Termodinamica.Máquina térmica

Introducción

La primera ley establece que durante cualquier ciclo que experimente un sistema, la integral cíclica del calor es igual a la integral cíclica del trabajo. Sin embargo, la primera ley no pone restricciones sobre la dirección del flujo del calor y de trabajo. Un ciclo en el que se transfiere una determinada cantidad de calor desde el sistema y en el que se realiza una cantidad igual de trabajo, satisface la primera ley, lo mismo que un ciclo en el que los flujos de calor y de trabajo están invertidos. Pero tampoco se puede asegurar que un ciclo propuesto que no viole la primera ley se efectúe. Esta duda le dio vida a la segunda ley, por lo que se estableció que un ciclo solamente ocurrirá si se cumplen ambas leyes.

La segunda ley de la termodinámica establece cuales procesos de la naturaleza pueden ocurrir o no. De todos los procesos permitidos por la primera ley, solo ciertos tipos de conversión de energía pueden ocurrir. Los siguientes son algunos procesos compatibles con la primera ley de la termodinámica, pero que se cumplen en un orden gobernado por la segunda ley. 1) Cuando dos objetos que están a diferente temperatura se ponen en contacto térmico entre sí, el calor fluye del objeto más cálido al más frío, pero nunca del más frío al más cálido. 2) La sal se disuelve espontáneamente en el agua, pero la extracción de la sal del agua requiere alguna influencia externa. 3) Cuando se deja caer una pelota de goma al piso, rebota hasta detenerse, pero el proceso inverso nunca ocurre. Todos estos son ejemplos de procesos irreversibles, es decir procesos que ocurren naturalmente en una sola dirección. Ninguno de estos procesos ocurre en el orden temporal opuesto. Si lo hicieran, violarían la segunda ley de la termodinámica. La naturaleza unidireccional de los procesos termodinámicos establece una dirección del tiempo.

Máquina térmica.

Una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual 1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza un trabajo y 3) libera calor a una fuente a temperatura más baja. Por ejemplo, en un motor de gasolina, 1) el combustible que se quema en la cámara de combustión es el depósito de alta temperatura, 2) se realiza trabajo mecánico sobre el pistón y 3) la energía de desecho sale por el tubo de escape. Resulta útil representar en forma esquemática una máquina térmica como se muestra en la figura 1. La máquina, representada por el círculo en el centro del diagrama, absorbe cierta cantidad de calor QC (el subíndice C se refiere a caliente) tomado de la fuente a temperatura más alta. Hace un trabajo W y libera calor QF (el subíndice F se refiere a frío) a la fuente de temperatura más baja. Debido a que la sustancia de trabajo se lleva a través de un ciclo, su energía interna inicial y final es la misma, por lo que la variación de energía interna es cero, es trabajo neto W realizado por la máquina es igual al calor neto que fluye hacia la misma”. De la figura 1, el calor neto es Qneto = QC - QF, por lo tanto el trabajo es: W = QC – QF donde QC y QF se toman como cantidades positivas. Si la sustancia de trabajo es un gas, el trabajo neto realizado en un proceso cíclico es igual al área encerrada por la curva que representa a tal proceso en el diagrama PV.

Eficiencia térmica.

La eficiencia térmica (o simplemente eficiencia), de una máquina térmica se define como la razón entre el trabajo neto realizado y el calor absorbido durante un ciclo, se escribe de la forma:

Se puede pensar en la eficiencia como la razón de lo que se obtiene (trabajo mecánico) a lo que se paga por (energía). Este resultado muestra que una máquina térmica tiene una eficiencia de 100% (e = 1) sólo si QF = 0, es decir, si no se libera calor a la fuente fría. En otras palabras, una máquina térmica con una eficiencia perfecta deberá convertir toda la energía calórica absorbida QC en trabajo mecánico. La segunda ley de la termodinámica, que enseguida analizamos, establece que esto es imposible.

Segunda Ley de la Termodinámica

La segunda ley de la termodinámica da una definición precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también puede considerarse como una medida del desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema alcanza una configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios, porque ha alcanzado su equilibrio y no puede decrecer. Se puede demostrar que el segundo principio implica que, si no se realiza trabajo, imposible transferir calor desde una región de temperatura más bajos a una región de temperaturas más alta.

Existen dos enunciados clásicos de la segunda ley, que se conocen como el enunciado de Kelvin-Planck y el enunciado de Clausius.

*El enunciado de Kelvin-Planck: Establece que es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y no produzca ningún otro efecto que elevar un peso e intercambiar calor con un solo depósito. Este enunciado tiene relación con el estudio sobre la maquina térmica. En efecto, establece que es imposible construir una maquina térmica que funcione en un ciclo, reciba una determinada cantidad de calor de un cuerpo con alta temperatura y realice una cantidad igual de trabajo. La única opción es que algo del calor se debe transferir desde el fluido de trabajo a menor temperatura hacia un cuerpo a baja temperatura. Así el trabajo se puede llevar a cabo por la transferencia de calor solamente si hay dos niveles de temperatura y el calor se transfiere desde el cuerpo de alta temperatura a la maquina térmica y también desde la maquina térmica al cuerpo de baja temperatura. Esto significa que es imposible construir una maquina térmica que tenga 100% de eficiencia térmica.

El rendimiento de una máquina térmica como la del diagrama se evalúa como el cociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido desde el foco caliente.

Rendimiento:

(La variación de energía interna de la máquina

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