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República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria
U.N.E. “Rafael María Baralt”
Termodinámica Básica
Sección 1
Integrantes
Esquema
Segunda Ley de la termodinámica
1. Depósitos de energía térmica y la segunda ley de termodinámica
2. Enunciado de Kelvin Planck.
2.1 Maquinas térmicas- Fluido de trabajo.
- Eficiencia de las maquinas térmicas.
- Ciclo termodinámico.
- Maquinas que producen trabajo y operan en un ciclo
termodinámico (Maquinas de combustión externa: central eléctrica
de vapor, maquinas de vapor, etc.).
- Maquinas que producen trabajo y no operan en un ciclo
termodinámico (Maquinas relacionadas con la combustión interna:
turbinas de gas, motores, etc.).
3. Enunciado de Clausius.
3.1 Refrigeradores
- Fluido refrigerante.
- Ciclos de refrigeración.
- Coeficientes de desempeño.
3.2 Acondicionadores de aire.
3.3 Bombas de calor.
- Coeficiente de desempeño.
3.4 Medición del desempeño de los refrigeradores, acondicionadores
de aire y bombas.
4. Procesos reversibles e irreversibles.
4.1 Definición de procesos reversibles e irreversibles.
4.2 Irreversibilidad.
- Fricción.
- Expansión libre.
- Mezclado de dos fluidos.
- Transferencia de calor a través de una diferencia de
temperaturas finitas.
- Resistencia eléctrica.
- Deformación inelástica de sólidos.
- Reacciones químicas.
4.3 Procesos interna y externamente reversibles.
- Ciclo de Carnot y sus procesos reversibles.
- Principios de Carnot.
- Maquina térmica de Carnot: Eficiencia de Carnot y calidad de
energía.
- El refrigerador y la bomba de calor de Carnot. Coeficientes de
desempeño.
La Entropía
1. La entropía como variable de estado.
2. Incremento de la entropía.
3. Cambios de entropía en proceso reversible e irreversible.
4. Balance de entropía.
5. Mecánico de transferencia de entropía.
DESARROLLO
1. Depósitos de energía térmica y la segunda ley de termodinámica.
Segunda ley de la termodinámica
El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia
y la energía no se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y
establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin
embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con
toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de
equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo
podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros
tales como la temperatura o la propia entropía quedarán definidos
únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio,
cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la
cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e
inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el
sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A
al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el
sistema era cerrado, su energía y cantidad de materia no han podido variar;
si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de
equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve
claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad
de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe
aumentar exponencialmente.
Depósitos de energía térmica.
En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica es conveniente tener un cuerpo
hipotético grande que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que
sufra ningún cambio de temperatura, al que se le conoce como depósito de energía
térmica.
En la práctica, los grandes cuerpos de agua como los océanos, lagos y ríos, así como el
aire atmosférico, pueden modelarse con exactitud como depósitos de energía térmica
debido a sus grandes capacidades de almacenamiento de energía térmica. La
atmósfera, por ejemplo, no se calentará debido a las pérdidas térmicas provenientes de
residencias en el invierno, igualmente, la energía desechada por las centrales eléctricas
en los ríos no ocasiona un cambio significativo en la temperatura del agua.
Los depósitos de energía térmica pueden ser: Fuentes de Calor o Sumideros de
Calor según la dirección de la transferencia de calor sea desde ellos o hacia ellos. Como
un resultado de esa transferencia de calor se produce una disminución o aumento de la
energía interna del depósito.
En general, los depósitos de energía térmica son sistemas cerrados que se caracterizan
por:
- Las únicas interacciones dentro de ellos son las interacciones térmicas
- Los cambios que ocurren dentro de los depósitos son internamente reversibles
- Su temperatura debe permanecer uniforme y constante durante un proceso.
2. Enunciado de Kelvin Planck
Debido a que las máquinas térmicas deben liberar calor en un depósito de baja
temperatura para completar su ciclo termodinámico y no pueden convertir todo el calor
que reciben en trabajo, Kelvin–Planck postula lo siguiente: “Es imposible para un
dispositivo que funcione en un ciclo recibir calor de un solo depósito
y producir una cantidad neta de trabajo”. Es decir, para mantenerse en operación
una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura
como con una fuente de alta temperatura. El enunciado de Kelvin–Planck también se
expresa como:
“Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 %, o
para que una planta de energía funcione, el fluido de trabajo debe
intercambiar calor con el ambiente y con la fuente de temperatura alta”.
