Segunda Ley De La Termodinamica

Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMIC A Y SUS APLICACIONES

Castro Alvarado Fabián Enrique Pizarro De la Asunción Luis Carlos

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y SUS APLICACIONES

CASTRO ALVARADO FABIÁN ENRIQUE

UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL 2015

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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y SUS APLICACIONES

CASTRO ALVARADO FABIÁN ENRIQUE

Trabajo final de termodinámica

Profesor: CARLOS MENASSA GORDON

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL 2015

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TABLA DE CONTENIDO

CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN

PAG. 5

2. OBJETIVOS

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2.1. OBJETIVOS GENERALES

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2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

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3. DEFINICIONES CLÁSICAS DE LA SEGUNDA LEY

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3.1. DEFINICIÓN DE KELVIN-PLANCK

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3.2. DEFINICIÓN DE CLAUSIUS

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4. MÁQUINAS TÉRMICAS

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5. EFICIENCIA

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6. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR

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6.1. REFRIGERADORES

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6.1.1. COEFICIENTE DE DESEMPEÑO DE UN REFRIGERADOR 6.2. BOMBAS DE CALOR

11 11

6.2.1. COEFICIENTE DE DESEMPEÑO DE BOMBAS DE CALOR

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7. MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO

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8. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

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9. EL CICLO DE CARNOT

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10. ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURA

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11. ENTROPIA

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3

12. APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

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12.1.

A NIVEL INDUSTRIAL

18

12.2.

EN LA VIDA COTIDIANA

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13. CONCLUSIONES

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14. BIBLIOGRAFIA

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1. INTRODUCCIÓN

La incapacidad de la primera ley de identificar si un proceso puede llevarse a cabo es remediado al introducir otro principio general, la segunda ley de la termodinámica. La primera ley no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que el proceso ocurrirá realmente. Cuando los procesos no se pueden dar, esto se puede detectar con la ayuda de una propiedad llamada entropía. Un proceso no sucede a menos que satisfaga la primera y la segunda ley de la Termodinámica. El empleo de la segunda ley de la termodinámica no se limita a identificar la dirección de los procesos.

La segunda ley también afirma que la energía tiene calidad, así como cantidad. Preservar la calidad de la energía es un interés principal de los ingenieros, y la segunda ley brinda los medios necesarios para determinar la calidad, así como el nivel de degradación de la energía durante un proceso. La naturaleza establece que el total de energía asociada con una fuente térmica nunca puede ser transformada íntegra y completamente en trabajo útil. De aquí que todo el trabajo se puede convertir en calor pero no todo el calor puede convertirse en trabajo.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

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2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL Realizar un trabajo investigativo, con el fin de adquirir conocimientos acerca de los conceptos fundamentales de la segunda ley de la termodinámica.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Conocer la importancia de la segunda ley de la termodinámica.



Conocer las aplicaciones de la segunda ley de la termodinámica a nivel industrial y en la vida cotidiana.

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3. DEFINICIONES CLÁSICAS TERMODINÁMICA 3.1.

DE

LA

SEGUNDA

LEY

DE

LA

Definición de Kelvin-Planck: “Es imposible construir un aparato que opere cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber calor de una fuente de temperatura y convertirlo en una cantidad equivalente de trabajo”.

Figura 1. Ilustración del enunciado de Kelvin Planck 3.2.

Definición de Clausius: “Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desde una fuente de baja temperatura a otra de temperatura mayor”.

Figura 2. Ilustración del enunciado de Clausius.

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4. MÁQUINAS TÉRMICAS Es un aparato que opera continuamente o cíclicamente y ejecuta una cierta cantidad de trabajo como resultado de la transferencia de calor de una fuente de alta temperatura a otra de temperatura baja. La máquina térmica permite obtener un sistema que opera en un ciclo con un trabajo positivo y una transmisión de calor positiva.

