Termodinámica

Calor. Comportamiento gases. Procesos reversibles e irreversibles. Energía

  • Enviado por: Alejandro
  • Idioma: castellano
  • País: Panamá Panamá
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Introducción

Un proceso es reversible si, después de que ocurre, tanto el sistema como entorno pueden, por cualquier medio posible, regresar a sus estados original. Cualquier otro proceso se conoce como irreversible.

Los procesos reversibles son importantes porque proporcionan el trabajo Máximo para dispositivos que producen trabajo, y el trabajo mínimo de entrada a di positivos que absorben trabajo para operar. Para estos dispositivos y muchos otros, los procesos reversibles son normas de comparación. Para determinar si i proceso es reversible, es necesario aplicar la segunda ley.

Muchos otros efectos tales como un flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia son también irreversibles pero no se describen aquí. En todos los casos, la prueba de reversibilidad involucra la aplicación de la segunda ley de la termodinámica.

1.1. Ilustraciones

Examinaremos los procesos irreversibles antes de los reversibles, por dos razones:

  • Primera, con frecuencia es más fácil demostrar que un proceso es irreversible, que hallar uno que sea reversible.

  • Segunda, una vez que se identifican cierto fenómenos irreversibles, con frecuencia podemos reconocer procesos reversibles simplemente por la ausencia de estos fenómenos irreversibles.

Cómo podemos identificar a los procesos irreversibles

Recuérdese que si un proceso es reversible, entonces tanto el sistema como su entorno pueden ser regresados a sus estados iniciales. Sin embargo, si un proceso irreversible, el proceso inverso es imposible. Por consiguiente, podemos determinar si un proceso es reversible determinando si es posible el proceso inverso.

Podemos demostrar que un proceso es imposible de la forma siguiente

  • Suponer que el proceso es posible.

  • Combinar este proceso con otros procesos, que por experiencia se sabe que son posibles, para formar un ciclo que viola la segunda ley. Si puede idearse un ciclo de esta naturaleza, entonces la suposición paso 1 es falsa y el proceso en cuestión es imposible.

Considérese el proceso en que un gas en un tanque cerrado, rígido y térmicamente aislado es agitado por una rueda con paletas ver figura El sistema es gas dentro del tanque. La rueda con paletas es activada por la acción de un cuerpo que cae y que hace girar una polea en un eje. El movimiento de la rueda con paletas es resistido por fuerzas de corte en el gas, y por consiguiente el trabajo es realizado sobre el gas por la rueda con paletas. El gas cambia del estado A al estado B. La aplicación de la primera Ley muestra que durante este proceso aumenta la energía interna del gas. La temperatura del gas aumenta.

Termodinámica

1.2. Proceso Reversible

Si es reversible, entonces es posible restaurar tanto el sistema como su entorno a sus estados iniciales. Es decir, debe existir algún proceso por el que el cuerpo sea levantado a su posición inicial en tanto que la energía interna del gas y consiguiente su temperatura disminuya.

1.3. Cuales Son Las Limitaciones

No se hizo ningún cambio en el entorno excepto bajar el peso durante el proceso original. Por consiguiente, durante el proceso inverso no puede hacerse ningún cambio en el entorno excepto levantar cuerpo. Si este proceso inverso fuera posible, entonces el proceso de agitado es reversible.

Es Posible Este Proceso Inverso

Respondamos a esto suponiendo que el proceso inverso es posible. Luego, consideremos un ciclo compuesto de dos procesos.

  • Proceso 1. El proceso antes descrito, donde se eleva el peso conforme disminuyen la temperatura y energía interna del gas. El sistema cambia de un estado inicial B a u estado inicial A.

  • Proceso 2. Es aquel en que se transfiere calor de algún reservorio de energía de temperatura constante en el entorno al gas, en tanto que la rueda con paletas está en reposo. Durante este proceso debe eliminarse parte del aislamiento térmico del tanque. Este proceso continúa hasta que el gas llega su temperatura inicial T.

Los resultados netos de este cielo son los siguientes:

  • el sistema ejecutó un ciclo y regresó a su estado inicial

  • el entorno cambió de dos formas

    • El peso está a un nivel más alto.

