República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria

U.N.E. “Rafael María Baralt”

Termodinámica Básica

Sección 1

Integrantes

Esquema

Segunda Ley de la termodinámica

1. Depósitos de energía térmica y la segunda ley de termodinámica

2. Enunciado de Kelvin Planck.

2.1 Maquinas térmicas- Fluido de trabajo.

- Eficiencia de las maquinas térmicas.

- Ciclo termodinámico.

- Maquinas que producen trabajo y operan en un ciclo

termodinámico (Maquinas de combustión externa: central eléctrica

de vapor, maquinas de vapor, etc.).

- Maquinas que producen trabajo y no operan en un ciclo

termodinámico (Maquinas relacionadas con la combustión interna:

turbinas de gas, motores, etc.).

3. Enunciado de Clausius.

3.1 Refrigeradores

- Fluido refrigerante.

- Ciclos de refrigeración.

- Coeficientes de desempeño.

3.2 Acondicionadores de aire.

3.3 Bombas de calor.

- Coeficiente de desempeño.

3.4 Medición del desempeño de los refrigeradores, acondicionadores

de aire y bombas.

4. Procesos reversibles e irreversibles.

4.1 Definición de procesos reversibles e irreversibles.

4.2 Irreversibilidad.

- Fricción.

- Expansión libre.

- Mezclado de dos fluidos.

- Transferencia de calor a través de una diferencia de

temperaturas finitas.

- Resistencia eléctrica.

- Deformación inelástica de sólidos.

- Reacciones químicas.

4.3 Procesos interna y externamente reversibles.

- Ciclo de Carnot y sus procesos reversibles.

- Principios de Carnot.

- Maquina térmica de Carnot: Eficiencia de Carnot y calidad de

energía.

- El refrigerador y la bomba de calor de Carnot. Coeficientes de

desempeño.

La Entropía

1. La entropía como variable de estado.

2. Incremento de la entropía.

3. Cambios de entropía en proceso reversible e irreversible.

4. Balance de entropía.

5. Mecánico de transferencia de entropía.

DESARROLLO

1. Depósitos de energía térmica y la segunda ley de termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica

El segundo principio de la termodinámica dictamina que si bien la materia

y la energía no se pueden crear ni destruir, sí que se transforman, y

establece el sentido en el que se produce dicha transformación. Sin

embargo, el punto capital del segundo principio es que, como ocurre con

toda la teoría termodinámica, se refiere única y exclusivamente a estados de

equilibrio. Toda definición, corolario o concepto que de él se extraiga sólo

podrá aplicarse a estados de equilibrio, por lo que, formalmente, parámetros

tales como la temperatura o la propia entropía quedarán definidos

únicamente para estados de equilibrio. Así, según el segundo principio,

cuando se tiene un sistema que pasa de un estado de equilibrio A a otro B, la

cantidad de entropía en el estado de equilibrio B será la máxima posible, e

inevitablemente mayor a la del estado de equilibrio A. Evidentemente, el

sistema sólo hará trabajo cuando esté en el tránsito del estado de equilibrio A

al B y no cuando se encuentre en uno de estos estados. Sin embargo, si el

sistema era cerrado, su energía y cantidad de materia no han podido variar;

si la entropía debe de maximizarse en cada transición de un estado de

equilibrio a otro, y el desorden interno del sistema debe aumentar, se ve

claramente un límite natural: cada vez costará más extraer la misma cantidad

de trabajo, pues según la mecánica estadística el desorden equivalente debe

aumentar exponencialmente.

Depósitos de energía térmica.

En el desarrollo de la segunda ley de la termodinámica es conveniente tener un cuerpo

hipotético grande que pueda suministrar o absorber cantidades finitas de calor sin que

sufra ningún cambio de temperatura, al que se le conoce como depósito de energía

térmica.

En la práctica, los grandes cuerpos de agua como los océanos, lagos y ríos, así como el

aire atmosférico, pueden modelarse con exactitud como depósitos de energía térmica

debido a sus grandes capacidades de almacenamiento de energía térmica. La

atmósfera, por ejemplo, no se calentará debido a las pérdidas térmicas provenientes de

residencias en el invierno, igualmente, la energía desechada por las centrales eléctricas

en los ríos no ocasiona un cambio significativo en la temperatura del agua.

