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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Procesos reversibles e irreversibles

Introducción: Como se sabe calor fluye en forma espontánea de un cuerpo más cálido a otro más frío, pero el proceso inverso sólo se puede lograr con alguna influencia externa. Cuando un bloque desliza sobre una superficie, finalmente se detendrá. La energía mecánica del bloque se transforma en energía interna del bloque y de la superficie. Estos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles. En general, un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresar a su estado inicial.

Por el contrario, un proceso es reversible si su dirección puede invertirse en cualquier punto mediante un cambio infinitesimal en las condiciones externas. Una transformación reversible se realiza mediante una sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno y es posible devolver al sistema y su entorno al estado inicial por el mismo camino. En la realidad, las transformaciones reversibles no existen, ya que no es posible eliminar por completo efectos disipativos, como la fricción, que produzcan calor o efectos que tiendan a perturbar el equilibrio, como la conducción de calor por diferencias de temperatura. Por lo tanto no debe sorprender que los procesos en la naturaleza sean irreversibles. El concepto de proceso reversible es de especial importancia para establecer el límite teórico de la eficiencia de las máquinas térmicas.

La segunda ley de la termodinámica establece que ninguna maquina térmica puede tener una eficiencia de 100%. Entonces cabe preguntar, ¿Cuál es la eficiencia mas alta que puede tener una maquina térmica? Antes de contestarla es necesario definir primero un proceso idealizado, llamado proceso reversible. Un proceso reversible se define como un proceso que se puede invertir sin 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 solo si el intercambio de calor y trabajo netos entre el sistema y los alrededores es cero para el proceso combinado. Los procesos que no son reversibles se denominan procesos irreversibles. Se puede señalar que es posible volver un sistema a su estado original siguiendo un proceso, sin importar si este es reversible o irreversible. Pero para procesos reversibles, esta esta restauración se hace sin dejar ningún cambio neto en los alrededores, mientras que para procesos irreversibles los alrededores normalmente hace algún trabajo sobre el sistema, por lo tanto no vuelven a su estado original. Los procesos reversibles en realidad no ocurren en la naturaleza, solo son idealizaciones de procesos reales. Los reversibles se pueden aproximar mediante dispositivos reales, pero nunca se puede lograr; es decir, todos los procesos que ocurren en la naturaleza son irreversibles. Entonces, quizá se pregunte porque 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. Los ingenieros están interesados en procesos reversibles porque los días positivos que producen trabajo, como motores de automóviles y turbinas de gas

o vapor, entregan el máximo de trabajo, y los dispositivos que consumen trabajo que cuando se usan procesos reversibles en lugar de irreversibilidades. Los procesos reversibles pueden ser considerados como limites teóricos para los irreversibles correspondientes. Algunos procesos son más irreversibles que otros. Quizá nunca se tenga un proceso reversible, pero es posible aproximarse. A medida que se tiende hacia un proceso reversible, un dispositivo entrega mas trabajo o requiere menos trabajo. El concepto de proceso reversible conduce a la definición de eficiencia según 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 según la segunda ley.

Aspectos cotidianos de la segunda ley La termodinámica es una ciencia natural fundamental que trata varios aspectos de la energía, e incluso las personas que no se dedican a la técnica poseen un conocimiento básico sobre la energía y la primera ley de la termodinámica, ya que difícilmente algún aspecto de la vida no involucra transferencia o transformación de energía en diferentes formas. Muchos sucesos ordinarios que pasan inadvertidos pueden servir como excelentes

vehículos

para

comunicar

conceptos

importantes

de

la

termodinámica. Se intenta demostrar la relevancia de los conceptos de la segunda ley como energía, trabajo reversible, irreversibilidad y la eficiencia según la segunda ley en diversos aspectos de la vida diaria mediante ejemplos como los que incluso las personas sin fundamentos técnicos pueden identificase. Los conceptos de la segunda ley se usan implícitamente en varios aspectos de la vida diaria, y muchas personas exitosas parecen hacer uso extenso de estos

