Segundo Principio - unne

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CÁTEDRA FISICA II CURSO 2006SEGUNDO PRINCIPIOJuan J CORACEPROCESOS PRODUCIDOS POR IRREVERSIBILIDAD TÉRMICA EXTERNASe llama entropía generada térmica externa, a la entropía generada por las irreversibilidadesentre el sistema y el entorno provocadas por la transmisión de calor con un gradiente detemperatura. Este tipo de proceso incluye a aquellos que suponen una transferencia de caloren virtud de una diferencia finita de temperatura, como ocurre al poner en contacto doscuerpos a diferentes temperaturas. Consideremos la transferencia de Q unidades de calordesde un sistema a T 1al ambiente, más frío, a T 2(T 2< T 1). Las variaciones de entropíaasociadas son:ΔSsist= −Q; ΔST1amb= +QT2⇒ ΔSuniv⎛ 1= Q⎜⎝ T21 ⎞−⎟T1⎠como T 2< T 1, ΔS univ> 0.Como conclusión general, los procesos reversibles tienen asociados un cambio de entropíadel universo nulo, mientras que los procesos irreversibles están siempre asociados a uncambio en la entropía del universo positiva.Desde otro punto de vista, al ingeniero lo que le interesa es reducir al máximo lasirreversibilidades, ya que estas son las que limitan el rendimiento de las máquinas térmicas.TRABAJO ÚTIL DE UN SISTEMAA pesar del carácter general de la Termodinámica, su estudio ha estado muy relacionado aldesarrollo de los sistemas de producción de trabajo. Por ello, siempre se insiste en laslimitaciones de producción de trabajo de un sistema, limitación impuesta por el <strong>Segundo</strong><strong>Principio</strong>.Nosotros hemos relacionado la espontaneidad de los procesos que se dan en la naturalezacon la función de estado denominada entropía, que microscópicamente nos sugiere laprobabilidad de los estados microscópicos posibles. Además, se dedujo que los procesosespontáneos son aquellos en que la entropía del universo crece, y que ésta crece debido a lasirreversibilidades. Los procesos que se dan en la naturaleza son por lo tanto procesosirreversibles.En un proceso irreversible, siempre se desperdicia una oportunidad de producir trabajo. Esto sepuede pensar de forma intuitiva con algunos ejemplos. Si tenemos dos recipientescomunicados por una válvula, uno de ellos con un gas a elevada presión y el otro a presión24
CÁTEDRA FISICA II CURSO 2006SEGUNDO PRINCIPIOJuan J CORACEatmosférica, al abrir la válvula el gas contenido en el recipiente a presión pasará al otrorecipiente hasta que se igualen las presiones. Este proceso es espontáneo, la entropía globalcrece debido a la irreversibilidad que produce la diferencia de presiones existente entre los dosdepósitos. La aplicación del primer principio nos indica que si mantenemos la temperatura delproceso constante y los depósitos son adiabáticos, la energía se conservará, ya que la energíainterna del sistema no cambia. Sin embargo, intuitivamente se aprecia que en este procesopodríamos haber producido un trabajo, que en el estado final ya no podremos realizar. Enefecto, la energía se ha conservado en este proceso, pero podríamos decir que se hadegradado, porque en el estado inicial teníamos la posibilidad de producir trabajo, mientrasque una vez producido el proceso irreversible ya no es cierto.Otro ejemplo de degradación de la energía debida a las irreversibilidades se produce cuandoun cuerpo a elevada temperatura lo dejamos interaccionar en un ambiente frío, evolucionandohasta la temperatura del ambiente. Este es un proceso espontáneo, como sabemos, en el quecrece la entropía global del sistema debido a la irreversibilidad que produce la diferencia detemperaturas entre cuerpo y ambiente. En este ejemplo la energía ha pasado del cuerpo alambiente, conservándose de manera global, pero hemos perdido la posibilidad de ceder esecalor a una máquina térmica produciendo trabajo, y cediendo finalmente calor al ambiente (focofrío).Un último ejemplo de cómo se pierde posibilidad de producir trabajo es el de un cuerpo a unacierta altura que cae hasta el suelo. En este proceso la energía potencial (interna) del cuerpodada su altura, se ha transformado en energía cinética (interna) en su caída, transformándosefinalmente en aumentar la temperatura del cuerpo (interna). También se trata de un procesoespontáneo con aumento de entropía, en donde hemos perdido la posibilidad de producir untrabajo. Si hubiésemos dispuesto un cable en el cuerpo, por medio de una polea, podíamoshaber utilizado la energía de la caída para elevar una carga.El segundo principio establece que en el sentido de los procesos espontáneos va en el sentidode las temperaturas decrecientes, de las presiones decrecientes, de las alturas decrecientes.En definitiva, el segundo principio limita el sentido decreciente de las propiedades intensivasdel sistema que son las que producen trabajo. Recordamos en este punto que el trabajoprocede siempre de una diferencia en una propiedad intensiva. Una diferencia de presiones (Δp)produce movimiento en un fluido capaz de producir trabajo, una diferencia de temperaturas (ΔT)produce un flujo de calor que puede producir trabajo, una diferencia de alturas (Δz) produce unmovimiento en los cuerpos capaz de producir trabajo, etc.25
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