    • La cantidad de energía almacenada en el reservorio de energía disminuye.

    La aplicación de la primera ley muestra que la disminución de energía en el reservorio es igual al incremento de energía del peso. Por consiguiente el sistema es un dispositivo que opera en un cielo, intercambia calor con un solo reservorio y produce trabajo.

    Ésta es precisamente la clase de dispositivo que el postulado de Keivin-Planck de la segunda ley declara como imposible. Puesto que el proceso 1 es imposible, el proceso original de agitado es irreversible. La única alternativa es que la segunda ley sea falsa, y contra esta alternativa hay una tremenda cantidad de experiencia.

    1.4. Características De Los Procesos Reversibles E Irreversibles

    Mediante razonamientos similares a los que utilizamos en los ejemplos precedentes, puede demostrarse que los procesos que involucran la mezcla, la deformación inelástica de una sustancia, y ciertos otros efectos, son también irreversibles. Utilizamos esta información para concluir que un proceso reversible no debe involucrar

    • Fricción

    • Transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita

    • Expansión libre

    • Mezclado

    • Deformación inelástica

    Muchos otros efectos (tales como un flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia) son también irreversibles pero no se describen aquí. En todos los casos, la prueba de reversibilidad involucra la aplicación de la segunda ley de la termodinámica.

    Ahora identificaremos algunas características que son comunes a todos los procesos reversibles. Considérese en primer lugar un sistema compuesto de un gas atrapado en un cilindro equipado con un pistón sin fricción y hermético al gas. Supongamos que el cilindro y el pistón están hechos de un material que es un aislante de calor perfecto. Si se empuja lentamente el pistón hacia el cilindro, la presión y temperatura de¡ gas se incrementan uniformemente en todo el gas.

    Una disminución muy pequeña en la fuerza externa del pistón permitirá que el gas se expanda y, si la expansión es muy lenta, la presión disminuirá uniformemente en todo el sistema. Para cada posición del pistón, la presión durante la expansión es la misma que durante la compresión. En consecuencia, el trabajo realizado por el gas durante la expansión es igual al trabajo realizado sobre el gas durante la compresión.

    Cuando el gas llega a su volumen inicial, el trabajo neto es cero. Además, no hay transferencia de calor. Por consiguiente, el entorno, así como el sistema, son devueltos a su estado inicial. En consecuencia, el proceso adiabático sin fricción y sumamente lento es reversible. En contraste, si se realiza la compresión adiabático mediante el movimiento rápido hacia dentro del pistón, el proceso no es reversible.

    Durante el proceso, la presión cerca de la superficie del pistón es más alta que en cualquier otro lugar del cilindro. Se inicia una onda de presión, y viaja a través del gas hasta que la presión se hace uniforme. Entonces, aun si el gas se expande lentamente a su volumen inicial, para cada posición del pistón, la presión cerca de la superficie del pistón es inferior a la que existía durante el proceso de compresión. El trabajo realizado durante la expansión es por consiguiente menor que el realizado sobre el gas durante la compresión.

    Al final del proceso de expansión, la energía almacenada del sistema es mayor de lo que era inicialmente; pero, dado que el volumen del sistema es igual a su valor inicial, el exceso de energía almacenada no puede eliminarse como trabajo, en tanto que el sistema se restaura a su estado inicial.

    Supongamos que el exceso de energía almacenada se elimina mediante una transferencia de calor del sistema al entorno mientras que el pistón está estacionario. El sistema ha sido devuelto ahora a su estado inicial. Volviendo ahora nuestra atención al entorno, vemos que se tomó trabajo del entorno para comprimir el gas. Quizás el trabajo fue realizado al hacer bajar un peso o al expandir un resorte en el entorno. Entonces, el sistema realizó menos trabajo sobre el entorno para elevar parcialmente el peso a su posición inicial, o para comprimir parcialmente el resorte. Finalmente, se transfirió calor al entorno. Para que el entorno sea devuelto a su estado inicial, este calor debe convertirse completamente en trabajo para elevar el peso o comprimir el resorte sin causar cualquier otro efecto.