Figura 3. Máquina térmica Las máquinas térmicas difieren bastante entre sí, pero es posible caracterizarlas a todas mediante: 1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera). 2. Convierten parte de este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria). 3. Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera). 4. Operan en un ciclo. La Figura 3 corresponde a un esquema de la central eléctrica de vapor la cual encaja en la definición de máquina térmica. Las diferentes cantidades que muestra la Figura 3 son: QH: cantidad de calor suministrada al vapor en la caldera desde una fuente de alta temperatura (quemador de la caldera) QL: cantidad de calor liberado del vapor en el condensador en un sumidero de baja temperatura (agua de enfriamiento) 8

WT: cantidad de trabajo entregado por el vapor cuando se expande en la turbina. WB: cantidad de trabajo requerido para comprimir el agua a la presión de la caldera. La salida de trabajo neto de esta central eléctrica de vapor es la diferencia entre su salida de trabajo total y su entrada de trabajo total: Wneto , salida=Wsalida−Wentrada (kJ ) (1)

El trabajo neto también se puede determinar de los datos de transferencia de calor solamente. Los cuatro componentes de la central eléctrica de vapor tienen que ver con flujo másico que entra y sale, por lo tanto se deben considerar como sistemas abiertos. Sin embargo, estos componentes junto con las tuberías de conexión siempre contienen el mismo fluido (sin contar el vapor que pudiera escapar, por supuesto). No entra ni sale masa de este sistema de combinación, lo cual se indica por medio del área punteada en la figura 3; así, se puede analizar como un sistema cerrado. Recuerde que para que un sistema cerrado experimente un ciclo, el cambio de energía interna ∆U es cero y, en consecuencia, la salida de trabajo neto del sistema también es igual a la transferencia neta de calor hacia el sistema: Wneto , salida=Qentrada−Qsalida( kJ ) (2)

5. EFICIENCIA TÉRMICA La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se llama eficiencia ɳ ter térmica, . Para las máquinas térmicas, la salida deseada es la de trabajo neto, mientras que la entrada que requieren es la cantidad de calor suministrado al fluido de trabajo. Entonces la eficiencia térmica de una máquina térmica se puede expresar como ɳ ter=

W neto, salida (3) Qentrada

O bien,

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ɳ ter=1−

Q salida (4) Q entrada

6. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR 6.1.

REFRIGERADORES Se sabe por experiencia que el calor se transfiere en la dirección de temperatura decreciente, es decir, desde medios a temperatura alta hacia los de temperatura baja. Este proceso de transferencia de calor ocurre en la naturaleza sin requerir ningún dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por sí mismo. La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere dispositivos especiales llamados refrigeradores. Un refrigerador es un aparato que opera continuamente o cíclicamente, requiere trabajo y lleva a cabo el objetivo de transferir calor desde un cuerpo de baja temperatura a otro de temperatura mayor. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración que se usa con mayor frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye cuatro componentes principales: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador, como se muestra en la Figura 4. El objetivo del refrigerador es mantener el espacio refrigerado a baja temperatura quitándole calor. La descarga de este calor a un medio de mayor temperatura es tan sólo una parte de la operación, no el propósito.

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Figura 4. Máquina de refrigeración 6.1.1. Coeficiente de desempeño de un refrigerador La eficiencia de un refrigerador se expresa en términos del coeficiente de desempeño (COP, siglas de coefficient of performance), el cual se denota mediante COP R. El objetivo de un refrigerador es eliminar calor (Q L) del espacio refrigerado. Para lograr este objetivo, se requiere una entrada de trabajo de Wneto,entrada. Entonces, el COP de un refrigerador se puede expresar como

COP R=

QL Salida deseada = (5) Entrada requerida W neto, entrada

O bien, COP R=

QL 1 = ( 6) QH −QL Q H /Q L −1

Observe que el valor del COP R puede ser mayor que la unidad. Es decir, la cantidad de calor eliminada del espacio refrigerado puede ser mayor que la cantidad de entrada de trabajo. Esto contrasta con la eficiencia térmica, la cual nunca puede ser mayor que 1. De hecho, una razón para expresar la eficiencia de un refrigerador con otro término, el coeficiente de

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desempeño, es el deseo de evitar la rareza de tener eficiencias mayores que la unidad. 6.2.

BOMBAS DE CALOR Otro dispositivo que transfiere calor desde un medio de baja temperatura a otro de alta es la bomba de calor, mostrada esquemáticamente en la figura 5. Los refrigeradores y las bombas de calor operan en el mismo ciclo, pero difieren en sus objetivos. El propósito de un refrigerador es mantener el espacio refrigerado a una temperatura baja eliminando calor de éste. Descargar este calor hacia un medio que está a temperatura mayor es solamente una parte necesaria de la operación, no el propósito. El objetivo de una bomba de calor, sin embargo, es mantener un espacio calentado a una temperatura alta. Esto se logra absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura baja, por ejemplo, agua de pozo o aire frío exterior en invierno, y suministrando este calor a un medio de temperatura alta como una casa.

