TERMODINÁMICA
Segunda ley de la termodinámica
Proceso en el que una máquina térmica toma calor de un punto caliente para realizar un trabajo y luego devuelve una parte de calor a un punto frío completando así un ciclo.
Luego de esto, los puntos vuelven a su estado inicial para realizar otro ciclo, de acuerdo con esto la máquina tendrá un rendimiento ideal que debe ser igual a uno.
En estas condiciones no todo el calor absorbido produce una cantidad de trabajo equivalente. Esto fue demostrado por el francés Carnot en 1824, utilizando la máquina que lleva su nombre.
Las primeras máquinas térmicas construidas fueron dispositivos muy eficientes. Sólo una pequeña fracción del calor absorbido de la fuente de la alta temperatura se podía convertir en trabajo útil. Aun al progresar los diseños de la ingeniería, una fracción apreciable del calor absorbido se sigue descargando en el escape de una máquina a baja temperatura, sin que pueda convertirse en energía mecánica.
Sigue siendo una esperanza diseñar una máquina que pueda tomar calor de un depósito abundante, como el océano y convertirlo íntegramente en un trabajo útil. Entonces no sería necesario contar con una fuente de calor a una temperatura más alta que la del medio ambiente quemando combustibles.
De la misma manera, podríaesperarse que se diseñara un refrigerador que simplemente transporte calor desde un cuerpo frío a un cuerpo caliente, sin que tenga que gastarse trabajo exterior. Ninguna de estas aspiraciones ambiciosas violan la primera ley de la termodinámica. La máquina térmica sólo podría convertir energía calorífica completamente en energía mecánica, conservándose la energía total del proceso.
La segunda ley de la termodinámica, que es una generalización de la experiencia, es una exposición cuyos artificios de aplicación no existen.
Se tienen muchos enunciados de la segunda ley, cada uno de los cuales destaca un aspecto de ella, pero se puede demostrar que son equivalentes entre sí.
Clausius
la enunció como sigue:" No es posible para una máquina cíclica llevar continuamente calor de un cuerpo a otro que esté a temperatura más alta, sin que al mismo tiempo se produzca otro efecto (de compensación)".
Este enunciado desecha la posibilidad de nuestro ambicioso refrigerador, ya que éste implica que para transmitir calor continuamente de un objeto frío a un objeto caliente, es necesario proporcionar trabajo de un agente exterior.
Kelvin (con Planck)
Enunció la segunda ley con palabras equivalentes a las siguientes: "Es completamente imposible realizar una transformación cuyo único resultado final sea el de cambiar en trabajo el calor extraído de una fuente que se encuentre a la misma temperatura". Este enunciado elimina nuestras ambiciones de la máquina térmica, ya que implica que no podemos producir trabajo mecánico sacando calor de un solo depósito, sin devolver ninguna cantidad de calor a un depósito que esté a una temperatura más baja.
Teorema de Carnot
Ciclo de Carnot
Es un ciclo formado por dos isotermas y dos adiabáticas intercaladas entre sí.
Teorema de Carnot
Ninguna máquina térmica que intercambie calor únicamente con dos fuentes, tiene un rendimiento mayor que la máquina de Carnot trabajando a esas dos fuentes.
Como consecuencia se tiene que, todos los motores de Carnot que funcionen entre dos mismas fuentes de calor tienen igual rendimiento y sólo dependen de las temperaturas de los focos.
Se demuestra aplicando el enunciado de Kelvin del segundo principio.
Teorema de Kelvin
Es importante tener claro cuáles son los signos del calor y el trabajo para poder entender lo que viene después. De manera que el convenio de signos está referido a la máquina M, serán positivos tanto el calor como el trabajo si entran en la máquina y negativos si salen de la máquina.
En este caso hablamos de un motor de Carnot reversible.
Teorema de Clausius
En el caso de Clausius hablamos de un sistema cerrado que experimenta un proceso cíclico y que interacciona con un conjunto de fuentes de calor.
En el caso de ser reversible la relación, se convierte en una igualdad.
Se demuestra aplicando el enunciado de Kelvin del segundo principio.