2.1 Maquinas térmicas
Son dispositivos que operan en ciclo termodinámico y que producen una cantidad neta
de trabajo positivo intercambiando calor desde un cuerpo de alta temperatura hacia uno
de baja temperatura. En un sentido más amplio, las máquinas térmicas incluyen todos
los dispositivos que producen trabajo ya sea por intercambio de calor o por combustión,
incluso sino operan en un ciclo. En general, se define una máquina térmica como un
sistema cerrado que produce trabajo intercambiando calor a través de sus fronteras.
Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el
cual el calor se transfiere mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre de
fluido de trabajo.
- Fluido de trabajo. Un fluido de trabajo es un gas a presión o líquido que
acciona una máquina. Los ejemplos incluyen vapor de agua en una máquina
de vapor, el aire en un motor de aire caliente y fluido hidráulico en un motor
hidráulico o un cilindro hidráulico. Más en general, en un sistema
termodinámico, el fluido de trabajo es un líquido o gas que absorbe o
transmite la energía.
- Eficiencia de las maquinas térmicas. Siempre que se hable de máquinas térmicas
se hablará de rendimiento térmico o eficiencia que, no es más que el cociente de lo
producido y el consumo. La energía producida en un ciclo de potencia es el trabajo neto;
la energía consumida es el calor añadido a la sustancia de trabajo desde una fuente
exterior de calor. El trabajo neto (W) es la diferencia entre el trabajo que sale y el trabajo
que entra ya que parte del trabajo que se produce es para alimentar la bomba del
sistema (Wentra)
La eficiencia de una máquina térmica se denota como ηt, y mide la razón entre lo que
obtenemos de la máquina (el trabajo), y lo que le suministramos o “pagamos” como
combustible quemado, el calor Q H, durante cada ciclo.
Eficiencia o Rendimiento térmico:
-Ciclo termodinámico. Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie
de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos,
el sistema regresa a su estado inicial; es decir , que la variación de las
magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.
No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo
anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema,
sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho
característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la
termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema
debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.
- Maquinas que producen trabajo y operan en un ciclo termodinámico
(Maquinas de combustión externa: central eléctrica de vapor, maquinas de
vapor, etc.).
Maquinas de combustión externa: La combustión se realiza en el exterior de
la propia maquina.
a. Central eléctrica de vapor. es una instalación empleada en la
generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en
forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles
fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado
por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y
producir energía eléctrica.
b. Máquina de vapor. es un motor de combustión externa que transforma
la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En
esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:
1. Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo
cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando
un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento
lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en
un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de
una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez
alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y
expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante
de inercia.
2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de
entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los
flujos del vapor hacia y desde el cilindro.
- Maquinas que producen trabajo y no operan en un ciclo termodinámico
(Maquinas relacionadas con la combustión interna: turbinas de gas, motores,
etc.).
a. Turbinas de gas. Una turbina de gas, es una turbo máquina motora,
cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no
puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo máquinas térmicas.
Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya
que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus
características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se
habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando
se habla de vapores sí.
Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo
Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje
cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es
un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son
máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.
La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor,
excepto que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera
fluye a través de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se
añade energía dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo
que la combustión genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta
temperatura y presión entra a una turbina, donde se expande disminuyendo
hasta la presión de salida, produciendo el movimiento del eje durante el
proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y otros
dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acoplados. La
energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual
tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad.
b. Motores de combustión interna: Un motor de combustión interna, motor a
explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía
mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde
dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha
combustión se produce dentro de la propia máquina, a diferencia de, por
ejemplo, la máquina de vapor.
3. Enunciado de Clausius
En la segunda ley de la termodinámica existen dos enunciados clásicos: el enunciado
de Kelvin –Planck, relacionado con las máquinas térmicas y el enunciado de Clausius
relacionado con los refrigeradores y las bombas de calor. Clausius, postula lo siguiente:
“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único
efecto sea producir la transferencia de calor desde un cuerpo de temperatura
más baja a un cuerpo de temperatura más alta”. De esta manera, el efecto neto
sobre los alrededores implica el consumo de alguna energía en forma de trabajo,
además de la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.