Imagen 5. Esquema de una bomba de calor 12

6.2.1. Coeficiente de desempeño de una bomba de calor La medida de desempeño de una bomba de calor también se expresa en términos del coeficiente de desempeño COP HP, definido como

COP HP=

QH Salida deseada = (7) Entrada requerida W neto , entrada

que también se puede expresar como COP HP=

QH 1 = (8) QH −Q L 1−Q H /QL

Una comparación de las ecuaciones (5) y (7) revela que COP HP=COP R +1(9) Para valores fijos de Q L y QH. Esta relación indica que el coeficiente de desempeño de una bomba de calor siempre es mayor que la unidad puesto que COP R es una cantidad positiva. Es decir, una bomba de calor funcionará, en el peor de los casos, como un calentador de resistencia al suministrar tanta energía como requiera la casa. Sin embargo, en realidad parte de QH se va al aire exterior a través de la tubería y otros dispositivos, por lo que el COP HP podría ser menor que la unidad cuando la temperatura del aire exterior es demasiado baja. Cuando esto sucede, el sistema cambia comúnmente a un modo de calentamiento de resistencia. La mayor parte de las bombas de calor que operan en la actualidad tienen un COP promedio para las estaciones del año de entre 2 y 3. 7. MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO Se ha expresado varias veces que un proceso no se puede llevar a cabo a menos que cumpla con las leyes primera y segunda de la termodinámica.

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Cualquier dispositivo que viola alguna de las dos leyes se llama máquina de movimiento perpetuo y, a pesar de numerosos intentos, no se sabe de alguna máquina de este tipo que haya funcionado. Pero esto no ha impedido que los inventores intenten crear nuevas. Un dispositivo que viola la primera ley de la termodinámica (al crear energía) se llama máquina de movimiento perpetuo de primera clase (MMP 1) y otro que viola la segunda ley se llama máquina de movimiento perpetuo de segunda clase (MMP2). 8. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin dejar ningún rastro en los alrededores. Es decir, tanto el sistema como los alrededores vuelven a sus estados iniciales una vez finalizado el proceso inverso. Esto es posible sólo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado (original e inverso). Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles. Se debe señalar que es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un proceso, sin importar si éste es reversible o irreversible. Pero para procesos reversibles, esta restauración se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores, mientras que para procesos irreversibles los alrededores normalmente hacen algún trabajo sobre el sistema, por lo tanto no vuelven a su estado original. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, sólo son idealizaciones de procesos reales. Los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se pueden lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles. Entonces, quizá se pregunte por qué preocuparse de esta clase de procesos ficticios. Hay dos razones: una es que son fáciles de analizar, puesto que un sistema pasa por una serie de estados de equilibrio durante un proceso reversible; y otra es que sirven como modelos idealizados con los que es posible comparar los procesos reales.

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Imagen 6. Ilustración de procesos reversibles e irreversibles El concepto de proceso reversible conduce a la definición de eficiencia de la segunda ley para procesos reales, que es el grado de aproximación al proceso reversible correspondiente. Esto permite comparar el desempeño de diferentes dispositivos diseñados para hacer la misma tarea con base en sus eficiencias. Mientras mejor sea el diseño, menores son las irreversibilidades y mayor es la eficiencia de la segunda ley. 9. EL CICLO DE CARNOT Es un ciclo reversible formado por cuatro procesos reversibles los cuales permiten obtener una eficiencia mayor del ciclo ya que el trabajo neto puede maximizarse al utilizar procesos que requieren la menor cantidad de trabajo y entreguen la mayor cantidad del mismo. Los ciclos reversibles no pueden alcanzarse en la práctica debido a que las irreversibilidades asociadas con cada proceso no pueden eliminarse. Sin embargo, los ciclos reversibles brindan límites superiores en el rendimiento de los ciclos reales. Las máquinas térmicas y las frigoríficas que trabajan en ciclos reversibles son modelos con los cuales las máquinas térmicas y las frigoríficas reales pueden compararse. Los ciclos reversibles sirven también como puntos de partida en el desarrollo de los ciclos reales y se modifican según se necesite para cubrir ciertos requerimientos. El ciclo de Carnot fue propuesto en 1824 por el ingeniero francés Sadi Carnot.

