PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES El enunciado de

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES
TERMODINÁMICA
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El enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley exige que el rendimiento térmico de todos los motores
térmicos sea menor que el 100 por 100.
No es posible que un dispositivo que funcione cíclicamente reciba energía mediante transferencia de calor sólo desde una fuente
térmica y entregue una cantidad equivalente de Energía en forma de trabajo al entorno
Sin embargo, no ha sido establecido ningún valor límite máximo. La termodinámica también proporciona una
expresión para el límite superior teórico del rendimiento térmico. Para obtener una relación general es
necesario en primer lugar describir qué se entiende por motor térmico “ideal”. Esto precisa una introducción
al concepto reversibilidad y de proceso reversible. En general, un proceso totalmente reversible se define
como:
Un proceso que se origina a partir de un estado de equilibrio inicial se dice completamente reversible
si en cualquier instante durante el proceso, tanto el sistema como el ambiente con el que interacciona
pueden ser devueltos a sus estados iniciales.
El concepto de reversibilidad total, por su definición, exige una capacidad de reestablecimiento. Pero esta
exigencia, aplicada tanto al sistema como al medio ambiente, es excesivamente fuerte. Normalmente,
durante un proceso dado, el interés se centra exclusivamente en el sistema que evoluciona. Por ejemplo, un
proceso cuasiestático requiere condiciones de equilibrio en el interior de las fronteras del sistema, pero no
impone ninguna restricción sobre los efectos que puedan tener lugar en los alrededores. Sin embargo, un
proceso totalmente reversible exige algo de esos alrededores.
Al la vista del análisis de las interacciones de trabajo, cualquier forma de trabajo cuasiestático, como el
trabajo en la frontera, puede efectuarse mediante una serie de etapas en equilibrio. Sólo en estas
circunstancias el trabajo comunicado por el sistema podrá ser igual al trabajo comunicado al sistema en el
camino inverso. Considérese, por ejemplo, el dispositivo cilindro-embolo que contiene un gas y que está
conectado a un volante como se muestra en la figura 1a).
a) Émbolo-volante
Fig.1
b) Tobera-difusor subsónico
El émbolo se supone sin fricción, y tanto el cilindro como el émbolo están perfectamente aislados
térmicamente. Si se realizase una expansión por medio de pequeñas disminuciones en la fuerza exterior
resistente, propiedades como la presión y temperatura cambiarían lenta y uniformemente en el gas. Por
tanto, el trabajo de salida sería igual a la integral de P dV, y se podría almacenar una cantidad equivalente
de energía en la forma de energía cinética de rotación del volante. Ahora el proceso se podría invertir
quitando lentamente energía al volante y comprimiendo el gas mediante una serie de pequeños incrementos
de la presión. Cuando el gas alcanza su presión inicial, la energía extraída del volante será exactamente
igual a la añadida inicialmente durante el proceso de expansión. Además, el trabajo de compresión será
igual al trabajo de expansión del gas. Como el sistema y su entorno han vuelto a sus estados iniciales, el
proceso descrito es totalmente reversible. Como enunciado general, para los mismos estados inicial y final,
en una interacción totalmente reversible el valor del trabajo en el camino inverso es numéricamente igual al
valor en el camino original o directo pero de signo opuesto.
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Esta afirmación que considera las interacciones de trabajo durante un proceso totalmente reversible puede
extenderse igualmente a las interacciones de calor. Para un sistema cerrado, como el gas encerrado en el
dispositivo cilindro-émbolo analizado anteriormente, las variaciones de U para los caminos directo e inverso
son iguales en magnitud, pero de signo opuesto, debido a que U es una propiedad del sistema. El principio
de conservación de la energía para el sistema establece que ¨8 = Q + L. Por tanto, la siguiente afirmación
debe ser válida: Como consecuencia de la definición de proceso totalmente reversible, es inherente a todo
proceso totalmente reversible que todas las interacciones de calor y trabajo que tengan lugar durante el
proceso original (directo) sean iguales en magnitud, pero de sentido opuesto, durante el proceso inverso. De
este modo, el sistema no deja historia en su entorno cuando ingresa a su estado inicial.
El concepto de reversibilidad total puede aplicarse también a sistemas abiertos. Como segundo ejemplo,
considérese el flujo estacionario a través de una tobera adiabática y sin fricción (fig.1.b).
La aplicación del principio de conservación de la energía muestra que la entalpía del fluido disminuye
mientras que su energía cinética aumenta. Si después de la tobera se coloca un difusor adiabático y sin
fricción, entonces el fluido puede ser devuelto a un estado idéntico al que tenía a la entrada a la tobera. El
difusor incrementa la entalpía del fluido a expensas de disminuir su energía cinética. Como el entorno no se
ve envuelto en el proceso, la transformación descrita es reversible. Hay otros ejemplos de proceso
reversibles, y entre ellos están el péndulo ideal y el circuito capacitivo-inductivo puro), así como el muelle
perfectamente elástico (véase fig.2). Por consiguiente muchos de los conceptos básicos de la física
elemental pueden emplearse para idear procesos totalmente reversibles.
i
a) Péndulo ideal
L
b) circuito capacitivo-inductivo
Fig.2
El proceso totalmente reversible es una idealización. Es un concepto que a veces puede aproximarse con
gran precisión por dispositivos reales, pero que nunca se iguala. Hay dos razones fundamentales por las
que los procesos reales nunca serán verdaderamente reversibles. En primer lugar, se requiere la ausencia
de fricción entre sólidos en las superficies de contacto de émbolos, volantes y otros dispositivos mecánicos.