Los depósitos de energía térmica pueden ser: Fuentes de Calor o Sumideros de

Calor según la dirección de la transferencia de calor sea desde ellos o hacia ellos. Como

un resultado de esa transferencia de calor se produce una disminución o aumento de la

energía interna del depósito.

En general, los depósitos de energía térmica son sistemas cerrados que se caracterizan

por:

- Las únicas interacciones dentro de ellos son las interacciones térmicas

- Los cambios que ocurren dentro de los depósitos son internamente reversibles

- Su temperatura debe permanecer uniforme y constante durante un proceso.

2. Enunciado de Kelvin Planck

Debido a que las máquinas térmicas deben liberar calor en un depósito de baja

temperatura para completar su ciclo termodinámico y no pueden convertir todo el calor

que reciben en trabajo, Kelvin–Planck postula lo siguiente: “Es imposible para un

dispositivo que funcione en un ciclo recibir calor de un solo depósito

y producir una cantidad neta de trabajo”. Es decir, para mantenerse en operación

una máquina térmica debe intercambiar calor tanto con un sumidero de baja temperatura

como con una fuente de alta temperatura. El enunciado de Kelvin–Planck también se

expresa como:

“Ninguna máquina térmica puede tener una eficiencia térmica de 100 %, o

para que una planta de energía funcione, el fluido de trabajo debe

intercambiar calor con el ambiente y con la fuente de temperatura alta”.

2.1 Maquinas térmicas

Son dispositivos que operan en ciclo termodinámico y que producen una cantidad neta

de trabajo positivo intercambiando calor desde un cuerpo de alta temperatura hacia uno

de baja temperatura. En un sentido más amplio, las máquinas térmicas incluyen todos

los dispositivos que producen trabajo ya sea por intercambio de calor o por combustión,

incluso sino operan en un ciclo. En general, se define una máquina térmica como un

sistema cerrado que produce trabajo intercambiando calor a través de sus fronteras.

Las máquinas térmicas y otros dispositivos cíclicos suelen incluir un fluido al y desde el

cual el calor se transfiere mientras se somete a un ciclo. Este fluido recibe el nombre de

fluido de trabajo.

- Fluido de trabajo. Un fluido de trabajo es un gas a presión o líquido que

acciona una máquina. Los ejemplos incluyen vapor de agua en una máquina

de vapor, el aire en un motor de aire caliente y fluido hidráulico en un motor

hidráulico o un cilindro hidráulico. Más en general, en un sistema

termodinámico, el fluido de trabajo es un líquido o gas que absorbe o

transmite la energía.

- Eficiencia de las maquinas térmicas. Siempre que se hable de máquinas térmicas

se hablará de rendimiento térmico o eficiencia que, no es más que el cociente de lo

producido y el consumo. La energía producida en un ciclo de potencia es el trabajo neto;

la energía consumida es el calor añadido a la sustancia de trabajo desde una fuente

exterior de calor. El trabajo neto (W) es la diferencia entre el trabajo que sale y el trabajo

que entra ya que parte del trabajo que se produce es para alimentar la bomba del

sistema (Wentra)

La eficiencia de una máquina térmica se denota como ηt, y mide la razón entre lo que

obtenemos de la máquina (el trabajo), y lo que le suministramos o “pagamos” como

combustible quemado, el calor Q H, durante cada ciclo.

Eficiencia o Rendimiento térmico:

-Ciclo termodinámico. Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie

de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos,

el sistema regresa a su estado inicial; es decir , que la variación de las

magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo

anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema,

sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho

característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la

termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema

debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.

- Maquinas que producen trabajo y operan en un ciclo termodinámico

(Maquinas de combustión externa: central eléctrica de vapor, maquinas de

vapor, etc.).