    Cualquier dispositivo que pudiera realizar esta conversión violaría la segunda ley; por consiguiente, concluimos que el sistema y el entorno no pueden ambos ser restaurados a sus estados iniciales. Por consiguiente, es irreversible la compresión adiabática del gas durante la cual la presión no es uniforme en el gas.

    Otro ejemplo de un proceso reversible es el flujo estable, adiabático y sin fricción, de un fluido a través de una tobera. La aplicación de la primera ley a un sistema de este tipo demuestra que, conforme aumenta la energía cinética en la dirección del flujo, disminuye la entalpía. Si la tobera es seguida por un difusor sin fricción, como se muestra en la figura el fluido sufre un incremento en la entalpía y una disminución de energía cinética entre las secciones 2 y 3, y puede descargarse en un estado 3 que es idéntico al estado 1. Por consiguiente, luego de que ha ocurrido el proceso de la tobera, es posible restaurar el flujo del fluido y todas las partes del entorno a sus estados iniciales.

    Especificarnos anteriormente que los procesos reversibles deben realizarse lentamente, sin fricción, y con propiedades uniformes en todo el sistema, si se trata de un sistema cerrado. Éstas son también las condiciones para un proceso cuasiequilibrio. Si el sistema es abierto, un proceso reversible también debe satisfacer las condiciones de un proceso cuasiequilibrio. En consecuencia, todo proceso reversible debe ser un proceso cuasiequilibrio.

    El estudio de varios procesos reversibles e irreversibles, como los que describimos anteriormente, conduce a varias conclusiones en lo que se refiere a procesos reversibles:

    1. Un proceso reversible debe ser tal que, después de que ocurre, el sistema y el entorno pueden hacerse pasar, en orden inverso, por los estados por los que pasaron durante el proceso original. Todas las transformaciones de energía del proceso original se invertirían en su dirección, pero no se modificarían en forma o magnitud.

    2. La dirección de un proceso reversible puede cambiarse haciendo cambios infinitesimales en las condiciones que lo controlan.

    3. Durante un proceso reversible, el sistema y el entorno deben estar en todo momento en estados de equilibrio infinitesimairnente cercanos a los estados de equilibrio; es decir, el proceso debe ser cuasiequilibrio.

    4. Un proceso reversible no debe involucrar fricción, expansión ¡limitada, mezcla, transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, o deformación inelástica.

    Un proceso reversible debe satisfacer cada una de las condiciones anteriores. Si no se satisface alguna de las condiciones anteriores, el proceso es irreversible. Por consiguiente, podemos aplicar estas condiciones para probar cualquier proceso por reversibilidad sin tener que pasar por la totalidad del proceso de razona- miento a partir del postulado de la segunda ley.

    El trabajo puede convertirse siempre a calor, pero la medida en que el calor puede convertirse a trabajo está siempre limitada. Por consiguiente, el trabajo es la forma de energía más valiosa en transición.

    Un proceso que utiliza trabajo para producir el mismo efecto que se produciría por una forma de energía menos valiosa, el calor, es en consecuencia indeseable. El lector puede demostrar que este proceso es siempre irreversible.

    Por ejemplo, considérese un proceso que hace pasar a un sistema cerrado de un estado 1 a un estado 2, ya sea por añadir calor, o por trabajo de entrada. El calor se añade de un solo reservorio. Si suponemos que el proceso es reversible, podría hacerse pasar al sistema de¡ estado 1 al estado 2 mediante una entrada de calor, y luego devuelto al estado 1 en tanto que produciría trabajo en una cantidad igual a la entrada de calor.

    El efecto neto sería que el sistema ejecutara un ciclo en tanto que extrajera calor de un solo reservorio de energía, y produciendo una cantidad equivalente de trabajo. Esto sería una violación del postulado de Keivin-Planck de la segunda ley. Por consiguiente, nuestra suposición debe ser falsa y por lo tanto concluimos que un proceso producido por entrada de trabajo en lugar de entrada de calor es irreversible.