3.1 Refrigeradores. El enunciado de Clausius no implica que no sea posible construir
un dispositivo cíclico que transfiera calor de un medio frío a uno más caliente, sólo
establece que un refrigerador no operará a menos que su compresor sea accionado por
una fuente de energía externa, como un motor eléctrico. De esta forma, el efecto neto en
los alrededores implica el consumo de alguna energía en la forma de trabajo, además de
la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.
- Fluido refrigerante: es un producto químico líquido o gaseoso, fácilmente
licuable, que es utilizado como medio transmisor de calor entre otros dos en
una máquina térmica. Los principales usos son los refrigeradores y
los acondicionadores de aire.
El principio de funcionamiento de algunos sistemas de refrigeración se basa
en un ciclo de refrigeración por compresión, que tiene algunas similitudes
con el ciclo de Carnot y utiliza refrigerantes como fluido de trabajo.
- Ciclos de refrigeración: El ciclo de refrigeración que se usa con más
frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye
cuatro componentes principales que son: compresor, condensador, válvula
de escape y evaporador.
Se puede representar un refrigerador de forma esquemática de la siguiente
manera:
QL: Es la magnitud de energía térmica extraída del espacio refrigerado a una
temperatura TL.
QH: Es la magnitud de energía térmica liberada al ambiente caliente una
temperatura TH.
W: Es la entrada de trabajo neto al refrigerador.
- Coeficiente de desempeño: La eficiencia de un refrigerador se expresa en
función del coeficiente de desempeño o coeficiente de operación (COP).
El objetivo de un refrigerador es quitar energía térmica QL del espacio
refrigerado. Para cumplir este objetivo requiere una entrada de trabajo. De
modo que el COP de un refrigerador puede expresarse como:
El valor COPK puede ser mayor que la unidad. Lo cual contrasta con la
eficiencia térmica que nunca puede ser mayor que uno.
3.2 Acondicionadores de aire. Los dispositivos de uso común en oficinas,
casas comerciales y automóviles son los acondicionadores de aire o equipo
de aire acondicionado, estos, básicamente son refrigeradores, cuyo espacio
refrigerado es un cuarto, un edificio o una cabina de automóvil en un lugar de
compartimiento de alimentos. Una unidad de acondicionamiento de aire tipo
ventana enfría un cuarto al absorber energía térmica del aire que está
contenido en el cuarto y lo desecha al exterior.
Los sistemas de acondicionamiento de aire que se equipan con controles
apropiados y una válvula de inversión operan como acondicionadores de aire
en verano y como bombas de calor en invierno.
3.3 Bombas de calor. Opera en el mismo ciclo que el refrigerador, pero su
objetivo es mantener un espacio calentado a alta temperatura, para ello
absorbe la energía térmica de un deposito de baja temperatura como el aire
frio del exterior en invierno y lo suministra a un medio de alta temperatura
como el interior de una casa.
- Coeficiente de desempeño. El coeficiente de desempeño de una
bomba de calor se define como:
De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba
de calor y del refrigerador correspondiente se diferencia en 1.
y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como
mínimo 1. Un valor de 1 quiere decir que no se extrae ningún calor del foco
frío, sino que simplemente se transforma trabajo en calor. Esto es lo que
hace, por ejemplo, una estufa de resistencia.
4. Procesos reversibles e irreversibles.
4.1 Definición de proceso reversible e irreversible.
4.1.1 Proceso reversible: Se denominan procesos reversibles a aquellos
que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de
equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos
estados de equilibrio.
De una manera simplificada, se puede decir que un proceso reversible es
aquel proceso que, después de ser llevado de un estado inicial a uno final,
puede retomar sus propiedades originales.
Estos procesos son procesos ideales, ya que el tiempo necesario para que
se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio sería infinito.
La variación de las variables de estado del sistema, entre uno de estos
estados de equilibrio intermedio y el sucesivo es una variación infinitesimal,
es decir, la diferencia que hay entre el valor de una de las variables en un
estado y el siguiente es un infinitésimo.
Un proceso reversible es aquel en que se puede hacer que el sistema vuelva
a su estado original, sin variación neta del sistema ni del medio exterior.
4.1.2 Proceso irreversible: Un proceso irreversible es el que no puede invertirse
por sí sólo, de forma espontánea y regresar a su estado original.
4.2 Irreversibilidad: Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se
denominan irreversibilidades. Entre ellos están: la fricción, la expansión libre, la mezcla
de dos fluidos, la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, la
resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones químicas.