Un péndulo exige, además, la ausencia de rozamiento del aire, que es un tipo de fricción fluida. Un circuito
capacitivo-inductivo no debe contener ningún elemento resistivo, y un muelle debe estar hecho de un
material elástico ideal (para cumplir la ley de Hooke). En los casos reales, estos efectos de fricción,
resistencia eléctrica y falta de elasticidad pueden reducirse de forma sustancial, pero es imposible su
eliminación completa. Estos fenómenos físicos, de forma colectiva, se conocen como efectos disipativos,
debido a que en todos los casos una parte de la energía del sistema se convierten disipa en una forma
menos útil.
Debe satisfacerse un segundo criterio para que un proceso que incluya a un sistema y su entorno local sea
totalmente reversible. En el análisis precedente de la combinación cilindro-émbolo y volante era necesario
realizar la expansión y compresión del gas en una serie de etapas en equilibrio. De otra forma, el trabajo de
salida y el suministrado no serían los mismos, y el proceso no sería reversible. La exigencia de que el
proceso sea cuasiestático para ser reversible es general. Por tanto, durante el proceso solo están presentes
fuerzas no equilibradas infinitesimales. Por ejemplo, la transferencia de calor es no reversible si se debe a
una diferencia finita de temperaturas ¨7. La transferencia de calor se hace reversible si la diferencia de
temperaturas entre los sistemas que intervienen tiene un valor dT.
Un proceso global es irreversible si el sistema o su entorno no pueden ser devueltos a sus estados iniciales.
Cualquier sistema que se retorna a su estado inicial después de un proceso con irreversibilidades dejaría en
su entorno una historia debido precisamente a esas irreversibilidades. Estas surgen de dos fuentes:
1. La presencia de efectos disipantes inherentes.
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2. La presencia de procesos no cuasiestáticos.
La presencia de cualquiera de esta clase de efectos es suficiente para hacer irreversible un proceso. Ya que
todos los procesos reales incluyen tales efectos, el proceso totalmente reversible es un proceso límite al que
todos los procesos reales pueden aproximarse en su comportamiento, pero nunca igualarlo.
Que un proceso dado es totalmente reversible probablemente se reconozca mejor determinando si durante
el proceso tienen lugar irreversibilidades. La mayoría de las irreversibilidades caen dentro de la categoría de
la experiencia común e incluyen
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15.
Resistencia eléctrica
Deformación inelástica.
Corriente viscosa de un fluido
Fricción -sólido-sólido.
Transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas.
Efectos de histéresis
Ondas de choque.
Amortiguación interna de un sistema vibrante.
Expansión libre de un fluido.
Corrientes fluidas a través de válvulas y de tapones porosos (estrangulamiento).
Reacciones químicas espontáneas.
Mezcla de gases o líquidos distintos.
Ósmosis
Disolución de una fase en otra
Mezcla de fluidos idénticos, inicialmente a diferentes presiones y temperaturas.
Esta lista ilustra dos puntos. Primero, los procesos que son parte de las experiencias cotidianas son todos
irreversibles. Segundo, estos procesos abarcan una gran variedad de efectos físicos y químicos.
La ausencia de efectos disipantes inhererentes y de efectos de no-equilibrio en un sistema y en su entorno
conduce al concepto de proceso totalmente reversible. Con frecuencia tiene ventajas el considerar procesos
en los que dentro del sistema no existen irreversibilidades, pero que no necesariamente deben de estar
ausentes del entorno. Tales procesos se conocen como internamente reversibles. Cualquier interacción
de trabajo que tenga lugar durante un proceso internamente reversible debe ser cuasiestática. Por tanto, no
están permitidas las interacciones de trabajo no-cuasiestático asociadas con ruedas de paletas o
resistencias eléctricas dentro del sistema, ya que estos efectos son por naturaleza irreversibles. Un proceso
internamente reversible puede invertir su camino exactamente, cambiando simplemente el sentido de todas
sus interacciones en la frontera. Finalmente, un proceso externamente reversible es aquel en el que las
irreversibilidades pueden estar presentes en el interior del sistema de interés, pero el entorno con el que
interacciona debe experimentar solo cambios reversibles. Tanto los procesos totalmente reversibles como
los internamente reversibles juegan un papel importante en el estudio de la termodinámica. La utilidad del
concepto de proceso reversible se hará patente con la aplicación repetida a diferentes situaciones.
Fuente Térmica: se la definió como un sistema cerrado que intercambia energía con el medio
(Si la cede es fuente, si la recibe es sumidero) a T = cte. Ahora se puede completar la definición añadiendo:
• Su temperatura durante el proceso permanece uniforme y constante.
• Todos los cambios dentro de la fuente térmica son internamente reversibles.
En teoría no hay efectos disipantes dentro de una fuente térmica y el sistema se equilibra rápidamente para
mantener una temperatura uniforme. Así pues, cualquier cambio en el estado de una fuente térmica ocurre
de manera internamente reversible.
“La teoría es cuando algo no funciona, pero se sabe el porqué. La práctica es cuando algo funciona, pero no se sabe el
porqué.
Aquí se conjuga la teoría con la práctica: Nada funciona y nadie sabe porqué”
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