Establece que un proceso ocurre en cierta
dirección. Un proceso no ocurre a menos
que satisfaga tanto la primera como la
segunda leyes de la termodinámica.
Depósitos de energía térmica
o dépositos de calor
Son cuerpos que pueden absorber
o rechazar cantidades finitas de
calor en forma isotérmica.
Los depósitos de energía térmica suelen
denominarse depósitos de calor porque
proveen o absorben energía en forma de calor.
Los grandes cuerpos de agua, como
océanos, lagos y ríos, así como el aire
atmosférico, se pueden modelar de manera
precisa como depósitos de energía térmica.
Máquinas térmicas
Convierten el calor en trabajo.
La central eléctrica es un ejemplo
porque es una máquina de combustión
externa, es decir, la combustión se lleva
a cabo fuera de la máquina y la energía
térmica liberada durante este proceso
se transfiere al vapor como calor.
La eficiencia térmica se puede expresar
como la salida de calor neto sobre la entrada
de calor total. Es una medida de qué tan
eficientemente una máquina térmica
convierte el calor que recibe en trabajo.
El enunciado de Kelvin-Planck de la segunda
ley de la termodinámica establece que
ninguna máquina térmica puede producir
una cantidad neta de trabajo mientras
intercambia calor con un solo depósito.
Refrigeradores y
bombas de calor
Son dispositivos que absorben calor
de medios de baja temperatura y lo
ceden hacia la atmósfera a medios
de mayor temperatura.
El propósito de un refrigerador es mantener
el espacio refrigerado a una temperatura
baja eliminando calor de éste. Descargar
este calor hacia un medio que está a
temperatura mayor es solamente una parte
necesaria de la operación, no el propósito.
El objetivo de una bomba de calor, sin
embargo, es mantener un espacio calentado a
una temperatura alta. Esto se logra
absorbiendo calor desde una fuente que se
encuentra a temperatura baja, por ejemplo,
agua de pozo o aire frío exterior en invierno, y
suministrando este calor a un medio de
temperatura alta como una casa
El coeficiente de desempeño es el que mide la
eficiencia de estos dispositivos, el cual está
representado por la salida deseada sobre la
entrada requerida.
El enunciado de Clausius de la segunda ley expresa
que ningún dispositivo puede transferir calor de un
cuerpo más frío a otro más caliente sin dejar un
efecto sobre los alrededores.
Los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius son equivalentes en sus
consecuencias, y se puede usar cualquiera como expresión de la
segunda ley de la termodinámica. Cualquier dispositivo que viole el
enunciado de Kelvin- Planck también viola el de Clausius, y viceversa.
Máquinas de
movimiento perpetuo
Cualquier dispositivo que viola alguna de
las dos leyes se llama máquina de
movimiento perpetuo y, a pesar de
numerosos intentos, no se sabe de alguna
máquina de este tipo que haya funcionado.
Un dispositivo que viola la primera ley de la
termodinámica (al crear energía) se llama
máquina de movimiento perpetuo de primera
clase (MMP1) y otro que viola la segunda ley se
llama máquina de movimiento perpetuo de
segunda clase (MMP2).
Las personas que proponen máquinas de
movimiento perpetuo por lo común tienen
mentes innovadoras, pero carecen de
capacitación en ingeniería formal, lo cual es
muy desafortunado.
Nadie está exento de ser defraudado por una
máquina de movimiento perpetuo, sin embargo,
como reza el refrán: “Si algo suena demasiado bueno
para ser verdad, es poco probable que lo sea.”
Procesos reversibles
e irreversibles
Un proceso se denomina internamente
reversible si no ocurren irreversibilidades
dentro de las fronteras del sistema
durante el proceso.
Durante un proceso internamente reversible,
un sistema pasa por una serie de estados de
equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el
sistema pasa por los mismos estados de
equilibrio mientras vuelve a su estado inicial.
Se dice que un proceso es reversible si tanto
el sistema como los alrededores pueden
volver a su condición original. Cualquier otro
proceso es irreversible.
Los efectos que hacen que un proceso sea
irreversible son la fricción, la expansión o
compresión de no cuasiequilibrio y la
transferencia de calor debida a una diferencia
finita de temperatura, las cuales se
denominan irreversibilidades.
Un proceso es denominado externamente
reversible si no ocurren irreversibilidades fuera de
las fronteras del sistema durante el proceso. La
transferencia de calor entre un depósito y un
sistema es un proceso externamente reversible si
la superficie exterior del sistema está a la
temperatura del depósito.
Ciclo de Carnot
Es un ciclo reversible compuesto
por cuatro procesos reversibles,
dos isotérmicos y dos adiabáticos.
Expansión isotérmica reversible
Expansión adiabática reversible
Compresión isotérmica reversible
Compresión adiabática reversible
El ciclo de la máquina térmica de
Carnot recién descrito es totalmente
reversible, por lo tanto todos los
procesos que abarca se pueden invertir,
en cuyo caso se convierte en el ciclo de
refrigeración de Carnot.
Principios de Carnot
Establecen que las eficiencias térmicas de las
máquinas térmicas reversibles que operan
entre dos depósitos son las mismas, y que
ninguna máquina de este tipo es más
eficiente que una reversible que opera entre
los mismos dos depósitos.
1. La eficiencia de una máquina térmica
irreversible es siempre menor que la
eficiencia de una máquina reversible que
opera entre los mismos dos depósitos.
2. Las eficiencias de las máquinas térmicas
reversibles que operan entre los mismos
dos depósitos son las mismas.
La máquina térmica
de Carnot
Es una máquina térmica que opera
en un ciclo reversible de Carnot
El refrigerador de Carnot y
la bomba de calor
Es un refrigerador o una bomba de
calor que opera en el ciclo inverso de
Carnot,
Escala termodinámica
de temperatura
Es una escala de temperatura que es
independiente de las propiedades de
las sustancias utilizadas para medir la
temperatura
Ofrece grandes ventajas en los cálculos
termodinámicos, y su derivación se da a
continuación por medio de algunas
máquinas térmicas reversibles.
Aun cuando la escala termodinámica de
temperatura se define con la ayuda de las
máquinas térmicas reversibles, no es posible
ni práctico operar en realidad tal máquina
para determinar valores numéricos sobre la
escala de temperatura absoluta.