Deficion
La segunda ley de la termodinámica dice que la entropía de un sistema es dado siempre tiende a aumentar con el tiempo lo que quiere decir que los procesos naturales tienen hacia un estado de mayor desorden y menor disponibilidad de energía útil, según (Fernández, 2020) la entropía es una medida del desorden o del número de formas en que los componentes de un sistema pueden organizarse este es representado con la letra s por otro lado está los procesos irreversibles es decir aquellos donde el flujo de calor fluye a un objeto frío estos son procesos irreversibles lo que quiere decir que no puede regresar espontáneamente a su estado inicial sin que se efectúa algún trabajo de manera externa sobre el sistema también hay que tener en cuenta el equilibrio térmico donde en los sistemas aislados los cuerpos tienden alcanzar un equilibrio térmico.
Principios y fenómenos observados
Principió De Clausius: Según (Llerena, 2016) Dice que es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y que su único defecto sea producir la transferencia de calor de un cuerpo de temperatura más baja a otro con una temperatura más alta este principio está basado en las máquinas de refrigeración y plantear que es imposible que una máquina que opera en un ciclo no tenga otro efecto que transferir el calor de un Sumidero y lo sea a una fuente o un refrigerador que opere sin consumir trabajo.
Principio De Kelvin-Plank: Según (Es Ciencia, 2021b) Dice que es imposible que un sistema efectúe un proceso en el cual se absorba calor de una fuente de temperatura uniforme y lo convierta totalmente en trabajo mecánico terminando en el mismo estado en que inició.
Fenómeno observado (Motor Stirling): En el experimento del motor Stirling, el fenómeno observado es la conversión de energía térmica en energía mecánica. Al aplicar calor al gas dentro del motor, este se expande, moviendo el pistón hacia arriba; cuando el gas se enfría, se contrae, y el pistón desciende. Este ciclo continuo de expansión y contracción genera movimiento mecánico, convirtiendo el calor en trabajo. La eficiencia del proceso está limitada por la segunda ley de la termodinámica, ya que no toda la energía térmica se convierte en trabajo útil, una parte siempre se pierde en forma de calor disipado.
Caracteristicas
- Aire como gas de trabajo: Usa el aire dentro del motor. Este aire se calienta y enfría para mover el pistón.
- Funciona alternando entre calor y frío. Se calienta el aire (con una vela o algo caliente) y luego se deja enfriar para que el motor se mueva.
- Partes que mueven el aire y el pistón: Este cuenta con dos una que mueve el aire de un lado a otro y otra que sube y baja (el pistón) para generar movimiento.
- Expansión y Compresión del Aire: Cuando el aire se calienta, se expande y empuja el pistón hacia arriba. Luego, cuando se enfría, el aire se contrae y el pistón baja, repitiendo el ciclo.
- No toda la energía del calor se convierte en movimiento, pero este motor muestra cómo el calor puede usarse para hacer que algo se mueva.
Formulas
Trabajo Realizado en la Expansión Isotérmica:
W=nRT ln(Tf/Ti)
Eficiencia Térmica del Motor Stirling:
η =1-Tfria/Tcaliente
Cambio de Entropía:
ΔS=Q/T
Materiales
- 4 latas de 473ml
- Cinta negra
- Lana de Acero o esponja
- Codo PVC
- Tornillo y tuerca
- Globo
- Alambre
- Tijeras
- Bisturí
- Nylon
- Pegante instantáneo
- CD
- Tapa
Procedimiento
Se comienza cortando la parte superior de una lata y limpiando bien su interior. Luego, se marca el borde de un codo de PVC en la lata y se abre un orificio dentro de la marca, haciéndolo un poco más pequeño que el diámetro del codo. Después, se aplica pegante instantáneo en el borde del codo y se adhiere a la lata, alineándolo con la marca realizada.
