Segunda Ley de la Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica es un
principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las
limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden
visualizar en términos de la analogía con la cascada
La máxima eficiencia que se puede conseguir es la eficiencia de Carnot.
Ciclo de Carnot
El ciclo de motor térmico más eficiente es el
ciclo de Carnot, consistente en dos procesos isotérmicos y dos procesos adiabáticos. El ciclo de Carnot se puede considerar
como, el ciclo de motor térmico más eficiente permitido por las leyes físicas.
Mientras que la segunda ley de la termodinámica dice que no todo el calor
suministrado a un motor térmico, se puede usar para producir trabajo, la
eficiencia de Carnot establece el valor límite de la fracción de calor que se
puede usar.
Con el fin de acercarse a la eficiencia de
Carnot, los procesos que intervienen en el ciclo del motor de calor deben ser
reversibles y no implican cambios en la entropía. Esto significa que el ciclo de Carnot es una
idealización, ya que no hay procesos de motores reales que sean reversibles y
todos los procesos físicos reales implican un cierto aumento de la entropía.
Las temperaturas en la expresión de la
eficiencia de Carnot deben darse en Kelvin.
El valor conceptual del ciclo de Carnot es
que, establece la máxima eficiencia posible para un ciclo de motor operando
entre TH y TC. No es un ciclo de motor práctico,
porque la transferencia de calor en el motor en el proceso isotérmico es
demasiado bajo para ser un valor práctico. Como dice Schroeder "no se
moleste en instalar una máquina de Carnot en su coche; además de que aumentaría
el consumo de gasolina en la carretera, sería adelantado por los
peatones".
Análisis
cualitativo: La segunda ley de la termodinámica es un principio profundo
de la naturaleza, que afecta a la forma que podemos usar la energía. Existen
varios enfoques para expresar este principio cualitativo. Aquí se exponen
algunos métodos para dar el sentido básico de este principio.
1. El
calor no fluirá espontáneamente desde un objeto frío hacia un objeto caliente.
2. Cualquier
sistema libre de influencias externas, se vuelve más desordenado con el tiempo.
Este desorden se puede expresar en términos de una cantidad llamada entropía.
3. No se
puede crear un motor térmico, que extraiga calor y lo convierta todo en trabajo.
4. Hay
un cuello de botella que limita los dispositivos que convierten energía
almacenada en calor y luego usar el calor para producir trabajo. Para una
determinada eficiencia mecánica de dispositivos, una máquina que incluya en uno
de sus pasos una conversión a calor, será inherentemente menos eficiente que
una que sea puramente mecánica.
Motores Térmicos:
La segunda ley de termodinámica: es imposible
extraer una cantidad de calor QH de un foco caliente, y usarla
toda ella para producir trabajo. Alguna cantidad de calor QC debe
ser expulsada a un foco frío. Esto se opone a un motor térmico perfecto.
A veces se denomina la "primera
forma" de la segunda ley, y es conocida como el enunciado de la segunda
ley de Kelvin-Planck.
El refrigerador o frigorífico
Si colocamos una mano sobre la parte trasera
de un frigorífico en funcionamiento, notaremos que esta zona está más caliente
que la temperatura de la habitación. O si estamos de pié frente a un
frigorífico, podemos notar que sopla aire caliente sobre nuestros pies. ¡Sin
embargo el interior del compartimento de congelación está muy frío!.
El frigorífico o refrigerador, está tomando
energía del compartimento de congelación, haciéndolo más frio, y expulsando ese
calor hacia la habitación haciéndola más caliente.
Un frigorífico es un motor térmico en el cual se realiza trabajo sobre la
sustancia refrigerante, con el propósito de sacar energía desde un área fría y
volcarla en una región de temperatura mas alta, enfriando por consiguiente
todavía más la región fría.
Los frigoríficos usan hidrocarburos fluorados
con nombres comerciales como el freón-12, el freón-22, etc, que se fuerzan a
evaporarse y luego a condensarse, mediante sucesivas bajadas y subidas de su
presión. De esta manera, pueden "bombear" energía desde una región
fría a una región más caliente, por medio de la extracción de su calor de vaporización desde una región fría, y volcarla
sobre una región más caliente fuera del frigorífico. Las explicaciones acerca
de los frigoríficos, se aplican a los acondicionadores de aire, y a las bombas de calor, que encarnan los mismos principios.
Aunque este proceso funciona muy bien y ha
estado en vigor durante décadas, la mala noticia de esto es que los
hidrocarburos fluorados liberados en la atmósfera, son potentes agentes para la
destrucción de la capa de ozono en la atmósfera superior. Por lo tanto, las
restricciones sobre su uso son cada vez más y más fuertes.