aun si comprenderlos. Además hay un creciente reconocimiento de que la calidad juega un papel tan importante como la cantidad de las actividades diarias ordinarias. En la termodinámica, el trabajo reversible para un proceso es definido como la salida máxima de trabajo útil (o la entrada mínima de trabajo) para ese proceso. Esto significa el trabajo útil que un sistema puede entrar (o consumir) durante un proceso entre dos estados especificados si ese proceso se ejecuta en una manera reversible (perfecta). La diferencia entre los trabajos reversible y útil real se debe a las imperfecciones, tal diferencia se denomina irreversibilidad (el potencia de trabajo desperdiciado). En la vida diaria puede verse la energía de una persona como el mejor trabajo que la persona Puede realizar bajo las condiciones más favorables. El trabajo reversible en la vida diaria, por otro lado, puede verse como el mejor trabajo que una persona puede hacer bajo algunas circunstancias especificadas. Entonces, la diferencia entre el trabajo reversible y el trabajo real llevado acabo bajo esas condiciones puede verse como irreversibilidad o energía destruida. En la vida cotidiana una persona debe hacerse exactamente lo mismo para aumentar al máximo su desempeño. La energía de una persona en momento y un lugar dados pueden ser vistos como la cantidad máxima de trabajo que puedan hacer en ese tiempo y lugar. La energía es ciertamente difícil de cuantificar debido a la interdependencia de cantidades físicas e intelectuales de una persona. La habilidad de realizar tareas físicas e intelectuales simultáneamente incluso complica aun mas las cosas. Obviamente la educación y la capacitación aumentan la energía de una persona mientras que el envejecimiento disminuye la energía física. A diferencia de la mayor parte de las cosas mecánicas la energía de las seres humanos en una función de tiempo, por lo que la energía física y/o interactúan de una persona se desperdiciara si no se utiliza en el momento adecuado. Los niños nacen con diferentes niveles de energía en diferentes áreas. Aplicarles exámenes de aptitud profesional en una edad temprana es

simplemente un esfuerzo para descubrir la magnitud de sus energías, o talentos ocultos. Una vez como adultos, es mas probable que se desempeñen en niveles altos sin forzar sus posibilidades mas a ya de los limites si se adaptan naturalmente en esas aéreas. Es posible comparar el nivel de agudeza de una persona con su energía en las tareas intelectuales. Cuando una persona descansa bien, el grado de agudeza, y por ende su energía intelectual esta en el límite máximo y esta energía disminuye con el tiempo cuando la persona se cansa. Considere a un estudiante bien descansado que planea utilizar las próximas cuatro horas para estudiar y ver una película que dura dos horas. Desde el primer punto de la primera ley, no hay diferencia en el orden en que se realizaran estas tareas, pero desde el punto de vista de la segunda ley representa mucha diferencia. En la vida diaria la eficiencia según la primera ley o el desempeño de una persona puede considerarse como el logro de esa persona en relación con el esfuerzo que dedica. Por otro lado, deficiencia según la segunda ley de una persona es el desempeño de esta en relación con su mejor

desempeño

posible de acuerdo con las circunstancias. En la vida diaria la energía puede considerarse también como las oportunidades que tenemos, mientras que la destrucción de energía como las oportunidades desperdiciadas. El tiempo es el máximo activo y el tiempo desperdiciado es la oportunidad desperdiciada para hacer algo útil. Los argumentos presentados en esta sesión son de naturaleza exploratoria, se espera que den pie a algunas interesantes discusiones e investigaciones que puedan conducir a un mejor entendimiento acerca del desempeño en diversos aspectos de la vida cotidiana. Con el tiempo la segunda ley podría emplearse para determina cuantitativamente la manera mas efectiva de mejorar la calidad de vida y el desempeño cotidiano, del

mismo modo que se emplea en el

presente para mejorar la realización de los aspectos técnicos.