Maquinas de combustión externa: La combustión se realiza en el exterior de

la propia maquina.

a. Central eléctrica de vapor. es una instalación empleada en la

generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en

forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles

fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado

por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y

producir energía eléctrica.

b. Máquina de vapor. es un motor de combustión externa que transforma

la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica. En

esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

1. Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo

cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando

un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento

lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en

un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de

una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez

alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y

expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante

de inercia.

2. El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de

entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los

flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

- Maquinas que producen trabajo y no operan en un ciclo termodinámico

(Maquinas relacionadas con la combustión interna: turbinas de gas, motores,

etc.).

a. Turbinas de gas. Una turbina de gas, es una turbo máquina motora,

cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no

puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo máquinas térmicas.

Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya

que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus

características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se

habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando

se habla de vapores sí.

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo

Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje

cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es

un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son

máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.

La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor,

excepto que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera

fluye a través de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se

añade energía dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo

que la combustión genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta

temperatura y presión entra a una turbina, donde se expande disminuyendo

hasta la presión de salida, produciendo el movimiento del eje durante el

proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y otros

dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acoplados. La

energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual

tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad.

b. Motores de combustión interna: Un motor de combustión interna, motor a

explosión o motor a pistón, es un tipo de máquina que obtiene energía

mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde

dentro de la cámara de combustión. Su nombre se debe a que dicha

combustión se produce dentro de la propia máquina, a diferencia de, por

ejemplo, la máquina de vapor.

3. Enunciado de Clausius

En la segunda ley de la termodinámica existen dos enunciados clásicos: el enunciado

de Kelvin –Planck, relacionado con las máquinas térmicas y el enunciado de Clausius

relacionado con los refrigeradores y las bombas de calor. Clausius, postula lo siguiente:

“Es imposible construir un dispositivo que funcione en un ciclo y cuyo único

efecto sea producir la transferencia de calor desde un cuerpo de temperatura

más baja a un cuerpo de temperatura más alta”. De esta manera, el efecto neto

sobre los alrededores implica el consumo de alguna energía en forma de trabajo,

además de la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.

3.1 Refrigeradores. El enunciado de Clausius no implica que no sea posible construir

un dispositivo cíclico que transfiera calor de un medio frío a uno más caliente, sólo

establece que un refrigerador no operará a menos que su compresor sea accionado por

una fuente de energía externa, como un motor eléctrico. De esta forma, el efecto neto en

los alrededores implica el consumo de alguna energía en la forma de trabajo, además de

la transferencia de calor de un cuerpo más frío a uno más caliente.

- Fluido refrigerante: es un producto químico líquido o gaseoso, fácilmente

licuable, que es utilizado como medio transmisor de calor entre otros dos en

una máquina térmica. Los principales usos son los refrigeradores y

los acondicionadores de aire.

El principio de funcionamiento de algunos sistemas de refrigeración se basa

en un ciclo de refrigeración por compresión, que tiene algunas similitudes

con el ciclo de Carnot y utiliza refrigerantes como fluido de trabajo.

- Ciclos de refrigeración: El ciclo de refrigeración que se usa con más

frecuencia es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor, que incluye

cuatro componentes principales que son: compresor, condensador, válvula

de escape y evaporador.

Se puede representar un refrigerador de forma esquemática de la siguiente

manera:

QL: Es la magnitud de energía térmica extraída del espacio refrigerado a una

temperatura TL.

QH: Es la magnitud de energía térmica liberada al ambiente caliente una

temperatura TH.

W: Es la entrada de trabajo neto al refrigerador.

- Coeficiente de desempeño: La eficiencia de un refrigerador se expresa en

función del coeficiente de desempeño o coeficiente de operación (COP).

El objetivo de un refrigerador es quitar energía térmica QL del espacio

refrigerado. Para cumplir este objetivo requiere una entrada de trabajo. De

modo que el COP de un refrigerador puede expresarse como:

El valor COPK puede ser mayor que la unidad. Lo cual contrasta con la

eficiencia térmica que nunca puede ser mayor que uno.

