Menu

Termodinámica.
Transformación de la energía

Procesos reversibles e irreversibles

Procesos reversibles e irreversibles

En el estudio de la termodinámica, los procesos reversibles e irreversibles juegan un papel fundamental en la comprensión del comportamiento de los sistemas termodinámicos y las transformaciones de energía.

Estos dos tipos de procesos representan extremos opuestos en términos de eficiencia y pérdida de energía.

Veamos en detalle qué significan estos dos procesos termodinámicos y cómo difieren entre sí.

Procesos reversibles: definición y ejemplos

Un proceso reversible se define como aquel que puede ser invertido completamente en cada una de sus etapas, sin dejar ningún cambio residual en el sistema o en los alrededores. En un proceso reversible, el sistema se mantiene en equilibrio termodinámico en todo momento, lo que implica que las propiedades del sistema no experimentan cambios abruptos ni discontinuidades durante el proceso.

Una característica clave de los procesos reversibles es que siguen una trayectoria suave en el diagrama de estados termodinámicos, ya sea en un diagrama de presión-volumen (diagrama P-V) o en un diagrama de temperatura-entropía (diagrama T-S).

Además, los procesos reversibles tienen la propiedad de ser cuasiestáticos, es decir, se llevan a cabo en una serie de estados de equilibrio infinitesimalmente cercanos.

Ejemplos de procesos reversibles

  1. Expansión isotérmica de un gas ideal: En un gas ideal, una expansión isotérmica a una temperatura constante es un proceso reversible. Se realiza lentamente para mantener el equilibrio térmico con los alrededores y asegurar que la presión y el volumen cambien de manera suave.

  2. Compresión adiabática reversible: En un proceso adiabático reversible, se realiza una compresión rápida y sin transferencia de calor hacia o desde el sistema. Para que sea reversible, se debe realizar de manera muy rápida para minimizar la disipación de energía y mantener el sistema en equilibrio en todo momento.

  3. Mezcla de gases ideales: Si se mezclan dos gases ideales inicialmente separados y en equilibrio, el proceso de mezcla se considera reversible, siempre que se realice de manera lenta y se mantenga el equilibrio en cada etapa. No hay transferencia de calor ni cambios abruptos en las propiedades del sistema durante el proceso.

  4. Ciclo de Carnot: El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico teórico que consta de dos procesos adiabáticos reversibles y dos procesos isotérmicos reversibles. Se considera el ciclo más eficiente teóricamente posible y se utiliza como referencia para comparar otros ciclos reales.

  5. Equilibrio de fases en un sistema cerrado: Cuando un sistema cerrado que contiene dos fases de una sustancia (por ejemplo, líquido y vapor) alcanza un equilibrio entre las fases, el proceso de cambio de fase es reversible. El sistema está en equilibrio en todo momento, y los cambios de presión y temperatura ocurren de manera suave y continua.

Procesos irreversibles: definición y ejemplos

En contraste con los procesos reversibles, los procesos irreversibles son aquellos que no pueden invertirse completamente, lo que resulta en cambios irreversibles en el sistema y en su entorno. Estos procesos implican una pérdida neta de energía útil en forma de disipación de calor o generación de entropía.

Los procesos irreversibles se caracterizan por no estar en equilibrio termodinámico en todo momento, lo que significa que las propiedades del sistema pueden experimentar cambios abruptos y discontinuidades a medida que ocurre el proceso. Estos procesos suelen ser rápidos, no cuasiestáticos y se llevan a cabo en condiciones no ideales.

Ejemplos de procesos irreversibles

Ejemplos comunes de procesos irreversibles incluyen:

  • La combustión de una cerilla es un proceso irreversible ya que no se puede reconstruir la composición molecular del combustible.

  • Expansión libre de un gas: Si se retira rápidamente un separador o una barrera de un gas contenido en un recipiente, el gas se expandirá rápidamente hacia el espacio disponible. Este proceso es irreversible, ya que no hay tiempo para que el sistema se ajuste a los cambios y se restablezca en un estado de equilibrio. Además, el trabajo realizado durante la expansión no puede ser completamente recuperado.

  • Conducción térmica: Cuando hay una diferencia finita de temperatura entre dos sistemas, el calor se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. Este proceso es irreversible debido a las inevitables pérdidas de calor y a la generación de entropía, lo que resulta en una disminución de la eficiencia y una tendencia hacia un mayor desorden en el sistema.

  • Fricción en un sistema mecánico: La fricción, presente en prácticamente todos los sistemas mecánicos, es un proceso irreversible. Cuando dos superficies se deslizan o se frotan entre sí, la energía mecánica se convierte en calor debido a la resistencia y la fricción, generando pérdidas de energía y aumentando la entropía del sistema

  • Conversión de energía solar a electricidad en paneles solares: La conversión de energía solar en electricidad en los paneles solares fotovoltaicos implica procesos irreversibles. A medida que la radiación solar incide en las células solares, parte de la energía se convierte en electricidad, pero también se disipa en forma de calor debido a las resistencias internas del panel y a la generación de entropía en el proceso.

Importancia y consecuencias

La distinción entre procesos reversibles e irreversibles tiene implicaciones significativas en la eficiencia y el rendimiento de los sistemas termodinámicos. Los procesos reversibles se consideran ideales debido a su alta eficiencia y la mínima pérdida de energía útil. Sin embargo, en la práctica, es difícil lograr procesos reversibles completos debido a las inevitables pérdidas por fricción, resistencia y otras formas de irreversibilidad.

Los procesos irreversibles, por otro lado, son comunes en la vida cotidiana y en la mayoría de las aplicaciones tecnológicas. Estos procesos están asociados con la producción de entropía, que es una medida de la dispersión de energía y la tendencia hacia un mayor desorden en el sistema. 

La generación de entropía en los procesos irreversibles está vinculada a la disipación de energía en forma de calor, lo que limita la eficiencia y el rendimiento de los sistemas.

Autor:
Fecha de publicación: 17 de mayo de 2023
Última revisión: 17 de mayo de 2023