ENTROPIA Principio de incremento de entropía Introducción: En este ensayo se muestran los conceptos de mucha importancia en el aprendizaje de la termodinámica como lo son el principio de incremento de la entropía y el análisis del trabajo perdido. En la primera parte trata del principio de incremento de la entropía el cual involucra procesos irreversibles la cual estipula La entropía no puede ser destruida, pero puede ser creada", según nos dice el segundo principio. En una maquina la segunda parte aborda el análisis de trabajo perdido el cual se profundiza en los diferentes factores que intervienen en el desaprovechamiento total en una maquina o dispositivo como tales son las fricción y diferencias de temperaturas infinitesimales que posteriormente se detallara

Este principio establece que cuando se lleva a cabo un proceso termodinámico irreversible ocurre una generación de entropía y dicta “la entropía de un sistema aislado durante un proceso siempre se incrementa o, en el caso límite de un proceso reversible, permanece constante, es decir, nunca disminuye”. Esta

entropía

generada

es

completamente

a

la

presencia

de

“irreversibilidades”. Cuando se tiene un ciclo formado por dos procesos, el primero 1-2 que puede ser reversible o irreversible, y de 2-1 internamente reversible se puede aplicar la desigualdad de Clausius. La generación de entropía siempre es positiva y no es una propiedad del sistema. Cuando se trabaja en un sistema aislado, como la transferencia de calor es cero. Si se considera a un sistema más sus alrededores como un solo sistema aislado, la suma de los cambios de entropía es igual a la generación de entropía pues no hay transferencia de calor ni de entropía. Todos los procesos reales son irreversibles. Se producen a una velocidad con diferencia s finitas de temperatura y de presión entre las diferentes partes de un sistema o entre un sistema y el medio ambiente. En mecánica se introducen los conceptos de energía, cantidad de movimiento y otros porque se conservan. La entropía no se conserva, sin embargo, excepto en los procesos reversibles y esta propiedad no familiar, o falta de propiedad de la función entropía, es una razón del por qué existe cierto misterio sobre el concepto de entropía. Cuando se mezcla un vaso de agua caliente con uno de agua fría, el calor entregado por el agua caliente es igual al recibido por el agua fría, sin embargo la entropía del agua caliente disminuye y la del agua fría aumenta; pero el aumento es mayor que la disminución por lo que la entropía total del sistema aumenta. De donde ha salido esta entropía adicional? La respuesta es que ha sido creada durante el proceso de mezcla. Por otra parte, una vez que fue creada, la entropía no puede ser destruida. El universo debe cargar con este aumento de entropía. "La energía no puede ser creada ni destruida", nos dice el primer principio de la

termodinámica. “La entropía no puede ser destruida, pero puede ser creada", nos dice el segundo principio.

Trabajo perdido Es el potencial de trabajo desperdiciado durante un proceso como resultado de irreversibilidades, y se define una eficiencia según la segunda ley. Ningún proceso real es verdaderamente reversible, en consecuencia alguna energía se destruye durante un proceso. Entonces, la energía del universo que puede ser considerada como un sistema aislado está disminuyendo continuamente. Mientras más irreversible sea un proceso, más grande será la destrucción de energía durante ese proceso. El principio de disminución de energía no implica que la energía de un sistema no pueda aumentar. El cambio de energía de un sistema puede ser positivo o negativo durante un proceso pero la energía destruida no puede ser negativa. El trabajo perdido se calcula comparando con una maquina reversible de Carnot que opere entre las mismas fuentes. Las irreversibilidades como la fricción, el mezclado, las reacciones químicas, la transferencia de calor debida a una diferencia finita de temperatura, la expansión libre, la compresión o expansión sin cuasi equilibrio, siempre generan entropía y cualquier cosa que genera entropía siempre destruye la energía. La energía destruida es proporcional a la entropía generada. Para una máquina térmica el que el rendimiento de una máquina térmica sea siempre inferior al de una máquina reversible permite definir el trabajo perdido como la diferencia entre el que podría haber realizado la máquina y que realiza de verdad.