3.2 Acondicionadores de aire. Los dispositivos de uso común en oficinas,

casas comerciales y automóviles son los acondicionadores de aire o equipo

de aire acondicionado, estos, básicamente son refrigeradores, cuyo espacio

refrigerado es un cuarto, un edificio o una cabina de automóvil en un lugar de

compartimiento de alimentos. Una unidad de acondicionamiento de aire tipo

ventana enfría un cuarto al absorber energía térmica del aire que está

contenido en el cuarto y lo desecha al exterior.

Los sistemas de acondicionamiento de aire que se equipan con controles

apropiados y una válvula de inversión operan como acondicionadores de aire

en verano y como bombas de calor en invierno.

3.3 Bombas de calor. Opera en el mismo ciclo que el refrigerador, pero su

objetivo es mantener un espacio calentado a alta temperatura, para ello

absorbe la energía térmica de un deposito de baja temperatura como el aire

frio del exterior en invierno y lo suministra a un medio de alta temperatura

como el interior de una casa.

- Coeficiente de desempeño. El coeficiente de desempeño de una

bomba de calor se define como:

De esta definición se tiene que el coeficiente de desempeño de una bomba

de calor y del refrigerador correspondiente se diferencia en 1.

y por tanto el coeficiente de desempeño de una bomba de calor es como

mínimo 1. Un valor de 1 quiere decir que no se extrae ningún calor del foco

frío, sino que simplemente se transforma trabajo en calor. Esto es lo que

hace, por ejemplo, una estufa de resistencia.

4. Procesos reversibles e irreversibles.

4.1 Definición de proceso reversible e irreversible.

4.1.1 Proceso reversible: Se denominan procesos reversibles a aquellos

que hacen evolucionar a un sistema termodinámico desde un estado de

equilibrio inicial a otro nuevo estado de equilibrio final a través de infinitos

estados de equilibrio.

De una manera simplificada, se puede decir que un proceso reversible es

aquel proceso que, después de ser llevado de un estado inicial a uno final,

puede retomar sus propiedades originales.

Estos procesos son procesos ideales, ya que el tiempo necesario para que

se establezcan esos infinitos estados de equilibrio intermedio sería infinito.

La variación de las variables de estado del sistema, entre uno de estos

estados de equilibrio intermedio y el sucesivo es una variación infinitesimal,

es decir, la diferencia que hay entre el valor de una de las variables en un

estado y el siguiente es un infinitésimo.

Un proceso reversible es aquel en que se puede hacer que el sistema vuelva

a su estado original, sin variación neta del sistema ni del medio exterior.

4.1.2 Proceso irreversible: Un proceso irreversible es el que no puede invertirse

por sí sólo, de forma espontánea y regresar a su estado original.

4.2 Irreversibilidad: Los factores que ocasionan la irreversibilidad de un proceso se

denominan irreversibilidades. Entre ellos están: la fricción, la expansión libre, la mezcla

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. 

- Fricción. Cuando dos cuerpos en contacto están obligados a moverse uno respecto

del otro, se genera una fuerza de fricción en la interfaz de los cuerpos que se opone al

movimiento y se requiere cierto trabajo para superarla. Cuando se invierte la dirección

del movimiento la interfaz no se enfriará y el calor no se convertirá de nuevo en trabajo,

por lo que el sistema (cuerpos en movimiento) y los alrededores no regresarán a su

estado original; por lo tanto es proceso es irreversible. La fricción no siempre implica dos

cuerpos sólidos en contacto, también puede aparecer entre un fluido y un sólido e incluso,

entre las capas de un fluido que se mueven a distintas velocidades.

- Expansión libre: La expansión libre es la expansión no restringida de un gas

dentro de un volumen. Durante esta expansión no hay transferencia de

trabajo con los alrededores, porque no hay movimiento en los límites o

fronteras del sistema.

- Mezcla de dos fluidos: Al romperse el tabique, ambos fluidos se mezclan.

Para separarlos nuevamente, un agente externo deberá realizar trabajo o

aportar calor.

- Transferencia de calor a través de una diferencia de temperaturas finitas.

