LECCIÓN 7 Procesos cíclicos y máquinas térmicas. Los enunciados clásicos del segundo principio. Reversibilidad e irreversibilidad.

Planteamiento del problema El primer principio estudió las conexiones en las que se daba trabajo al sistema. Las conexiones inversas pueden hacerse de dos formas: Por otro camino, que implica un ciclo. Por el mismo camino, que significa repetir todos los estados.

Proceso cerrado o cíclico Aplicación del primer principio: o bien:

Máquinas térmicas La realización práctica de los procesos cíclicos con intervención del calor se encuentra en las máquinas térmicas. Éstas tienen como fin la tranformación del calor en trabajo. Todo ciclo puede repetirse tanto como se quiera, de forma que permite obtener una gran cantidad de trabajo.

Teoría dinámica del calor o teoría CCK 1769, James Watt patentó la primera máquina de vapor. 1824, Sadi Carnot publicó “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego ...” 1850, Rudolf Clausius estableció su enunciado del segundo principio. 1851, Lord Kelvin propuso su enunciado del mismo principio.

Tipos de máquinas Térmica, produce trabajo y consume calor. Su rendimiento es: Frigorífica, extrae calor de un cuerpo más frío que el ambiente y consume trabajo. Su eficiencia es:

Propiedades de las máquinas Son cíclicas. Sólo requieren el estudio de un ciclo. Una composición de máquinas es otra máquina. La máquina más sencilla se conoce como “máquina simple”. Veremos como una máquina compleja se descompone en máquinas simples.

Necesidades de los ciclos Un foco o fuente térmica intercambia con el ciclo cualquier cantidad de calor sin modificar su estado térmico. Un medio mecánico ideal toma y cede el trabajo necesario sin disipaciones. Las fuentes y los medios mecánicos de interés para una máquina deben tener con ella un intercambio en cada ciclo que sea diferente de cero.

Representación de ciclos Los intercambios de todo ciclo siempre se refieren a la sustancia que recorre el ciclo. Los intercambios de los medios mecánicos y de las fuentes térmicas, cumplen:

Enunciados del Segundo Principio Clausius: “El calor no puede pasar por sí mismo de un cuerpo más frío a otro más caliente”. Kelvin: “Es imposible que, mediante agentes materiales inanimados, se extraiga efecto mecánico de un cuerpo enfriándolo por debajo de la temperatura del objeto más frío del entorno”.

Enunciado de Kelvin-Planck “Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor procedente de una sola fuente y su conversión en trabajo”. Por “único resultado” se entiende que la conversión calor-trabajo considerada, sea el único cambio producido en de todo el universo.

Ciclos con una fuente El primer principio exige a todo ciclo: , por lo que sólo son posibles los dos ciclos siguientes El segundo principio prohibe el ciclo 1. Por todo lo cual: el único ciclo permitido por los dos principios es el ciclo 2.

Recopilación de ideas Antes de estudiar el ciclo con dos fuentes es preciso establecer nuevas condiciones: La temperatura se definió por el principio cero y el equilibrio térmico. El calor se definió como una diferencia de trabajos. Hasta ahora no se han relacionado. Es necesario decidir la relación entre el paso de calor y la diferencia de temperatura.

Comparación de temperaturas Hasta ahora la temperatura se ha igualado en el equilibrio térmico mutuo. Pero Clausius en su enunciado comparó dos valores distintos. Así pues, ¿El valor numérico de la temperatura de un cuerpo caliente es mayor o menor que el de un cuerpo frío? ¿El calor pasa espontáneamente de la temperatura más alta a la más baja o de la más baja a la más alta?.

Convenio de temperatura Un cuerpo caliente tiene un valor de su temperatura mayor que un cuerpo frío. El calor pasa de la temperatura más alta a la más baja de forma natural.

Ciclos disipativos Son aquellos que pierden total o parcialmente trabajo o la oportunidad de obtenerlo. El ciclo 22 transforma trabajo en calor. El ciclo 012 pasa calor entre fuentes sin obtener trabajo.

Ciclos con dos fuentes Todo ciclo con dos fuentes tiene tres intercambios que, por el primer principio, cumplen: Cada ciclo tiene dos intercambios independientes.

Ciclos posibles

Composición de ciclos Condiciones para componer ciclos: Deben compartir, al menos, una fuente o el medio mecánico. Deben ser comparables, o sea, intercambiar cantidades de calor y de trabajo del mismo orden. La comparación impone una condición a sus intercambios.

Ejemplo de composición Estudio de la existencia del ciclo 111

Ciclos 212 y 112 Los ciclos 112 y 212 son ciclos disipativos:

El ciclo térmico Entre los ciclos posibles se encuentra el de la máquina que produce trabajo o máquina térmica.

El ciclo frigorífico También está el ciclo que gobierna la máquina que enfría o máquina frigorífica.

Inversión de una conexión Invertir una conexión nos llevó a los ciclos, que ya conocemos. Ahora estudiaremos la inversión por el mismo camino, que se llama: “reversible”.

Composición de un ciclo térmico y otro frigorífico

Ciclos reversibles

Relación de rendimientos El rendimiento de la máquina térmica reversible es: La eficiencia de la máquina frigorífica reversible es: Si las máquina son opuestas y reversibles se cumple:

Ciclo reversible Se dice que un ciclo es reversible cuando se compone con su opuesto y no se cambia nada en el universo. Este es un comportamiento límite que no existe en la realidad. Un ciclo reversible posee una disipación nula. Todo ciclo reversible realiza exactamente los mismos intercambios que su opuesto pero con los signos cambiados.

Proceso reversible El carácter reversible de los ciclos puede generalizarse a cualquier proceso: “Es aquel que al finalizar, o en cualquier momento del mismo, el sistema puede ser reintegrado a su estado inicial sin ocasionar ningún cambio en el universo”. El proceso reversible no existe en la realidad, es un comportamiento límite.

Procesos irreversibles Rozamiento viscoso de un líquido. Deformación plástica de un sólido. Expansión de un gas contra el vacío. Rotura de un sólido. Pérdida de calor. Difusión de un cuerpo en otro.

Condición de reversibilidad “Salvo infinitésimos, deben cumplirse siempre las condiciones de equilibrio mecánico, térmico y material o másico”. Un proceso reversible es el lugar geométrico de los estados de equilibrio mecánico, térmico y material del sistema. Es una generalización del proceso cuasiestático

LECCIÓN 7 FIN