Ciclos Termodinámicos Directo e Inverso

Un ciclo termodinámico directo es el conjunto de transformaciones termodinámicas de un sistema que recupera las condiciones iniciales después de haber realizado un trabajo sobre otros sistemas. Supone que el sistema es un fluido o gas ideal perfecto, que funciona en una máquina perfecta sin ningún tipo de pérdidas. Es característico de los motores térmicos.

El ciclo termodinámico inverso persigue el efecto contrario al ciclo termodinámico directo de obtención de trabajo: se aporta trabajo externo al ciclo para conseguir que la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la más caliente, es decir, en el sentido no espontáneo del proceso. Es característico de las máquinas de aire acondicionado o refrigeración y las bombas de calor.

Entropía

Es la medida de la proximidad de un sistema al equilibrio o del grado de desorden (espacial y térmico) del sistema.

La entropía, así como la energía interna, no se puede determinar de forma absoluta S, sino que lo que se mide es la variación de entropía, ∆S, es decir, la diferencia entre la entropía final de un sistema Sf y la entropía inicial del mismo Si.

Procesos Reversibles e Irreversibles

Un proceso es reversible si las transformaciones que tienen lugar en él se realizan mediante sucesión de estados de equilibrio del sistema con su entorno, de modo que es posible devolver al sistema y a su entorno el estado inicial por el mismo camino. En los procesos reversibles la entropía se mantiene constante. Lógicamente, el calor intercambiado de forma reversible o ideal es siempre mayor que el calor intercambiado en los procesos reales. ∆S = 0.

Si un proceso no cumple estas condiciones se llama irreversible, en este caso ∆S > 0. En los procesos reversibles se produce siempre un aumento de entropía.

Tercer Principio de la Termodinámica

Este principio surge del estudio del comportamiento termodinámico de los sistemas a bajas temperaturas. Se ha comprobado experimentalmente que, cuanto más se enfría un sistema, más difícil es seguir enfriándolo.

0 K = – 273,15 ºC CERO ABSOLUTO.

Partiendo de los hechos, el tercer principio se enuncia así: el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de procesos físicos. Es posible acercarse indefinidamente a él, pero nunca se puede llegar a alcanzar.

Cuando nos aproximamos al cero absoluto, la entropía del sistema se hace independiente de las variables que definen su estado. Esto supone que la entropía de un cristal o una sustancia pura en equilibrio termodinámico es nula en el cero absoluto.

Máquina Térmica Ideal de Carnot

El ciclo de Carnot, que corresponde a la máquina de Carnot, está constituido por dos transformaciones isotermas reversibles, correspondientes a los focos frío y caliente, y dos transformaciones adiabáticas, también reversibles. Durante las transformaciones isotermas el sistema absorbe y cede calor a temperatura constante.

En las transformaciones adiabáticas el sistema intercambia trabajo.

Este ciclo ideal, que describe un sistema formado por un gas ideal sometido a un proceso de expansión-compresión, comprende cuatro etapas reversibles:

• 1-2: Expansión Isoterma: El gas absorbe una cantidad de calor Q1 del foco caliente, a temperatura T1, realiza un trabajo sobre el exterior y aumenta su volumen de V1 a V2.
• 2-3: Expansión Adiabática: La temperatura del gas desciende de T1 a T2, realiza un trabajo sobre el exterior, y aumenta de nuevo su volumen de V2 a V3.
• 3-4: Compresión Isoterma: El gas cede una cantidad de calor Q2 al foco frío, a temperatura T2, recibe un trabajo del exterior y disminuye su volumen de V3 a V4.
• 4-1: Compresión Adiabática: La temperatura del gas aumenta de T2 a T1, recibe un trabajo exterior, y disminuye de nuevo su volumen de V4 a V1. Esta fase cierra el ciclo.

Es decir, el trabajo total de una máquina de Carnot equivale al área delimitada por las cuatro transformaciones termodinámicas. Lo mismo sucede con el calor neto total intercambiado.

La máquina de Carnot es ideal o perfecta, lo que significa que convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico.

Como se trata de un ciclo cerrado donde coinciden los puntos inicial y final, y de acuerdo con el primer principio, el balance calorífico será:

Primer Teorema de Carnot

El rendimiento de una máquina de Carnot que funcione entre dos focos térmicos es superior al de cualquier máquina real funcionando entre los mismos puntos.

Segundo Teorema de Carnot

Cualquier máquina reversible que funcione entre los mismos focos tiene el mismo rendimiento sea cual sea el fluido con el que trabaje.

Para una máquina real, se concluye que es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme íntegramente el calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente, por lo que su rendimiento siempre será menor que la unidad (entre el 30 y el 40 %). Las pérdidas de energía se deben a fenómenos de rozamiento por fricción, conducción o radiación, entre otras.

Máquinas Térmicas Directas e Inversas

Máquinas Térmicas Directas

El enunciado de Kelvin-Planck se puede formular: Es imposible que una máquina térmica extraiga calor de un foco caliente y lo convierta íntegramente en trabajo sin que ceda parte de ese calor a otro foco de menor temperatura o foco frío.

Máquinas Térmicas Inversas

El enunciado de Clausius, aplicado a una máquina inversa térmica, se puede formular del siguiente modo: Es imposible que una máquina térmica extraiga calor de un foco frío y lo ceda todo a un foco caliente, sin recibir un trabajo mecánico adicional desde el exterior.

al desde el exterior.