Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Segunda ley de la termodinámica

Segunda ley de la termodinámica

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, todo proceso que ocurre en un sistema dado debe satisfacer el principio de conservación de la energía, incluyendo el flujo de calor.

La equación: Incremento de la entropía menos trabajo es igual a calor

establece, en otras palabras,que todo proceso cuyo único fin sea el de crear o destruir energía, es imposible, esto es, niega la existencia de una máquina de movimiento perpetuo de primera clase.

Sinembargo, la primera ley no nos dice nada acerca de la dirección en que un proceso puede ocurrir en un Sistema. Así dentro del contexto de dicha ley no existe limitación alguna para transformar energía de una forma a otra. Por ejemplo, calor en trabajo o viceversa. La transformación de trabajo en calor es un proceso que puede ocurrir prácticamente sin limitación alguna: por ejemplo por fricción entre dos superficies, por el paso de corriente eléctrica, etc. Pero la experiencia nos dice que la primera alternativa solamente es realizable bajo limitaciones muy severas.

Esta restricción en la dirección, en que un proceso puede o no ocurrir en la naturaleza, se manifiesta en todos los procesos espontáneos o naturales. En efecto, siempre observamos que un gas comprimido tiende a expandirse, que el calor fluye de los cuerpos calientes a los fríos, etc., pero nunca observamos que estos procesos ocurran en forma espontánea en dirección opuesta. A través de la segunda ley de la termodinámica, que constituye la generalización de estas observaciones, podremos entender estos fenómenos.

La entropía en la segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica requiere que, en general, la entropía total de cualquier sistema no pueda disminuir más que aumentando la entropía de algún otro sistema. Por lo tanto, en un sistema aislado de su entorno, la entropía de ese sistema tiende a no disminuir. Se deduce que el calor no puede fluir de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente sin la aplicación del trabajo (la imposición del orden) al cuerpo más frío.

En segundo lugar, es imposible que un dispositivo que funcione en un ciclo produzca trabajo en red desde un solo depósito de temperatura; la producción de trabajo en red requiere flujo de calor desde un depósito más caliente a un depósito más frío, o un solo depósito en expansión sometido a enfriamiento adiabático, que realiza un trabajo adiabático. Como resultado, no hay posibilidad de un sistema de movimiento perpetuo.

Se deduce que una reducción en el aumento de entropía en un proceso específico, como una reacción química, significa que es energéticamente más eficiente.

De la segunda ley de la termodinámica se desprende que la entropía de un sistema que no está aislado puede disminuir. Un aire acondicionado, por ejemplo, puede enfriar el aire en una habitación, reduciendo así la entropía del aire de ese sistema. El calor expulsado de la habitación (el sistema), que el aire acondicionado transporta y descarga al aire exterior, siempre contribuye más a la entropía del ambiente que la disminución de la entropía del aire de ese sistema. Por lo tanto, el total de entropía de la sala más la entropía del entorno aumenta, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica.

Otro ejemplo lo podemos ver en una instalación de energía solar térmica de agua sanitária. Definimos el fluido del circuito como un sistema. En el momento en que el líquido para por el colector solar y recibe la radiación solar, aumenta su energía térmica y, por lo tanto, su entropía. El fluido sigue circulando por el circuito pasando por los radiadores y se va enfríando. Al enfriarse, reduce su energía térmica y, por lo tanto, su entropía.

En mecánica, la segunda ley junto con la relación termodinámica fundamental pone límites a la capacidad de un sistema para hacer un trabajo útil. El cambio de entropía de un sistema a temperatura T absorbiendo una cantidad infinitesimal de calor dQ de una manera reversible, está dada por dQ / T.

La aplicabilidad de una segunda ley de la termodinámica se limita a los sistemas que están cerca o en estado de equilibrio. Al mismo tiempo, las leyes que rigen los sistemas que están lejos del equilibrio todavía son debatibles. Uno de los principios rectores para tales sistemas es el principio de máxima producción de entropía. Afirma que los sistemas no equilibrados evolucionan de forma tal que maximizan su producción de entropía.

