¿Por qué el cambio de entropía neta de un motor irreversible es positivo?

En una máquina de Carnot, el cambio de entropía neta en un ciclo es cero. Pero en un motor irreversible que opera entre dos temperaturas, el cambio neto de entropía en un ciclo es positivo. Según tengo entendido, esto significa que el motor irreversible tiende a perder más calor a temperaturas más bajas que el motor de Carnot. ¿Por que es esto entonces?

¿Puedes por favor elaborar la explicación?

Respuestas (3)

Cambio de entropía neto significa cambio de entropía del mundo (mundo significa sistema más medio ambiente). El ciclo de Carnot es un ciclo reversible. Para un ciclo reversible, el cambio de entropía mundial es cero. Porque tanto el sistema como el entorno vuelven a sus estados iniciales cuando se completa el ciclo. Pero, para un ciclo irreversible, el cambio de entropía mundial (cambio de entropía neto) no es igual a cero. Aunque el sistema vuelve a su estado inicial, el entorno no. Por lo tanto, el cambio de entropía neta no será cero y, de acuerdo con el principio de aumento de entropía , será positivo.

Si el motor está funcionando en un ciclo, el cambio de entropía debe ser cero, ya que la entropía es una función de estado. Sin embargo, el calor tomado del depósito caliente dividido por la temperatura del depósito caliente debe ser menor que el calor liberado al depósito frío dividido por la temperatura del depósito frío. Esto significa que la entropía neta que ingresa al sistema durante cada ciclo es negativa e igual en magnitud a la entropía generada dentro del sistema durante cada ciclo. Entonces, el cambio neto en la entropía durante un ciclo es cero.

Esta respuesta es un poco confusa, ya que parece estar diciendo que el cambio neto en la entropía es cero durante un ciclo irreversible, lo cual no es cierto. Alternativamente, tal vez parezca que solo está repitiendo la pregunta original. ¿Puedes ampliar un poco tu respuesta?
Sí, eso es exactamente lo que estoy diciendo, y es cierto para el motor y su contenido experimentando el ciclo. Si el motor y su contenido vuelven a su estado inicial después de completar cualquier ciclo (ya sea reversible o irreversible), entonces su entropía debe ser la misma que al comienzo del ciclo. Sin embargo, el cambio de entropía del motor más su entorno no es el mismo y aumenta durante cada ciclo irreversible. Entonces la entropía del entorno debe estar aumentando. La entropía se genera dentro del sistema pero se transfiere al entorno.
Bien. No está claro que esté diciendo que el cambio de entropía del motor es cero mientras que la entropía neta del entorno aumenta. Creo que el OP pregunta por qué la irreversibilidad requiere esto. Específicamente, el OP se pregunta por qué eso implica más calor expulsado que en el ciclo de Carnot.
No significa necesariamente que se expulse más calor que en un ciclo de Carnot. El cambio también puede ocurrir en parte en la parte de entrada de calor del ciclo. ¿Por qué no hace un cálculo de modelo simple (análisis) en el que las piernas de expansión y compresión isotérmicas ocurren irreversiblemente a una presión constante impuesta, y el resto del ciclo se realiza de forma adiabática y reversible para ver cómo se desarrolla todo? De todos modos, aún no hemos recibido noticias del OP, por lo que no sabemos si su pregunta ya ha sido respondida.
Claro, soy consciente de todo eso. Supongo que estoy diciendo que me parece que el OP está preguntando sobre eso mismo (el calor expulsado es más grande, lo cual no es necesario), mientras que parece que has respondido una pregunta diferente. Pero tienes razón: el OP no ha comentado, así que quizás no debería ser tan insistente.
Parece que también tienes un interés más que pasajero en esto. ¿Te estás planteando intentar resolver ese sencillo problema que te planteé, o te gustaría que te lo especificara con más precisión? ¿O no tienes ganas de resolverlo? A menudo encuentro que puedo mejorar sustancialmente mi comprensión resolviendo problemas modelo que invento para mí mismo. Si desea que establezca el problema y lo resuelva yo mismo, podría considerar hacerlo. Pero eso sería menos deseable.

En cualquier proceso la entropía total no puede disminuir. Es la segunda ley de la termodinámica. Pero aún así, ¿por qué es así? No puedo dar una buena explicación. Cualquier sistema consta de átomos, fotones, etc., estas partículas se mueven, chocan. El movimiento de cada uno de ellos está descrito por las leyes de la mecánica. Resulta que las leyes de la mecánica tienen una propiedad muy interesante: de ellas se pueden deducir las leyes de la termodinámica. ¡Es muy interesante porque a primera vista parece que no tienen nada en común!

Entonces, la entropía no puede disminuir. Sólo puede aumentar o permanecer igual. Eso significa inmediatamente que en el proceso reversible la entropía sigue siendo la misma. (si aumenta podríamos invertir el proceso y disminuirlo).

Si durante algún proceso aumenta la entropía, este proceso debe ser irreversible. De lo contrario, lo invertiríamos y disminuiríamos la entropía.

"Reversible" y "la entropía sigue siendo la misma" significa casi lo mismo. Casi. Queda la posibilidad de que pueda haber algún proceso tal que la entropía durante este proceso permanezca constante, pero aún es irreversible. No puedo pensar en un ejemplo de tal proceso.

En su pregunta, menciona algún motor irreversible y pregunta por qué aumenta la entropía neta. Mmm. ¡Eso depende del tipo de motor!

En el motor ideal de Carnot, el gas entra en contacto con el calentador y obtiene energía cuando tanto el gas como el calentador tienen la misma temperatura. Pero cuanto menor es la diferencia de temperatura, más lento es el proceso de transferencia de energía. En un motor de Carnot no ideal, el gas está ligeramente más frío que el calentador. El calor proviene del calentador a un gas ligeramente más frío, y aquí aumenta la entropía. La misma situación es cuando el gas es enfriado por un enfriador: la temperatura del gas debe ser más alta que la temperatura del enfriador, el calor se transfiere de un gas al enfriador y la entropía aumenta.

¿Cómo puede aumentar la entropía (también quiero saber por qué disminuye la eficiencia del motor) si hay una diferencia finita en la temperatura del gas y el calentador (y el enfriador)?
Cuando una pequeña cantidad de calor q se transfiere lejos de un cuerpo a temperatura T su entropía disminuye en q / T . Pero la misma cantidad de calor llega a un cuerpo más frío y su entropía aumenta en q / T 1 . La diferencia total es positiva como T 1 < T .
Ahora a su pregunta sobre la eficiencia. La cantidad de trabajo que produce el motor en un ciclo es el área del ciclo en el diagrama PV. ¡Pero para el motor de Carnot no ideal, el área sería más pequeña! Porque la temperatura (y por lo tanto la presión) del gas cuando entra en contacto con el calentador es menor que en el caso ideal, y cuando el gas entra en contacto con el enfriador es mayor que en el caso ideal.
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