    Todos los procesos reales son irreversibles. Los procesos reversibles nunca ocurren. Sin embargo, los procesos reversibles son extremadamente útiles, y sirven como normas de comparación, puesto que con frecuencia es el caso límite de los procesos reales. Muchos procesos reales son difíciles de analizar completamente; por consiguiente, con frecuencia un ingeniero debe basar su análisis o diseño sobre procesos reversibles, y luego ajustar los resultados para aplicarlos a procesos reales. Esto es similar al uso de sistemas ideales en el análisis o el diseño de sistemas reales.

    Los ingenieros utilizan procesos reversibles de la misma forma en que utilizan masas de punto, poleas sin fricción, cuerdas sin peso y vigas homogéneas como idealizaciones para simplificar el análisis de sistemas y procesos reales. El concepto de proceso reversible es también importante porque permite la definición de una propiedad sumamente útil, la entropía, que se presentará en el capítulo 6.

    1.5. Reversibilidad Interna Y Externa

    Un proceso es irreversible si involucro transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita entre el sistema y su entorno. Sin embargo, el sistema puede comportarse durante este proceso irreversible como si el calor fuera transferido reversiblemente a través de una diferencia de temperatura infinitesimal.

    Se dice que este proceso es internamente reversible, porque nada ocurre dentro del sistema para que éste sea irreversible, pero es externamente irreversible.

    Un proceso satisface nuestra definición de proceso reversible únicamente si es interna y externamente reversible. Los procesos adiabáticos e isotérmicos sin fricción descritos en la sección anterior, son interna y externamente reversibles. Un proceso que involucro fricción u otra irreversibilidad dentro del sistema, y también intercambia calor con el entorno a una temperatura diferente, es interna y externamente irreversible.

    Algunas relaciones desarrolladas para procesos reversibles involucran única- mente propiedades del sistema, y por consiguiente son válidas para procesos que son internamente reversibles, aun cuando sean externamente irreversibles.

    Como ejemplo, un gas que se expande en un proceso cuasiequilibrio en un cilindro contra un pistón en movimiento puede tener calor añadido a través de una diferencia de temperatura finita.

    Esta irreversibilidad externa no afecta de modo alguno ala relación pv, de forma que la relación:

    W = "p dv

    sigue siendo vigente. La restricción sobre esta ecuación, así como sobre la relación análoga para un sistema de flujo estable,

    W = "p dv -A(v2/2) - gAz

    Ha sido que la ecuación se cumple para procesos cuasiequilibrio de sustancias simples compresibles. Ahora bien, a la luz de nuestra exposición, a partir de ahora la restricción "cuasiequilibrio" será sustituida por "internamente reversible".

    1.6. Ciclos Reversibles

    Un ciclo compuesto enteramente de procesos reversibles se conoce como ciclo reversible. Si todos los procesos son sólo internamente reversibles, el ciclo es internamente reversible. Como ejemplo de un ciclo reversible, considere un gas ideal atrapado en un cilindro tras un pistón. Permitamos que el gas pase por los siguientes procesos:

    Proceso

    Descripción

    Comentario

    1-2

    2-3

    3-1

    El gas se expande reversiblemente a presión constante

    El gas se expande reversible y adiabáticamente hasta la temperatura inicial

    El gas se comprime reversible a isotérmicamente a su estado inicial.

    Durante este proceso se añade calor al gas y el gas realiza trabajo sobre el entorno

    Durante éste proceso no hay transferencia de calor y el gas realiza trabajo sobre el entorno

    Durante el proceso se realiza trabajo sobre el gas y se elimina calor

    1.7. Proceso de Cuasiestático o de Cuasiequilibrio

    Es un tipo de proceso en el cual el sistema alcanza sucesivos estados de equilibrio los cuales son infinitamente pequeños. Realmente este proceso no ocurre puesto que los efectos del desequilibrio son inevitables, sin embargo el interés en este tipo de proceso es por 2 motivos:

    • Sirve de proceso comparativo para los procesos reales.

    • Mediante este concepto deducen las expresiones para calcular el cambio en las propiedades del sistema a través de un proceso.

