Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 6
bajo, como compresores, ventiladores y bombas, consumen el mínimo de trabajo
cuando se usan procesos reversibles en lugar de irreversibles (Fig. 6-31).
Los procesos reversibles pueden ser considerados como límites teóricos
para los irreversibles correspondientes. Algunos procesos son más irreversibles
que otros. Quizá nunca se tenga un proceso reversible, pero es posible
aproximarse. A medida que se tiende hacia un proceso reversible, un dispositivo
entrega más trabajo o requiere menos trabajo.
Expansión Compresión Expansión Compresión
Distribución
de presión
Agua
Agua
Agua
Agua
a) Proceso lento (reversible) b) Proceso rápido (irreversible)
FIGURA 6-31
Los procesos reversibles entregan el
mayor trabajo posible y consumen
el menor.
El concepto de proceso reversible conduce a la definición de eficiencia
según la segunda ley para procesos reales, que es el grado de aproximación
al proceso reversible correspondiente. Esto permite comparar el desempeño de
diferentes dispositivos diseñados para hacer la misma tarea con base en sus
eficiencias. Mientras mejor sea el diseño, menores son las irreversibilidades y
mayor es la eficiencia según la segunda ley.
Irreversibilidades
Los factores que causan que un proceso sea irreversible se llaman irreversibilidades,
las cuales son la fricción, la expansión libre, el mezclado de dos fluidos,
la transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura finita,
la resistencia eléctrica, la deformación inelástica de sólidos y las reacciones
químicas. La presencia de cualquiera de estos efectos hace que un proceso
sea irreversible. Un proceso reversible no incluye ninguno de ellos. Algunas
de las irreversibilidades encontradas con mayor frecuencia se analizan brevemente
a continuación.
La fricción es una forma familiar de irreversibilidad relacionada con cuerpos
en movimiento. Cuando dos cuerpos en contacto son forzados a moverse uno
respecto al otro (un émbolo en un cilindro, por ejemplo, como se ilustra en la
figura 6-32), en la interfase de ambos se desarrolla una fuerza de fricción que
se opone al movimiento, por lo que se requiere algo de trabajo para vencer esta
fuerza de fricción. La energía suministrada como trabajo se convierte finalmente
en calor durante el proceso y se transfiere hacia los cuerpos en contacto, como
lo evidencia un aumento de temperatura en la interfase. Cuando se invierte la
dirección del movimiento, los cuerpos se restablecen a su posición original, pero
la interfase no se enfría y el calor no se convierte de nuevo en trabajo. En cambio,
algo más del trabajo se convierte en calor mientras se vencen las fuerzas
de fricción que también se oponen al movimiento inverso. Dado que el sistema
(los cuerpos en movimiento) y los alrededores no pueden ser regresados a sus
estados originales, este proceso es irreversible. Mientras más grandes sean las
fuerzas de fricción, más irreversible es el proceso.
La fricción no siempre tiene relación con dos cuerpos sólidos en contacto.
También se encuentra entre un fluido y un sólido e incluso entre las capas de
un fluido que se mueve a distintas velocidades. Una fracción considerable de la
Fricción
Gas
FIGURA 6-32
La fricción hace que un proceso sea
irreversible.