DE LA ENTROPÍA

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La entropía física, en su forma clásica, es definida por la ecuación: O más simplemente, cuando no se produce variación de temperatura (PROCESO ISOTÉRMICO): Donde S es la entropía, Q la cantidad de calor intercambiado y T la temperatura en Kelvin. Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico. Esta ecuación significa que: “CUANDO UN SISTEMA TERMODINÁMICO PASA DEL ESTADO 1 AL ESTADO 2, EL CAMBIO EN SU ENTROPÍA ES IGUAL AL CAMBIO EN SU CANTIDAD DE CALOR DIVIDIDO POR SU TEMPERATURA.”

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La unidad de medida de la entropía en el SI es J/K. Cuando el sistema absorbe calor, dQ es positivo y la entropía aumenta. Cuando el sistema libera calor, dQ es negativo y la entropía disminuye.

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Caso particular: Sistema aislado ¡Ojo! Si no está aislado: Hay que tener en cuentala variación de entropía del sistema y la de los alrededores. En un proceso espontáneo aumenta la S del universo.

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INTERPRETACIÓN MOLECULARDE LA ENTROPÍA. Un sistema puede describirse de dos formas: * Macroscópicamente (P, V, T) * Microscópicamente (posición y velocidad de cada átomo) Con un estado macroscópico hay muchos estados microscópicoscompatibles. La entropía es una medida del número de estados microscópicosasociados con un estado macroscópico determinado. Estado macroscópico: * Ordenado * Desordenado Estado microscópico: * Orden exacto de los naipes

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Un sistema desordenado es más probable que uno ordenado porque tiene más estados microscópicos disponibles. La entropía tiene una tendencia natural a aumentar dado que corresponde al cambio de condiciones de baja probabilidad a estados de probabilidad mayor. El Tercer Principio de la Termodinámica implica que si fuera posible alcanzar el “cero absoluto” de temperatura, la materia estaría totalmente “ordenada”. En el “cero absoluto de temperatura”, sólo hay una posible disposición de las moléculas, Sº(0K) =0 J/K. Al aumentar T, las moléculas, y los átomos que las constituyen adquieren una cierta movilidad, con lo que pueden adoptar varias orientaciones con la misma energía. Son posibles por tanto más “microestados”.

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De forma muy aproximada y general, se puede decir que En igualdad de condiciones (P,T), las S de los gases son mayores que las de los líquidos y estas a su vez mayores que las de los sólidos ( “mayor probabilidad, mayor desorden) Sustancias con moléculas de tamaño y estructura similar tienen entropías parecidas, a igual (P,T) En reacciones químicas que impliquen sólo gases, líquidos puros y sólidos puros, la ΔSº del sistema dependerá en general de la variación del número de moles de gas (si ngas aumenta ΔSº >0, si ngas disminuye ΔSº<0)

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Los procesos solo suceden en una cierta dirección, no en cualquier dirección. (ΔS≥0) La entropía es una propiedad que no se conserva y no hay un postulado como el principio de la conservación de la entropía. Esta aumenta durante todos los procesos reales. La es una medida del desorden molecular o aleatoriedad molecular. Conforme un sistema se vuelve más desordenado, las posiciones de las moléculas son menos predecibles y aumenta la entropía.

ENTROPIA : 

ENTROPIA Entra agua a una maquina de hielo a 55 ºF y sale como hielo a 25 ºF. Si el CDF de la maquina de hielo es de 2,4 durante esta operación, determine: - La entrada de potencia requerida para una tasa de producción de hielo de 20lbm/h (es necesario extraer 169 Btu de energía de cada Lbm de agua a 55 º F, para convertirla en hielo a 25 º F). - Dibuje el diagrama. - Calor descargado al ambiente.

ENTROPIA : 

ENTROPIA W TH=55ºF TC=25ºF QH QC=169Btu TH= 55ºF + 469 = 515ºR TH= 25ºF + 460 = 485ºR β= Coeficiente de rendimiento β>1 β = 2,4 · m = 200 lbm /h Sistema de Refrigeración

ENTROPIA : 

ENTROPIA W = QC ; w = 169 Btu/ Lbm W = 70,41Btu/ lbm β 2,4 W = 70,41 Btu x 1,0551 kj Lbm W = 163,77 kj/kg Lbm 1 Btu 0,4536 kg · · m = 200 Lbm x 0,4536 Kg m = 90,47 Kg / h h Lbm · · · W = m x W ; W = 90.72 kg/h x 163,77 kj/Kg · W = 14.857,21 Kj/h QC = 169 Btu/Lbm

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