Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
20 °C
Calor
5°C
20 °C
a) Un proceso de transferencia de calor
irreversible
20 °C
Calor
a) Compresión rápida
b) Expansión rápida
700 kPa 50 kPa
c) Expansión sin restricción
FIGURA 6-33
Procesos de compresión y expansión
irreversibles.
5 °C
2 °C
b) Un proceso de transferencia de calor
imposible
FIGURA 6-34
a) La transferencia de calor debida a una
diferencia de temperatura es irreversible
y b) el proceso inverso es imposible.
potencia que produce el motor de un automóvil se emplea para vencer la fricción
(la fuerza de arrastre) entre el aire y las superficies externas del automóvil,
fracción que en algún momento se vuelve parte de la energía interna del
aire. No es posible invertir este proceso y recuperar la energía perdida, aunque
hacerlo no violaría el principio de conservación de la energía.
Otro ejemplo de irreversibilidad es la expansión libre de un gas, el cual se
halla separado de un vacío mediante una membrana, como se ilustra en la figura
6-33. Cuando se rompe la membrana, el gas llena todo el recipiente y la única
forma de restaurar el sistema a su estado original es comprimirlo a su volumen
inicial, transfiriendo calor del gas hasta que alcance su temperatura inicial. De
las consideraciones de conservación de la energía, se puede demostrar sin dificultad
que la cantidad de calor transferida del gas es igual a la cantidad de trabajo
que los alrededores realizan sobre el gas. La restauración de los alrededores
requiere convertir por completo este calor en trabajo, lo cual violaría la segunda
ley. Por lo tanto, la expansión libre de un gas es un proceso irreversible.
Una tercera forma de irreversibilidad conocida es la transferencia de calor
debida a una diferencia finita de temperatura. Considere una lata de bebida
carbonatada fría dejada en un espacio caliente (Fig. 6-34). El calor se transfiere
desde el aire de la habitación el cual se encuentra a mayor temperatura
hacia la lata que está más fría. La única forma de invertir este proceso y restablecer
la temperatura original de la lata de soda es proporcionarle refrigeración,
lo cual requiere algo de entrada de trabajo. Al final del proceso inverso,
la soda vuelve a su estado original, pero no los alrededores. La energía interna
de éstos se incrementa en una cantidad igual en magnitud al trabajo suministrado
al refrigerador. Restablecer los alrededores a su estado inicial sólo
es posible si se convierte este exceso de energía interna completamente en
trabajo, lo cual es imposible sin violar la segunda ley. Como solamente el
sistema, no el sistema y los alrededores, puede ser restablecido a su condición
inicial, la transferencia de calor ocasionada por una diferencia finita de temperatura
es un proceso irreversible.
La transferencia de calor puede ocurrir sólo cuando hay una diferencia de
temperatura entre un sistema y sus alrededores, por lo tanto es físicamente
imposible tener un proceso de transferencia de calor reversible. Pero un proceso
de transferencia de calor se vuelve cada vez menos reversible a medida
que la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos se aproxima a cero.
Entonces, la transferencia de calor por una diferencia de temperatura diferencial
dT se puede considerar como reversible. Cuando dT se aproxima
a cero, el proceso puede cambiar de dirección (por lo menos en teoría) sin
requerir ninguna refrigeración. Observe que la transferencia de calor irreversible
es un proceso conceptual y no es posible reproducirlo en el mundo real.
Mientras más pequeña sea la diferencia de temperatura entre dos cuerpos,
más pequeña será la tasa de transferencia de calor. Cualquier transferencia
de calor importante debida a una diferencia de temperatura pequeña requiere
un área superficial muy grande y un tiempo muy largo. Por lo tanto, aunque
desde un punto de vista termodinámico es deseable aproximarse a la transferencia
de calor reversible, es impráctico y no factible económicamente.
Procesos interna y externamente reversibles
Un proceso representativo tiene que ver con interacciones entre un sistema y
sus alrededores, y uno reversible no conlleva irreversibilidades relacionadas
con cualquiera de ellos.