TEMA VI. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

6.2 Segunda Ley de la Termodinámica

La Segunda Ley de la Termodinámica aborda la dirección de los procesos naturales y la eficiencia de los sistemas energéticos. La ley establece que en cualquier proceso espontáneo, la entropía total del sistema y su entorno siempre aumenta o permanece constante, nunca disminuye.

6.2.1 Enunciado de Clausius

Enunciado de Clausius: La afirmación de Clausius establece que "es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, convierta todo el calor absorbido en trabajo sin transferir calor a un reservorio frío". En otras palabras, no se puede construir una máquina que sea 100% eficiente. Este enunciado subraya que siempre habrá una cierta cantidad de energía que se pierde en forma de calor a un entorno más frío.

Este enunciado implica que siempre habrá una fracción del calor que no se puede transformar en trabajo útil, lo cual está relacionado con la irreversibilidad y la generación de entropía en los procesos térmicos.

6.2.2 Enunciado de Kelvin-Planck

Enunciado de Kelvin-Planck: Este enunciado afirma que "es imposible construir una máquina térmica que funcione en un ciclo y que convierta completamente todo el calor absorbido de una fuente caliente en trabajo, sin emitir calor a una fuente fría". Esto significa que siempre hay una pérdida inevitable de calor a una fuente fría cuando se realiza trabajo. La eficiencia de cualquier máquina térmica está limitada por esta ley.

Ambos enunciados están relacionados y reflejan la misma realidad desde diferentes perspectivas: Clausius se centra en la imposibilidad de transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente sin trabajo externo, mientras que Kelvin-Planck se enfoca en la imposibilidad de convertir todo el calor en trabajo sin pérdidas.

6.3 Trascendencia de la Segunda Ley de la Termodinámica

La Segunda Ley de la Termodinámica tiene una profunda trascendencia en varias áreas:

• Ingeniería: Determina las limitaciones en la eficiencia de máquinas térmicas, motores y ciclos de refrigeración.
• Química: Influye en la dirección de las reacciones químicas y en el equilibrio químico.
• Física: Fundamenta conceptos como la entropía y la irreversibilidad.
• Ecología y Medio Ambiente: Afecta el análisis de procesos naturales y la sostenibilidad energética.

6.4 Depósitos de Energía Térmica

Los depósitos de energía térmica almacenan calor para su uso futuro. Estos sistemas son cruciales en aplicaciones como:

• Sistemas de calefacción: Almacenan calor para su distribución en períodos de demanda.
• Energía solar térmica: Almacenan calor recolectado de paneles solares para uso nocturno o en días nublados.
• Industria: Acumulan calor residual para procesos de producción o calefacción.

Los depósitos pueden incluir tanques de agua caliente, sales fundidas y otros materiales con alta capacidad térmica.

6.5 Máquinas Térmicas

Las máquinas térmicas convierten energía térmica en trabajo mecánico. Se basan en ciclos termodinámicos que implican procesos de absorción, conversión y liberación de calor. Ejemplos comunes incluyen:

• Motores de combustión interna: Como los motores de automóviles.
• Turbinas de vapor: Usadas en centrales eléctricas.
• Ciclos de refrigeración: En sistemas de aire acondicionado y refrigeradores.

La eficiencia de una máquina térmica se calcula comparando el trabajo realizado con el calor absorbido.

6.6 Refrigeradores y Bombas de Calor

Los refrigeradores y bombas de calor utilizan el ciclo termodinámico para mover calor en dirección opuesta a la espontánea:

• Refrigeradores: Extracción de calor de un espacio frío y liberación a un espacio más cálido.
• Bombas de calor: Transferencia de calor desde un espacio frío a uno cálido, utilizado para calefacción.

Ambos dispositivos utilizan una sustancia refrigerante que circula a través de un ciclo de compresión y expansión.

6.7 Procesos Reversibles e Irreversibles

• Procesos Reversibles: Son ideales y teóricos; permiten que un sistema vuelva a su estado original sin pérdidas. No existen en la práctica debido a fricción, disipación y otros factores.

• Procesos Irreversibles: Ocurren en la realidad, donde siempre hay pérdidas de energía en forma de calor o aumento de entropía. Incluyen fricción, mezclas irreversibles, y cambios de fase.

6.8 Principio de Carnot

El Principio de Carnot establece que ninguna máquina térmica que opere entre dos fuentes de calor puede ser más eficiente que una máquina de Carnot operando entre las mismas dos fuentes.

6.8.1 Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico idealizado que consta de dos procesos isotérmicos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (sin intercambio de calor):

1. Expansión isotérmica: El gas absorbe calor a temperatura alta.
2. Expansión adiabática: El gas se expande sin intercambio de calor, disminuyendo su temperatura.
3. Compresión isotérmica: El gas libera calor a temperatura baja.
4. Compresión adiabática: El gas se comprime sin intercambio de calor, aumentando su temperatura.

Este ciclo es la base para calcular la máxima eficiencia posible de una máquina térmica.

6.8.2 La Escala Termodinámica de Temperatura

La escala Kelvin es una escala de temperatura absoluta que comienza en el cero absoluto, donde la entropía de un sistema ideal se minimiza. La eficiencia de las máquinas térmicas de Carnot se basa en las temperaturas de estas dos fuentes (caliente y fría) en la escala Kelvin.