Máquinas térmicas

Una de las aplicaciones más importantes de la primera ley de la Termodinámica es el ciclo de Carnot que subyace en el funcionamiento de las máquinas térmicas, y de hecho, en la formulación más relacionada con la ingeniería de la segunda ley de la Termodinámica.

Definición de máquinas térmicas

Un motor o máquina térmica cuyo objetivo es proporcionar continuamente trabajo al exterior, transformando en trabajo el máximo posible del calor absorbido, consiste en un dispositivo mediante el cual se hace recorrer un ciclo a un sistema, en sentido tal que absorbe calor mientras la temperatura es alta, cede una cantidad menor a una temperatura inferior y realiza sobre el exterior un trabajo neto.

Un ejemplo lo tenemos en los collectores solares. La energía térmica que se obtiene de la radiación solar que incide sobre el panel solar siempre será mayor que la energía que finalmente se obtiene del sistema (energía eléctrica, calor o energía mecánica). 

Si imaginamos un ciclo realizado en sentido opuesto al de un motor, el resultado final será la absorción de calor a temperatura baja, la expulsión de una cantidad mayor a temperatura más elevada, y por fin, la realización de una cantidad neta de trabajo sobre el sistema. Este es elconcepto más simple de un refrigerador y, en efecto, este es un dispositivo que efectúa un ciclo en este sentido y se denomina refrigerador. El sistema constituye un refrigerante.

Desarrollo y eficiencia de las máqulnas térmicas

El ingeniero francés N.Sadi Carnot (1796-1832) fue el primero en plantearse el funcionamiento de las máquinas térmicas. Publicó en 1824 su famosa memoria “Reflexiones sobre la potencia motriz del calor y sobre las máquinas apropiadas para desa desarrollar esta potencia” donde se dedicó a razonar sobre la pregunta general de cómo producir trabajo mecánico (potencia motriz), a partir de fuentes que producen calor.

Carnot encontró, que el punto clave en su estudio era reconocer que una máquina térmica requiere de una diferencia de temperaturas para poder operar. Esto es, cuando una máquina opera entre dos cuerpos y extrae calor del más caliente, cede una cantidad de calor al cuerpo más frío hasta igualar las temperaturas de ambos, esto es hasta restaurar el equilibrio térmico. Este es el principio de Carnot, pero Carnot nunca demostró la conjetura de que la eficiencia de dicha máquina sólo depende de la temperatura de los recipientes entre los cuales opera.

De la dependencia de la efidencia de las máquinas en la temperatura, se le ocurre a Carnot pensar que una máquina térmica eficiente debe diseñarse de manera que no existan flujos de calor desaprovechables durante su operación. Para ello, idea un proceso cíclico en el cual sólo aparecen la fuente térmica de la cual la máquina extrae calor para operar y la fuente fría a la cual se le suministra el calor no aprovechable. Esta operación minimiza las pérdidas de calor por diferencias de temperatura espurias y, además, como al final de ciclo Uf = Ui la energía interna de la substancia operante es la misma que al inicio. Por lo tanto el trabajo neto realizado en el ciclo es es el calor absorbido del cuerpo caliente menos el calor cedido al cuerpo frío.

El segundo resultado importante que surge de las ideas de Carnot fué demostrar que ninguna máquina operando entre dos cuerpos a temperaturas diferentes, puede ser más eficiente que la máquina concebida por él, a través del:

Teorema de Carnot: “Ninguna máquina térmica operando en ciclos entre dos recipientes térmicos dados, tiene una eficiencia mayor que la de una máquina reversible (de Carnot) operando entre los mismos recipientes”

Y aún más: “Todas las máquinas reversibles (máquinas de Carnot con diferentes substancias operantes) operando entre dos recipientes térmicos a temperaturas dadas, tienen la misma eficiencia.”

La demostración, es debida a W. Thomson, (Lord Kelvin). Adicionalmente se encuentra el Teorema de Kelvin Planck: “Toda transformación cíclica, cuyo único resultado final sea el de absorber calor de un cuerpo o fuente térmica a una temperatura dada y convertirlo íntegramente en trabajo, es imposible.”

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Última revisión: 12 de abril de 2018