SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
Ya enunciados el principio de la conservación de la energía como 1ª. Ley y dada la definición de energía y sus formas de manifestación surge la pregunta acerca de qué tanto se aprovecha la energía, que tan eficientes son los procesos, lo cual condujo a una serie de experimentos que sentaron las bases de lo que se conoce como segunda ley de la termodinámica.Los trabajos de Joule sobre la equivalencia del calor y el trabajo están en los comienzos de este desarrollo. Joule y otros físicos de la época intentaron producir energía mecánica útil a partir del calor, que resumido se expresa como la equivalencia mecánica del calor y se expresa como
J ??q = ??w
Expresión que significa que la integral cíclica del calor es equivalente a la integral cíclicadel trabajo y J es un coeficiente de proporcionalidad, el cual en el sistema SI es igual a la unidad ya que el calor y el trabajo se miden en las mismas unidades, Julios.
El principio de la conservación establece que sería lo mismo convertir calor en trabajo que trabajo en calor, sin embargo las numerosas experiencias sobre máquinas que funcionan con calor condujeron a la conclusión que hay unacierta dirección de los procesos, hay restricciones en la dirección de los procesos y esa es la base de la definición de los principios que equivalen a la segunda ley.
Para ello se diseñaron unos dispositivos denominados máquina térmica y refrigerador que en forma ideal pueden realizar procesos en ciertas direcciones que en forma empírica no se observan en la naturaleza. No hay evidencia que
si aun sistema se le entregue una cierta cantidad de calor en un ciclo este convierta automáticamente este calor en trabajo o sea que mueva un mecanismo de eje que permita utilizar la energía como trabajo útil. No es posible así mismo, es decir no hay evidencia física, que se pueda transferir calor de un cuerpo frío a uno más caliente, lo contrario si es evidente.
Los dos dispositivos pensados porcientíficos como Carnot y Clausius entre otros, son máquinas ideales que trabajando en ciclo permiten realizar dichos procesos, en esas direcciones. La máquina térmica hace posible que en un ciclo se entregue calor y parte de el se convierta en trabajo útil. El otro dispositivo llamado refrigerador hace posible que se transfiera calor de un cuerpo frío a uno más caliente con ayuda de suministro deenergía en forma de trabajo al ciclo.
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La figura representa la máquina térmica y el refrigerador. Ejemplos actuales de estos dos circuitos son el ciclo de potencia para generar energía eléctrica a partir del ciclo de caldera-turbina-enfriador-bomba y el refrigerador corresponde al circuito de una nevera que consiste en cámara de evaporación-compresor –condensador- válvula de expansión.En el caso del dispositivo para convertir el calor en trabajo en ciclo o máquina térmica, un indicador de su eficiencia es la relación entre el trabajo producido con respecto al calor de alta que se le entrega al ciclo.
[pic] es la definición de eficiencia de una máquina térmica
[pic] es el desarrollo de esta expresión a partir del principio de la conservación de la energía o primera ley dela termodinámica aplicada a un ciclo en estado estable, en donde SOLO hay flujos de energía en forma de calor y trabajo y no hay flujos asociados a corrientes de materiales.
[pic] es la forma usual de aplicación de la eficiencia y tiene una enorme importancia en todo el desarrollo de la termodinámica aplicada. Hay diferentes enunciados de esta expresión pero los más comunes son:
• Laeficiencia de una máquina térmica trabajando en ciclo y produciendo trabajo útil SIEMPRE es menor de 1 (o de 100 en caso de porcentaje).
• Es imposible construir una máquina térmica que convierta todo el calor en trabajo.
• La energía producida como trabajo en un ciclo de generación será siempre menor que la energía suministrada al ciclo en forma de calor, etc., etc.,
Las implicaciones…