6.8.3 La Máquina Térmica de Carnot

La máquina térmica de Carnot es un modelo ideal que opera en el ciclo de Carnot. Su eficiencia se calcula como:

$\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}$

donde $T_c$ es la temperatura de la fuente fría y $T_h$ es la temperatura de la fuente caliente, ambas en Kelvin.

6.8.4 El Refrigerador y la Bomba de Calor de Carnot

El refrigerador y la bomba de calor de Carnot también operan con el ciclo de Carnot, pero están diseñados para intercambiar calor en el sentido opuesto al de la máquina térmica:

• Refrigerador de Carnot: Eficiencia definida como el coeficiente de rendimiento (COP), que es la relación entre el calor extraído del espacio frío y el trabajo realizado.
• Bomba de Calor de Carnot: También usa el COP, pero aquí se busca maximizar la transferencia de calor al espacio caliente respecto al trabajo realizado.

6.9 Ciclo Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico cerrado que opera con gas ideal y es conocido por su alta eficiencia teórica. El ciclo consta de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos, similares al ciclo de Carnot pero con una disposición diferente de los intercambiadores de calor y los procesos.

6.10 Ciclo Ericsson

El ciclo Ericsson es otro ciclo termodinámico teórico que también consta de dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos. Se diferencia del ciclo Stirling en que utiliza procesos isotérmicos en diferentes etapas del ciclo, lo que puede llevar a una mayor eficiencia en ciertos casos.

6.11 Desigualdad de Clausius

La desigualdad de Clausius formaliza la Segunda Ley de la Termodinámica en términos matemáticos. Se expresa como:

$\Delta S \geq \frac{Q}{T}$

donde $\Delta S$ es el cambio en la entropía del sistema, $Q$ es el calor transferido y $T$ es la temperatura absoluta. La desigualdad implica que la entropía total de un sistema aislado nunca disminuye durante un proceso espontáneo.

6.12 Entropía

La entropía es una medida de la dispersión del calor en un sistema y un indicador del desorden o aleatoriedad. Es una función de estado que aumenta en procesos irreversibles y está relacionada con la dirección de los procesos espontáneos. Se puede calcular para diferentes tipos de procesos, como cambios de fase o reacciones químicas.

6.13 El Principio del Incremento de Entropía

Este principio establece que en un sistema aislado, la entropía nunca disminuye; en cualquier proceso espontáneo, la entropía total (sistema + entorno) aumenta. Esto refleja la irreversibilidad de los procesos naturales y la tendencia hacia el desorden.

6.14 Diagramas T–S y H–S

• Diagrama T–S (Temperatura vs. Entropía): Representa las relaciones entre la temperatura y la entropía durante los procesos termodinámicos. Es útil para visualizar el ciclo de Carnot y otros ciclos termodinámicos.

• Diagrama H–S (Entalpía vs. Entropía): Utilizado para representar cambios en entalpía y entropía, especialmente en procesos de cambio de fase y en el análisis de sistemas de flujo.

6.15 Ecuaciones Tds

6.15.1 Ecuaciones Gibbsianas

Las ecuaciones Tds son derivadas de la Segunda Ley de la Termodinámica y se utilizan para calcular el cambio en la entropía ($ds$) en función de la temperatura ($T$) y otros parámetros. Las ecuaciones Gibbsianas son:

$dS = \frac{dU + PdV}{T}$

donde $dS$ es el cambio en la entropía, $dU$ es el cambio en la energía interna, $P$ es la presión y $dV$ es el cambio en el volumen. Estas ecuaciones ayudan a calcular el cambio de entropía en diferentes procesos termodinámicos.

6.16 El Cambio de Entropía de Sustancias Puras

Para sustancias puras, el cambio de entropía se calcula durante procesos como la vaporización, fusión o sublimación. Estos cálculos requieren tablas termodinámicas y fórmulas específicas para cada tipo de sustancia.

6.17 El Cambio de Entropía de Líquidos y Sólidos

El cambio de entropía en líquidos y sólidos se analiza en función de la temperatura y la presión durante los procesos de cambio de fase. Estos cambios son importantes para comprender la eficiencia de los procesos termodinámicos que involucran estas fases.

6.18 El Cambio de Entropía de Gases Ideales

Para los gases ideales, el cambio de entropía puede ser calculado utilizando las ecuaciones derivadas de la teoría de gases ideales. La fórmula general es:

$\Delta S = nR \ln \frac{V_f}{V_i} + nC_V \ln \frac{T_f}{T_i}$

donde $n$ es el número de moles, $R$ es la constante de gas ideal, $C_V$ es la capacidad calorífica a volumen constante, $T_f$ y $T_i$ son las temperaturas final e inicial, y $V_f$ y $V_i$ son los volúmenes final e inicial.

6.19 Eficiencias Adiabáticas de Algunos Dispositivos de Flujo Permanente

En dispositivos de flujo permanente, como compresores y turbinas, la eficiencia adiabática se refiere a la eficiencia con la que estos dispositivos realizan trabajo bajo condiciones ideales. La eficiencia adiabática se calcula comparando la energía ideal (sin pérdidas) con la energía real observada.

Estos conceptos cubren una amplia gama de principios fundamentales y aplicaciones en termodinámica, ofreciendo una base sólida para el estudio y análisis de sistemas energéticos.