En la segunda lata, se hace un corte por la mitad, y a una de las mitades se le quita la tapa, dejándola como una lámina que se divide nuevamente. Ambas partes se unen con pegante instantáneo para reducir su diámetro, de manera que encaje en la primera lata cortada. A continuación, se hacen pequeños cortes en ambos extremos de la lata, los cuales se doblan hacia adentro para asegurar una pieza de lana de acero en su interior.
Luego, se corta un trozo de alambre y se dobla en forma de círculo en la parte superior. Este alambre se atraviesa de manera centrada en la lata con la lana de acero, y en la parte inferior se fija a la lana realizando varios dobleces. Con hilo de nylon, se hacen varios nudos en el círculo del alambre, y después, en la tercera lata, se realiza un recorte rectangular junto con un orificio en cada extremo del recorte y un orificio adicional en el centro de la parte inferior.
Con otro alambre, se construye el mecanismo indicado en el diagrama de referencia. Luego, se forma una argolla con un alambre más delgado, que se introduce en el alambre del mecanismo. Este alambre se inserta en los orificios previamente hechos en la lata. A continuación, se corta la parte media de un globo y, luego, la parte inferior. En la sección más grande del globo, se hace un orificio central donde se inserta un tornillo que se asegura con una tuerca. Esta parte se coloca en el codo de PVC y se ajusta con la base del globo.
El hilo de nylon de la lata con lana de acero se introduce a través del orificio inferior de la tercera lata y se amarra a la argolla que previamente se colocó en el alambre del diagrama de referencia. Ambas latas se unen con pegante instantáneo, y un alambre delgado se enrolla en el extremo del tornillo, fijándolo en el otro extremo del alambre que se moldeó con el diagrama.
Para la cuarta lata, se corta la parte superior y se mide en la base para abrir una ventana, permitiendo así introducir una vela, que se coloca en la parte superior de la lata como base. A continuación, se forma un asterisco con palitos de paleta y se pega en una tapa de gaseosa, que luego se asegura con otra tapa en la parte superior del mecanismo. Finalmente, la cuarta lata con la vela se fija en la base del experimento, y todo se asegura con cinta y pegante para mantenerlo estable.
Cálculos
Trabajo Realizado en la Expansión Isotérmica:
W=(0,01)(8,314)(373) ln(0,0006/0,0003)=21,5 J
Eficiencia Térmica del Motor Stirling:
η=1-298K/373K=0,20*100=20%
Cambio de Entropía:
ΔS=21,5/373=0,057 J/K
Conclusiones
- La segunda ley de la termodinámica nos muestra una verdad fascinante, que todo tiende naturalmente al desorden con el tiempo. Este aumento de entropía significa que en los sistemas, la energía útil no está completamente disponible para realizar trabajo. Por ejemplo, los procesos irreversibles, como el flujo de calor hacia un objeto frío, no pueden revertirse espontáneamente sin intervención externa, subrayando la importancia de los conceptos de equilibrio térmico.
- Los principios de Clausius y Kelvin-Plank refuerzan esta idea, destacando las limitaciones de los sistemas térmicos. Clausius nos dice que no es posible transferir calor de un objeto frío a uno caliente sin gastar energía, mientras que Kelvin-Plank recalca que ningún sistema puede convertir toda su energía térmica en trabajo mecánico sin perder parte de ella.
- El motor Stirling es un gran ejemplo práctico de cómo estos principios se aplican en la vida real. Su funcionamiento ilustra cómo el calor puede transformarse en trabajo mecánico mediante la expansión y contracción del aire al calentarse y enfriarse. Aunque el proceso es eficiente, siempre hay pérdida de energía en forma de calor no aprovechado, una limitación inherente de la termodinámica.
- Por último, el experimento con materiales simples como latas, globos y alambres demuestra de manera creativa cómo se pueden construir sistemas que simulan procesos termodinámicos complejos. La eficiencia del motor Stirling, calculada como un 20%, nos recuerda que siempre habrá límites en el uso de la energía térmica.
