SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Los esfuerzos para diseñar un proceso de conversión continua y completa del calor en trabajo, o energía mecánica o eléctrica, han fallado. Pese a las mejoras hechas a los aparatos utilizados, la eficiencia en la conversión no excede del 40 por ciento. Estos valores tan bajos llevan a la conclusión de que el calor es una forma de energía intrínsecamente menos útil y, por tanto, menos valiosa que una cantidad igual de trabajo o de energía mecánica o eléctrica. ENUNCIADOS DE LA SEGUNDA LEY Es posible formular muchos enunciados que describan esta restricción y que, por tanto, sirvan como enunciados de la segunda ley. Dos de los más comunes son los siguientes: 1. Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus alrededores) sea convertir completamente todo el calor absorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema. 2. No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro mayor. La segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a partir del calor, pero coloca un límite sobre la fracción de calor que en cualquier proceso cíclico puede convertirse en trabajo. La conversión parcial de calor en trabajo es la base de casi toda la producción comercial de energía. El desarrollo de una expresión cuantitativa para la eficiencia de esta conversión es el siguiente paso en el estudio de la segunda ley MAQUINA TÉRMICAS El enfoque clásico para la segunda ley se basa en un punto de vista macroscópico de las propiedades, independiente de cualquier tipo de conocimiento de la estructura de la materia o comportamiento de las moléculas. Este enfoque surgió del estudio de la máquina térmica, que es un dispositivo o máquina que produce trabajo a partir de calor en un proceso cíclico. Un ejemplo de máquina térmica es la planta termoeléctrica, donde el fluido de trabajo (vapor) regresa periódicamente a su estado original. En esta planta, el ciclo (en su forma más sencilla) tiene las siguientes etapas: 1. Agua líquida a temperatura cercana a la del medio ambiente se bombea hacia una caldera a alta presión. 2. La transferencia del calor de un combustible (calor de combustión de un combustible fósil o calor de una reacción nuclear) de la caldera al agua, convirtiéndola en vapor a alta temperatura a la presión de la caldera. 3. Transferencia de energía, como trabajo de eje, del vapor a los alrededores, mediante un dispositivo tal como una turbina, en la cual el vapor se expande hasta la presión y temperatura reducidas. 4. El vapor que queda en la turbina se condensa a temperatura y presión bajas mediante la transferencia de calor al agua de enfriamiento, completando de esta, manera el ciclo. Las características fundamentales de los ciclos de todas las máquinas térmicas son la absorción de calor a altas temperaturas, el rechazo de éste a una temperatura baja y la producción de trabajo. En el estudio teórico de las máquinas térmicas los dos niveles de temperatura que caracterizan su funcionamiento se mantienen mediante reservas térmicas, las cuales pueden imaginarse como cuerpos capaces de absorber o arrojar una cantidad infinita de calor sin cambio alguno en la temperatura (sumideros). Durante la operación, el fluido de trabajo de una máquina térmica absorbe calor (QH) de la reserva caliente, produce una cantidad neta de trabajo (WNETO), descarta calor (QL) hacia un depósito de baja temperatura y regresa a su estado inicial. Por tanto, la primera ley se reduce a: Eficiencia: en una máquina térmica, la eficiencia se define como: REFRIGERADORES : Como la transferencia de calor en la naturaleza ocurre en sentido de mayor a menor temperatura, la transferencia en sentido inverso requiere de un dispositivo denominado refrigerador. Los refrigeradores como las bombas de calor, sin dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo en el ciclo se denomina refrigerante. El ciclo de refrigeración más empleado es el “ciclo de refrigeración por compresión por vapor”, en el que intervienen cuatro componentes: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador. El refrigerante entra al compresor como vapor y se comprime hasta la presión del condensador, posteriormente sale del compresor a una temperatura relativamente alta y se enfría y se condensa a medida que fluye por los serpentines del condensador rechazando calor al medio circundante. Después entra al tubo capilar donde su presión y temperatura caen de forma drástica debido al efecto de estrangulamiento. Luego, el refrigerante a temperatura baja entra al evaporador, donde se evapora absorbiendo calor del espacio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y vuelve a entrar al compresor. El objetivo de un refrigerador es eliminar QL de un espacio refrigerado. Coeficiente de desempeño (CDF, COPR) La eficiencia se mide en términos de la relación entre lo que se quiere obtener con respecto a lo que entra, en un refrigerador se requiere remover QL y requiere entrada de potencia, por lo tanto: ⁄ EL CICLO DE CARNOT: Si no es posible que las máquinas térmicas tengan una eficiencia térmica de 100 por ciento, entonces qué es lo que determina el límite superior? Ciertamente es de esperarse que la eficiencia térmica de una máquina térmica dependa del grado de reversibilidad de la operación. Por otra parte, una máquina térmica que funcione de una manera completamente reversible es muy especial, y se conoce como máquina de Carnot. Las características de esta máquina ideal fueron descritas por primera vez por Sadí Carnot en 1824. Las cuatro etapas de las que consta un ciclo de Carnot se llevan a cabo en el orden siguiente: 1. Expansión isotérmica reversible: el sistema mantiene contacto con la reserva caliente a TH, y experimenta un proceso isotérmico reversible durante el cual el calor QH se absorbe de la reserva caliente y aumenta su volumen. 2. Expansión adiabática reversible: el sistema ahora es adiabático con un aislamiento adecuado, el gas se expande lentamente y realiza trabajo sobre el entorno hasta que la temperatura disminuye de TH a TL. 3. Compresión adiabática reversible: al sistema se le retira el aislamiento y está en contacto con el sumidero a TL y una fuerza externa realiza trabajo sobre el sistema pero manteniendo su temperatura constante por medio de la eliminación de calor (QL) 4. Compresión adiabática reversible: colocando nuevamente un aislamiento y se comprime el sistema de manera reversible, entonces el gas vuelve a su estado original. La temperatura sube de TL a TH durante este proceso adiabático que completa el ciclo. En el diagrama P-v se muestra el proceso, el área bajo la curva 1-2-3 es el trabajo que se realiza durante la expansión del ciclo y el área bajo la curva 3-4-1 es el trabajo realizado sobre el sistema durante la compresión del ciclo. El área que encierra la trayectoria del ciclo es la diferencia entre estas dos y representa el trabajo neto hecho durante el ciclo. Por ser un ciclo reversible, el de Carnot es el más eficiente que opera entre dos límites de temperatura, TH y TL. Ciclo de Carnot Inverso Si se considera el proceso inverso al ciclo de Carnot, se tiene un ciclo de refrigeración de Carnot. El ciclo es exactamente el mismo sólo que las direcciones de las interacciones son las opuestas: el calor QL se absorbe de un depósito de temperatura a TL, el calor QH se rechaza hacia un depósito a TH y se requiere una cantidad de trabajo WNETO para completar el ciclo. MAQUINA TERMICA DE CARNOT Una máquina que opera en el ciclo reversible de Carnot se denomina máquina térmica de Carnot. Las relaciones son similares a las usadas en las máquinas térmicas generales y la eficiencia se puede estimar con la temperatura absoluta: REFRIGERADORES DE CARNOT Un refrigerador que opera en el ciclo inverso de Carnot, se llama refrigerador de Carnot. La eficiencia se mide igualmente en términos de la temperatura absoluta. Para los refrigeradores: ⁄ Estos son los coeficientes de desempeño más altos que puede tener un refrigerador que opera entre dos límites de temperatura TL y TH. Los refrigeradores reales que operan entre los límites de temperatura tienen menores coeficientes de desempeño. ⁄