- Fricción. Cuando dos cuerpos en contacto están obligados a moverse uno respecto
del otro, se genera una fuerza de fricción en la interfaz de los cuerpos que se opone al
movimiento y se requiere cierto trabajo para superarla. Cuando se invierte la dirección
del movimiento la interfaz no se enfriará y el calor no se convertirá de nuevo en trabajo,
por lo que el sistema (cuerpos en movimiento) y los alrededores no regresarán a su
estado original; por lo tanto es proceso es irreversible. La fricción no siempre implica dos
cuerpos sólidos en contacto, también puede aparecer entre un fluido y un sólido e incluso,
entre las capas de un fluido que se mueven a distintas velocidades.
- Expansión libre: La expansión libre es la expansión no restringida de un gas
dentro de un volumen. Durante esta expansión no hay transferencia de
trabajo con los alrededores, porque no hay movimiento en los límites o
fronteras del sistema.
- Mezcla de dos fluidos: Al romperse el tabique, ambos fluidos se mezclan.
Para separarlos nuevamente, un agente externo deberá realizar trabajo o
aportar calor.
- Transferencia de calor a través de una diferencia de temperaturas finitas.
La transferencia de calor solo sucede cuando hay una diferencia de
temperaturas entre un sistema y sus alrededores. Por consiguiente es
físicamente imposible tener un proceso de transferencia de calor reversible.
Pero dicho proceso se vuelve cada vez menos irreversible a medida que la
diferencia de temperatura de entre los dos cuerpos se acerca a cero.
-Resistencia eléctrica. Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de
oposición que tienen los electrones al desplazarse a través de un conductor.
-Deformación inelástica de sólidos. Modo de deformación en que el material
no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto
sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios
termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La
deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.
-Reacciones químicas. Un proceso presenta irreversibilidad química si
supone un cambio espontáneo de estructura química, densidad, fase, etc..
Como ejemplos podemos citar:
Todas las reacciones químicas.
Cambios de fase rápidos (como la solidificación de un líquido
sobreenfriado).
Difusión de dos gases, o de dos líquidos.
4.3 proceso interna y externamente reversible.
Un proceso representativo tiene que ver con interacciones entre un sistema y
sus alrededores, y uno reversible no conlleva irreversibilidades relacionadas
con cualquiera de ellos.
Un proceso se denomina internamente reversible si no ocurren
irreversibilidades dentro de la frontera del sistema durante el proceso.
Durante un proceso internamente reversible, un sistema pasa por una serie
de estado de equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el sistema pasa por
los mismos estados de equilibrio mientras vuelve a su estado inicial. Es decir
la trayectoria de los procesos inversos y directos coincide para un proceso
internamente reversible. El proceso de cuasi equilibrio es un ejemplo de un
proceso internamente reversible.
Un proceso se denomina externamente reversible si no ocurren
irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso la
transferencia de calor entre un deposito y un sistema es un proceso
extremadamente reversible y la superficie exterior del sistema esta a la
temperatura del deposito.
Este sistema se denomina a un proceso totalmente reversible o nada más
reversible si no tiene que ver con irreversibilidades dentro del sistema o sus
alrededores.
-Ciclo de Carnot
Es el proceso cíclico reversible que sigue un sistema y que consiste de
cuatro pasos: dos procesos adiabáticos según se indica a continuación.
Aunque nos referiremos a un gas, el sistema puede ser cualquier material,
incluso puede renovarse como ocurre en los motores de explosión.
*Expansión isotérmica a T H (1-2)
El sistema se pone en contacto con un baño caliente de temperatura TH
absorbiendo una cantidad de calor QH mientras se expande a la temperatura
del baño y por tanto realizando un trabajo W (1-2) y aumentando su entropía
justo en QH/TH.
* Expansión adiabática (2-3)
El sistema se aísla térmicamente y se sigue expandiendo adiabáticamente
hasta que baja la temperatura a TL. Mientras se expande realiza un trabajo
W (2-3) a expensas de la energía interna y se mantiene la entropía
constante.
*Compresión isotérmica a TH (3-4)
El sistema se pone en contacto con un baño frío de temperatura TL
cediendo una cantidad de calor QH mientras se comprime la temperatura del
baño y sufriendo un W (3-4) y disminuyendo su entropía QL/TL.
