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Sección 22.3 Procesos reversibles e irreversibles 617
Analizar Con las ecuaciones 20.4 y 20.7, encuentre
la cantidad de energía que se debe extraer de
500 g de agua a 20°C para convertirla en hielo a
0°C:
0Q c 0 0mc ¢T mL f 0 m 0c ¢T L f 0
0 10.500 kg2314 186 J>kg # °C2 1 20.0°C2 3.33 10 5 J>kg4 0
2.08 10 5 J
Mediante la ecuación 22.3 encuentre cuánta energía
se debe proporcionar al refrigerador para extraer
esta cantidad de energía del agua:
COP
0
0
0Q c 0Q c
W S W COP
W 4.17 10 4 J
2.08 10 5 J
5.00
Use la potencia nominal del refrigerador para encontrar
el intervalo de tiempo necesario para que
ocurra el proceso de congelación:
W
¢t
S ¢t
W 4.17 10 4 J
500 W
83.3 s
Finalizar En realidad, el intervalo de tiempo para que el agua se congele en un refrigerador es mucho más que 83.3 s, lo
que sugiere que las suposiciones del modelo no son válidas. Sólo una pequeña parte de la energía extraída del interior del
refrigerador en un intervalo de tiempo dado proviene del agua. También se debe extraer energía del contenedor en el que
se coloca el agua, y se debe extraer la energía que continuamente se filtra al interior desde el exterior.
22.3 Procesos reversibles e irreversibles
En la siguiente sección se propone una máquina térmica teórica que sea lo más eficiente
posible. Para entender su naturaleza, primero se debe examinar el significado de los procesos
reversibles e irreversibles. En un proceso reversible el sistema se somete al proceso
que puede regresar a sus condiciones iniciales a lo largo de la misma trayectoria sobre un
diagrama PV, y cada punto a lo largo de dicha trayectoria está en estado de equilibrio. Un
proceso que no satisface estos requisitos es irreversible.
Todos los procesos naturales son irreversibles. Para comprobarlo considere la expansión
libre de un gas adiabático, que ya se explicó en la sección 20.6, y demuestre que no
puede ser reversible. Ahora examine un gas en un contenedor aislado térmicamente,
como se muestra en la figura 22.7. Una membrana separa al gas de un vacío. Cuando la
membrana se perfora, el gas se expande libremente en el vacío. Como resultado de la perforación,
el sistema cambió porque ocupa un mayor volumen después de la expansión.
Ya que el gas no ejerce una fuerza a través de un desplazamiento, no realiza trabajo sobre
los alrededores mientras se expande. Además, no se transfiere energía hacia o desde el
gas por calor, porque el contenedor está aislado de sus alrededores. Por lo tanto, en este
proceso adiabático, el sistema cambió pero los alrededores no.
Si el gas regresa a su volumen y temperatura originales sin cambiar los alrededores,
el proceso es reversible. Imagine invertir el proceso mediante la compresión del gas a su
volumen original. Para hacerlo, se ajusta el contenedor con un pistón y se usa una máquina
para forzar el pistón hacia adentro. Durante este proceso, los alrededores cambian
porque se consume trabajo mediante un agente externo sobre el sistema. Además, el sistema
cambia porque la compresión aumenta la temperatura del gas. La temperatura del
gas se puede bajar al permitirle entrar en contacto con un depósito de energía externo.
Aunque esta etapa regresa al gas a sus condiciones originales, los alrededores de nuevo
resultan afectados porque se agrega energía a los alrededores desde el gas. Si esta energía
se pudiera usar para impulsar la máquina que comprime el gas, la transferencia de energía
neta hacia los alrededores sería cero. De esta manera, el sistema y sus alrededores podrían
regresar a sus condiciones iniciales y se podría identificar el proceso como reversible.
Sin embargo, el enunciado de Kelvin–Planck de la segunda ley especifica que la energía
removida del gas para regresar la temperatura a su valor original no se puede convertir
completamente en energía mecánica en la forma del trabajo consumido por la máquina
al comprimir el gas. Efectivamente, se debe concluir que el proceso es irreversible.
También se podría argumentar que la expansión libre adiabática es irreversible al considerar
la definición de un proceso reversible que se refiere a los estados de equilibrio.
PREVENCIÓN DE RIESGOS
OCULTOS 22.2
Todos los procesos reales son
irreversibles
El proceso reversible es una
idealización; todos los procesos
reales en la Tierra son
irreversibles.
Pared
aislante
Vacío
Membrana
Gas a T i
Figura 22.7 Expansión libre
adiabática de un gas.