El ciclo se compone de cuatro procesos reversibles, dos isotérmicos y dos adiabáticos, y puede ejecutarse ya sea en un sistema cerrado o en uno de flujo estable, con sustancia pura o con un gas, Figura 2.23. Los cuatro procesos reversibles que componen el ciclo de Carnot son los siguientes: 

Expansión isotérmica reversible (proceso 1-2, TH constante con transferencia de calor QH hacia el gas). 15

  

Expansión adiabática reversible (proceso 2-3, la temperatura disminuye de TH a TL). Compresión isotérmica reversible (proceso 3-4, T L constante con transferencia de calor desde el gas). Compresión adiabática reversible (proceso 4-1, la temperatura aumenta de TL a TH).

Imagen 7. Ciclo de Carnot La figura 7 corresponde al ciclo de Carnot operando para una máquina térmica, pero todos los procesos pueden invertirse para estudiar la máquina frigorífica. En este segundo caso, el ciclo permanece exactamente igual, excepto en que las direcciones de cualquier interacción de calor y de trabajo están invertidas. Se absorbe calor en una cantidad Q L del depósito de baja temperatura, y se desecha calor en la cantidad de Q H en un depósito de alta temperatura, para lo cual se requiere una entrada de trabajo. Una máquina térmica que opera en un ciclo de Carnot se llama máquina reversible. Con este tipo de máquina se obtiene el máximo rendimiento. Ninguna máquina térmica que funcione entre dos fuentes dadas, puede tener un rendimiento superior al de una máquina de Carnot que funcione entre las mismas fuentes, figura 8.

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Figura 8. Principio de Carnot 10. ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURA Como consecuencia de los razonamientos derivados del segundo principio, Kelvin propuso utilizar la energía como magnitud termométrica para definir la temperatura y justificó el establecimiento y adopción de una escala de temperaturas independiente de la naturaleza de la sustancia termométrica empleada. Basándose en que el rendimiento térmico del ciclo de Carnot es independiente de las propiedades del fluido utilizado y sólo depende de las temperaturas de las fuentes, pudo demostrar que: QH T H = (10) QL T L Por consiguiente, el cociente QH/QL puede ser sustituido por TH/TL para dispositivos reversibles, donde TH y TL son las temperaturas absolutas de los depósitos de alta y baja temperatura, respectivamente. Por lo tanto para una máquina térmica reversible, se puede escribir

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ɳ ter , rev=1−

TL (11) TH

11. ENTROPIA La entropía es una propiedad útil y una valiosa herramienta en el análisis de la segunda ley en los dispositivos de ingeniería. La entropía puede verse como una medida de desorden molecular, o aleatoriedad molecular. Cuando un sistema se vuelve más desordenado, las posiciones de las moléculas son menos predecibles y la entropía aumenta, de ahí que no sorprenda que la entropía de una sustancia sea más baja en la fase sólida y más alta en la gaseosa. En la sólida, las moléculas de una sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilibrio, pero les es imposible moverse unas respecto de las otras, por lo que su posición puede predecirse en cualquier momento con certeza. Sin embargo, en la gaseosa las moléculas se mueven al azar, chocan entre sí y cambian de dirección, lo cual hace sumamente difícil predecir con precisión el estado microscópico de un sistema en cualquier instante. Asociado a este caos molecular se encuentra un valor alto de entropía. Desde un punto de vista microscópico (a partir de la perspectiva de la termodinámica estadística), un sistema aislado que parece estar en equilibrio puede exhibir un nivel alto de actividad debido al movimiento incesante de las moléculas. A cada estado de equilibrio macroscópico corresponde un gran número de posibles estados microscópicos o configuraciones moleculares; entonces la entropía de un sistema se relaciona con el número total de esos estados posibles de ese sistema.

12. APLICACIONES DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 12.1. A nivel industrial: 12.1.1. Trabajo en procesos de expansión y compresión  La expansión sucede en turbinas, toberas, etc., en las que la presión de un fluido se reduce para producir trabajo o para acelerar el propio fluido.  La compresión ocurre en compresores, bombas, difusores, etc. Aquí el objetivo es aumentar la presión del fluido, a expensas de un aporte de trabajo al sistema o de una reducción de su energía cinética.

