Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

280
LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
6-1 ■ INTRODUCCIÓN A LA SEGUNDA LEY
Café
caliente
Calor
FIGURA 6-1
Una tasa de café caliente no se pondrá
más caliente en una habitación más fría.
Calor
I = 0
FIGURA 6-2
Transferir calor a un alambre no generará
electricidad.
Calor
FIGURA 6-3
Transferir calor a una rueda de paletas no
hará que ésta gire.
UN SOLO SENTIDO
FIGURA 6-4
Los procesos ocurren en una cierta dirección
y no en la dirección contraria.
En los capítulos 4 y 5 se aplicó la primera ley de la termodinámica, o principio
de conservación de la energía, a procesos relacionados con sistemas
cerrados y abiertos. Como se señaló en varias ocasiones en esos capítulos, la
energía es una propiedad conservada y no se sabe de ningún proceso que viole
la primera ley de la termodinámica. Por lo tanto es razonable concluir que
para que ocurra, un proceso debe satisfacer la primera ley. Sin embargo, como
se explica aquí, satisfacerla no asegura que en realidad el proceso tenga lugar.
Una experiencia común es que una taza de café caliente dejada en una
habitación que está más fría termine por enfriarse (Fig. 6-1). Este proceso
satisface la primera ley de la termodinámica porque la cantidad de energía que
pierde el café es igual a la cantidad que gana el aire circundante. Considere
ahora el proceso inverso: café caliente que se vuelve incluso más caliente en
una habitación más fría como resultado de la transferencia de calor desde el
aire. Se sabe que este proceso nunca se lleva a cabo; sin embargo, hacerlo no
violaría la primera ley siempre y cuando la cantidad de energía que pierde el
aire sea igual a la cantidad que gana el café.
Otro ejemplo común es el calentamiento de una habitación mediante el
paso de corriente eléctrica por un resistor (Fig. 6-2). Nuevamente, la primera
ley dicta que la cantidad de energía eléctrica suministrada a la resistencia sea
igual a la cantidad de energía transferida al aire de la habitación como calor.
Ahora se intentará invertir este proceso; es decir, se espera que transferir cierta
cantidad de calor a la resistencia cause que se genere una cantidad equivalente
de energía eléctrica en ella. Sin embargo, esto no ocurre.
Por último, considere un mecanismo provisto de una rueda de paletas que
funciona mediante la caída de una masa (Fig. 6-3); la rueda gira cuando desciende
la masa y agita un fluido dentro de un recipiente aislado. Como resultado,
disminuye la energía potencial de la masa mientras que la energía interna
del fluido se incrementa de acuerdo con el principio de conservación de la
energía. Sin embargo, el proceso inverso de subir la masa mediante transferencia
de calor desde el fluido a la rueda de paletas no ocurre en la naturaleza,
aunque hacerlo no violaría la primera ley de la termodinámica.
A partir de estos argumentos resulta claro que los procesos van en cierta
dirección y no en la dirección contraria (Fig. 6-4). La primera ley de la termodinámica
no restringe la dirección de un proceso, pero satisfacerla no asegura que
en realidad ocurra el proceso. Esta falta de adecuación de la primera ley para
identificar si un proceso puede tener lugar se remedia introduciendo otro principio
general, la segunda ley de la termodinámica. Más adelante se muestra que el
proceso inverso analizado antes viola la segunda ley de la termodinámica. Esta
violación se detecta fácilmente con la ayuda de una propiedad llamada entropía,
definida en el capítulo 7. Un proceso no puede ocurrir a menos que satisfaga
tanto la primera ley de la termodinámica como la segunda (Fig. 6-5).
Existen varios enunciados válidos de la segunda ley de la termodinámica,
dos de ellos se presentan y analizan posteriormente en este capítulo, en relación
con algunos dispositivos de ingeniería que operan en ciclos.
Sin embargo, el uso de la segunda ley de la termodinámica no se limita a
identificar la dirección de los procesos, también afirma que la energía tiene
calidad así como cantidad. La primera ley se relaciona con la cantidad de
energía y las transformaciones de energía de una forma a otra sin considerar
su calidad. Conservar la calidad de la energía es una cuestión importante
para los ingenieros, y la segunda ley provee los medios necesarios para determinarla,
así como el grado de degradación que sufre la energía durante un
proceso. Según una explicación posterior de este capítulo, mayor cantidad de