    1.8. El Proceso Cuasiequilibrio

    A cualquier transformación en un sistema, desde un estado de equilibrio a otro, se le conoce como proceso. Dicho en otras palabras, es el cambio de estado de una sustancia o un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta unas condiciones finales por una trayectoria definida.
    Para describir completamente un proceso se requiere de los estados de equilibrio inicial y final, así como de la trayectoria o las interacciones del sistema con su entorno durante el proceso.

    En muchos procesos es común observar que una propiedad permanece constante, y para indicar esto se usa el prefijo Iso; por lo tanto, un proceso a temperatura constante se denomina isotérmico, uno a presión constante, isobárico, uno a volumen constante, isométrico o isicórico, uno a entalpía constante, isentalpico, y uno a entropia constante, isentrópico.


    En general los procesos dependiendo de sus características, trayectoria, o del comportamiento de las propiedades de la sustancia involucrada se pueden clasificar en procesos desarrollados con una propiedad constante y en procesos con características especiales. El primer grupo abarca los procesos Iso, y el segundo grupo enmarca los procesos Adiabáticos (Sin transferencia de calor a los alrededores) y politrópicos (donde ninguna propiedad permanece constante).

    Para el estudio de los procesos termodinamicos se considera que cualquier estado intermedio entre el inicial y el final se encuentra muy cerca al equilibrio, esto es lo que se denomina proceso en cuasiequilibrio o casi al equilibrio.

    1.9. Máquinas De Movimiento Perpetuo

    Las máquinas de movimiento perpetuo pueden clasificarse en tres clases:

    Una máquina de movimiento perpetuo de la primera clase viola la primera Ley al operar en un ciclo y produciendo un trabajo neto de salida mayor que la cantidad neta de calor que entra a la máquina por consiguiente crea energía. Se han propuesto muchas máquinas de este tipo, y varias de éstas se patentaron, pero ninguna de ellas funciona realmente como una máquina de movimiento perpetuo de la primera clase.

    Una máquina de movimiento perpetuo de la segunda clase viola la segunda ley cuando produce trabajo al operar cíclicamente e intercambiando calor únicamente con cuerpos a una temperatura fija única. Un dispositivo de esta clase no viola la primera ley.

    No se crea ninguna energía, como sería el caso de la máquina de movimiento perpetuo de la primera clase. Sin embargo, este dispositivo es igual de valioso porque en la atmósfera o los océanos hay un suministro virtualmente ilimitado de energía como entrada para una máquina de este tipo.

    Ocasionalmente, el nombre máquina de movimiento perpetuo de la tercera clase se aplica a dispositivos que, una vez puestos en movimiento, continúan moviéndose indefinidamente sin frenarse. Un trompo sobre un pivote sin fricción, o una rueda montada sobre rodamientos sin fricción son ejemplos de este tipo de máquina de movimiento perpetuo.

    No violan la primera ni la segunda ley de la termodinámica pero requieren únicamente la eliminación de la fricción. Aunque nadie ha logrado eliminar totalmente la fricción en estos dispositivos, el grado en que puede reducirse la fricción, sin llegar a la completa eliminación, depende únicamente del tiempo y dinero disponible. Nótese que una máquina de movimiento perpetuo de la tercera clase no produce trabajo y, por consiguiente, no sería tan valiosa como una de la primera o de la segunda clase.

    Conclusión

    En esta pequeña investigación podemos concluir de la siguiente manera:

    • Es importante conocer que en un proceso reversible es posible restaurar tanto el sistema como su entorno a sus estados iniciales.

    • La aplicación de la primera ley muestra que la disminución de energía en el reservorio es igual al incremento de energía del peso del objeto.

    • la deformación inelástica de una sustancia, y ciertos otros efectos, son también irreversibles. Fricción, Transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita, Expansión libre, Mezclado y Deformación inelástica

    • Si todos los procesos son sólo internamente reversibles, el ciclo es internamente reversible. Como ejemplo de un ciclo reversible, considere un gas ideal atrapado en un cilindro tras un pistón.

    • Una máquina de movimiento perpetuo de la segunda clase viola la segunda ley cuando produce trabajo al operar cíclicamente e intercambiando calor únicamente con cuerpos a una temperatura fija única. Un dispositivo de esta clase no viola la primera ley.

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