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 12.1.2. Efectividad de procesos adiabáticos En un proceso adiabático, reversible, en flujo estacionario, la entropía no cambia 12.1.3. Trabajo y calor en procesos isotermos En los procesos isotermos reversibles, es posible calcular el trabajo y el calor haciendo uso de la entropía. 12.1.4. Efectividad de intercambiadores de calor La segunda ley permite también cuantificar la efectividad de intercambiadores de calor. 12.2. En la vida cotidiana: En la vida diaria, el concepto de entropía no tiene el uso tan extendido que tiene el de energía, aunque la entropía es aplicable a varios aspectos cotidianos. La extensión de este concepto hacia campos no técnicos no es algo nuevo, ha sido tema de varios artículos e incluso de libros. A continuación se presentan varios eventos del ámbito de lo ordinario y se muestra su relevancia respecto a los conceptos de entropía y generación de entropía. 1. Quizá ha notado (con frustración) que algunas personas parecen aprender rápidamente y recordar bien lo aprendido; a este tipo de aprendizaje lo podemos llamar organizado o aprendizaje de baja entropía. Estas personas hacen un esfuerzo consciente para almacenar adecuadamente la nueva información relacionándola con sus conocimientos previos y creando una red de información sólida dentro de sus mentes. Por otro lado, las personas que arrojan la información en sus mentes cuando estudian, sin hacer esfuerzo para afianzarla, quizá piensan que están aprendiendo, pero se verán obligadas a localizar en otro lugar la información cuando la necesiten, por ejemplo durante un examen. No es fácil recuperar la información de una base de datos que está, en cierto sentido, en fase gaseosa. Los estudiantes que tienen lagunas durante las pruebas deben reexaminar sus hábitos de estudio. 2. Una biblioteca con un buen sistema de clasificación y categorización puede verse como una biblioteca de baja entropía debido al nivel alto de organización. Del mismo modo, una biblioteca con un sistema pobre puede apreciarse como una biblioteca de alta entropía debido al alto nivel de desorganización.

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Una biblioteca sin un adecuado sistema de clasificación y categorización no es una biblioteca, porque un libro que no es posible hallar no tiene valor. 3. Considere dos edificios idénticos, cada uno con un millón de libros, en el primero los libros se amontonan unos encima de otros, mientras que en el segundo todos están muy organizados, clasificados y catalogados para conseguir una referencia fácil: no hay duda sobre cuál preferirá un estudiante. Algunos aún pueden argumentar, desde el punto de vista de la primera ley, que ambos edificios son equivalentes dado que la masa y el conocimiento albergado son idénticos en los dos, a pesar del nivel alto de desorganización (entropía) en el primero. Este ejemplo ilustra que cualquier comparación realista debe involucrar el punto de vista de la segunda ley. 4. Dos libros de texto que parecen ser idénticos porque ambos cubren básicamente los mismos temas y presentan la misma información pueden ser muy diferentes dependiendo de cómo abordan los temas. Después de todo, dos automóviles aparentemente idénticos no lo son si uno recorre la mitad de la distancia que el otro realiza con la misma cantidad de combustible. Del mismo modo, dos libros aparentemente idénticos no lo son tanto si toma el doble de tiempo aprender un tema en uno respecto al otro. Así, las comparaciones hechas en base a la primera ley pueden estar sumamente equivocadas. 5. Sabemos que la fricción mecánica siempre está acompañada por la generación de entropía, por lo tanto el desempeño se reduce. Esto se puede hacer extensivo para la vida cotidiana: la fricción en el lugar de trabajo, con los compañeros, genera entropía y por lo tanto afecta en forma adversa el desempeño laboral, lo que resulta en una productividad reducida. 13. CONCLUSIONES 1. Al realizar este trabajo de investigación se cumplió con el objetivo establecido, ya que se reafirmó los conocimientos teóricos sobre la segunda ley de la termodinámica, las maquinas térmicas, bombas de calor y refrigeradores. 2. La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin una discusión previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben dar todavía, podemos decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina realice trabajo intercambiando calor con una única fuente térmica. 20

3. La segunda ley de la termodinámica nos garantiza que la equivalencia energética de los distintos medios portadores de energía no significa igualdad. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CENGEL Yunus, BOLES Michael. TERMODINÁMICA. Mc Graw Hill, 5ta Edición. México, 2006 [2] Sin autor. Segunda ley de la termodinámica. [en línea]. Universidad Nacional Experimental del Táchira. [citado en 14 de Noviembre de 2015]. Disponible en internet: [3] Sin autor. Aplicaciones de la segunda ley. [en línea]. Universidad de Navarra. [citado en 14 de Noviembre de 2015]. Disponible en internet:

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