*Compresión adiabática (4-1)
El sistema se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo
adiabáticamente hasta que sube la temperatura mientras se comprime su
trabajo W (4-1) y se mantiene la entropía constante.
-Principio de Carnot
La segunda ley de la termodinámica restringe la operación de dispositivos
cíclicos según se expresa mediante los enunciados de kelvin-Planck y
Clausius una maquina térmica no puede operar intercambiando calor con un
solo deposito y un refrigerante no puede funcionar sin una entrada neta de
energía e una fuente externa. Todas las maquinas térmicas que sigan un
proceso reversible entre los mismos baños térmicos tienen igual rendimiento.
El rendimiento de una máquina térmica que siga un proceso irreversible entre
dos baños térmicos es menor que el rendimiento de cualquier máquina
térmica que siga un proceso reversible entre los dos mismos baños.
- Máquina térmica de Carnot
Es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un
gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción
entre dos temperaturas. El ciclo termodinámico utilizado se denomina ciclo
de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de 1820. Una máquina
de Carnot es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de
dos focos de temperatura.
Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido
a una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento
circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina
funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes
T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hacen
isotérmicamente, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta parte
del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una
expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor,
por lo que esta parte del ciclo es también reversible.
*Eficiencia de Carnot
Por que la maquina térmica de Carnot es la maquina reversible mejor
conocida. Esta es la eficiencia máxima que pueda tener una maquina térmica
que opera entre los dos depósitos de energía térmica a temperatura TL < TH.
Todas las maquinas térmicas irreversible (es decir, reales) que operan entre
estos limites (TL < TH) tienen eficiencias menores. Una maquina térmica real
no puede alcanzar esta máxima eficiencia teórica por que es imposible
eliminar por completo las irreversibilidades relacionadas con el ciclo real.
-El refrigerador y la bomba de calor
Hemos analizado el ciclo de Carnot aplicado a la obtención de trabajo, pero
podemos también hacer que éste funcione al revés. Así, si ahora hay trabajo
neto sobre el sistema se tendrá calor neto saliendo del sistema. Habrá una
cantidad de calor Q2 expelida en el reservorio de calor de la temperatura
más alta y una cantidad de calor Q1 absorbida en el reservorio de calor de la
temperatura más baja. El primero de estos es negativo según nuestra
convención de signos y el último es entonces positivo. El resultado es que el
trabajo neto realizado en el sistema, permite al calor que se extrae de la
fuente de baja temperatura sea expedido por el sistema a un reservorio de
alta temperatura. El ciclo y las transferencias de calor y de trabajo se indican
en la figura (). En este modo de operación el ciclo trabaja como un
refrigerador o bomba de calor. Ya que ``pagamos'' con el trabajo, y
``conseguimos'' una cantidad de calor extraída, .una métrica para los
dispositivos de este tipo es el coeficiente de funcionamiento (coeficiente of
performance, cop), definido como
Figura: Operación de un refrigerador de Carnot
Para un ciclo de Carnot conocemos los cocientes entre calor que entra y el
calor que sale cuando el ciclo está operando y ya que el ciclo es reversibles,
estos cocientes son iguales cuando el ciclo funciona al revés El coeficiente
de funcionamiento se da así en términos de temperaturas absolutas como
y este pude ser más grande que la unidad.
Los ciclos de Carnot que han sido expuestos se basan en el comportamiento
del gas ideal. La eficiencia del ciclo de Carnot es independiente del tipo de
fluido de operación como veremos posteriormente.
Enunciado de Clausius:
Resulta deseable construir un refrigerador que pueda realizar su proceso con
el mínimo de trabajo. Si se pudiera construir uno donde el proceso de
refrigeración se realice sin ningún trabajo, se tendría un refrigerador perfecto.
Esto es imposible, porque se violaría la segunda ley de la termodinámica,
que es el enunciado de Clausius de la segunda ley (Rudolf Clausius, alemán
1822-1888):
“Es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que
transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a
una temperatura más elevada”.
En términos sencillos, el calor no puede fluir espontáneamente de un objeto
frío a otro cálido. Este enunciado de la segunda ley establece la dirección del
flujo de calor entre dos objetos a diferentes temperaturas. El calor sólo fluirá
del cuerpo más frío al más cálido si se hace trabajo sobre el sistema.
.
clausius.gif (2025 bytes)
Representaicon esquematica de Clausius