Bomba de Calor
Una bomba de calor es un dispositivo que
aplica trabajo externo para extraer una cantidad de calor QC de
un foco frío y entregar calor QH a un foco caliente. La bomba
está sujeta a las mismas limitaciones de la segunda ley de la termodinámica como cualquier otro motor
térmico, y por lo tanto se puede calcular la máxima eficiencia a partir del ciclo de Carnot. Las bombas de calor, se caracterizan
normalmente por un coeficiente de rendimiento (COP), que es el número de
unidades de energía entregada al foco caliente, por unidad de trabajo de
entrada.
Nota: En el cálculo del coeficiente de rendimiento, o cualquier otra
cantidad relacionada con los motores térmicos, las temperaturas se deben tomar
en valores absolutos (grados Kelvin).
Flujo de Energía en la Bomba de Calor
Con el objetivo de calentar una casa, la bomba de calor eléctrica puede superar el cuello de botella impuesto por la segunda ley de la termodinámica. Como muestra la ilustración,
una bomba de calor puede proporcionar más calor a una casa, que la quema dentro
de la casa, del combustible primario al 100% de eficiencia. Es una eficiencia
mayor que la de un típico horno de aire forzado de gas natural, quemando
directamente el combustible primario en el interior de la casa. Esta
comparación no es del todo justa para el gas natural, sin embargo, ya se puede
comprar hornos de gas natural que proporcionan energía de calefacción con
eficiencias superiores al 90%.
Comentario sobre: Acondicionadores de Aire y Bombas de
Calor
Los acondicionadores de aire y las bombas de calor son motores térmicos como el refrigerador (frigorífico). Hacen buen uso de la alta
calidad y flexibilidad de la energía eléctrica, de la que puede usar una unidad
de energía eléctrica, para transferir más de una unidad de energía calorífica
desde una zona fria a una zona caliente. Por ejemplo, un calefactor de
resistencia eléctrica, usando 1 kilovatio-hora de energía eléctrica, puede
transferir solamente 1 Kwh de energía para calentar la casa al 100 % de
eficiencia. Pero 1 kWh de energía usado en una bomba de calor, podría
"bombear" 3 kWh de energía, desde un entorno exterior frio hacia la
casa para calentarla. La proporción entre la energía transferida y la energía
electrica usada en el proceso, se llama coeficiente de rendimiento (COP). Un COP típico de una bomba
de calor comercial, está entre 3 y 4 unidades transferidas, por unidad de
energía eléctrica suministrada.
El Ciclo Otto
Una versión esquemática del ciclo del motor de cuatro
tiempos
Ciclos de Motor
Para una masa constante de gas, la operación
de un motor térmico es un ciclo repetitivo y su diagrama PV será un bucle cerrado. Abajo se ilustra la
idea de un ciclo de motor para una de las clases más simples de ciclo. Si el
ciclo opera en el sentido horario mostrado en el diagrama, el motor usa el
calor para hacer trabajo. Si operase en sentido antihorario, usaría el trabajo
para transportar calor, y por consiguiente estaría actuando como un refrigerador o una bomba de calor.
El motor Diesel
El motor de combustión interna diesel se
diferencia del motor de ciclo Otto de gasolina, por el uso de una mayor
compresión del combustible para encenderlo, en vez de usar bujías de encendido
("encendido por compresión" en lugar de "encendido por
chispa").
En el motor diesel, el aire se comprime adiabáticamente
con una proporción de compresión típica entre 15 y 20. Esta compresión, eleva
la temperatura al valor de encendido de la mezcla de combustible que se forma,
inyectando gasoil una vez que el aire está comprimido.
El ciclo estándar de aire ideal, se organiza
como un proceso adiabático reversible, seguido de un proceso de combustión presión constante, luego una expansión adiabática para una
descarga de potencia, y finalmente una expulsión de humos isovolumétrica. Al final de la expulsión de humos, se toma una
nueva carga de aire tal como se indica en el proceso a-e-a del diagrama.
Puesto que la compresión y la descarga de
potencia de este ciclo idealizado son adiabáticos, se puede calcular la
eficiencia a partir de los procesos a presión y a volumen constantes. Las energías
de entrada y salida y la eficiencia, se pueden calcular a partir de las
temperaturas y calores específicos:
El término
"encendido por compresión" se usa típicamente en la literatura
técnica para describir motores modernos, llamados usualmente "motores
diesel". Esto está en contraposición con "encendido por chispa",
de los típicos motores de gasolina de los automóviles, que operan en un ciclo
derivado del ciclo Otto. Rudolph Diésel patentó el ciclo de encendido por
compresión que lleva su nombre desde la década de 1890.