La transferencia de calor solo sucede cuando hay una diferencia de

temperaturas entre un sistema y sus alrededores. Por consiguiente es

físicamente imposible tener un proceso de transferencia de calor reversible.

Pero dicho proceso se vuelve cada vez menos irreversible a medida que la

diferencia de temperatura de entre los dos cuerpos se acerca a cero.

-Resistencia eléctrica. Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de

oposición que tienen los electrones al desplazarse a través de un conductor.

-Deformación inelástica de sólidos. Modo de deformación en que el material

no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto

sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios

termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La

deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.

-Reacciones químicas. Un proceso presenta irreversibilidad química si

supone un cambio espontáneo de estructura química, densidad, fase, etc..

Como ejemplos podemos citar:

Todas las reacciones químicas.

Cambios de fase rápidos (como la solidificación de un líquido

sobreenfriado).

Difusión de dos gases, o de dos líquidos.

4.3 proceso interna y externamente reversible.

Un proceso representativo tiene que ver con interacciones entre un sistema y

sus alrededores, y uno reversible no conlleva irreversibilidades relacionadas

con cualquiera de ellos.

Un proceso se denomina internamente reversible si no ocurren

irreversibilidades dentro de la frontera del sistema durante el proceso.

Durante un proceso internamente reversible, un sistema pasa por una serie

de estado de equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el sistema pasa por

los mismos estados de equilibrio mientras vuelve a su estado inicial. Es decir

la trayectoria de los procesos inversos y directos coincide para un proceso

internamente reversible. El proceso de cuasi equilibrio es un ejemplo de un

proceso internamente reversible.

Un proceso se denomina externamente reversible si no ocurren

irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso la

transferencia de calor entre un deposito y un sistema es un proceso

extremadamente reversible y la superficie exterior del sistema esta a la

temperatura del deposito.

Este sistema se denomina a un proceso totalmente reversible o nada más

reversible si no tiene que ver con irreversibilidades dentro del sistema o sus

alrededores.

-Ciclo de Carnot

Es el proceso cíclico reversible que sigue un sistema y que consiste de

cuatro pasos: dos procesos adiabáticos según se indica a continuación.

Aunque nos referiremos a un gas, el sistema puede ser cualquier material,

incluso puede renovarse como ocurre en los motores de explosión.

*Expansión isotérmica a T H (1-2)

El sistema se pone en contacto con un baño caliente de temperatura TH

absorbiendo una cantidad de calor QH mientras se expande a la temperatura

del baño y por tanto realizando un trabajo W (1-2) y aumentando su entropía

justo en QH/TH.

* Expansión adiabática (2-3)

El sistema se aísla térmicamente y se sigue expandiendo adiabáticamente

hasta que baja la temperatura a TL. Mientras se expande realiza un trabajo

W (2-3) a expensas de la energía interna y se mantiene la entropía

constante.

*Compresión isotérmica a TH (3-4)

El sistema se pone en contacto con un baño frío de temperatura TL

cediendo una cantidad de calor QH mientras se comprime la temperatura del

baño y sufriendo un W (3-4) y disminuyendo su entropía QL/TL.

*Compresión adiabática (4-1)

El sistema se vuelve a aislar térmicamente y se sigue comprimiendo

adiabáticamente hasta que sube la temperatura mientras se comprime su

trabajo W (4-1) y se mantiene la entropía constante.

-Principio de Carnot

La segunda ley de la termodinámica restringe la operación de dispositivos

cíclicos según se expresa mediante los enunciados de kelvin-Planck y

Clausius una maquina térmica no puede operar intercambiando calor con un

solo deposito y un refrigerante no puede funcionar sin una entrada neta de

energía e una fuente externa. Todas las maquinas térmicas que sigan un

proceso reversible entre los mismos baños térmicos tienen igual rendimiento.

El rendimiento de una máquina térmica que siga un proceso irreversible entre

dos baños térmicos es menor que el rendimiento de cualquier máquina

térmica que siga un proceso reversible entre los dos mismos baños.

- Máquina térmica de Carnot

Es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo. En ella hay un

gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción

entre dos temperaturas. El ciclo termodinámico utilizado se denomina ciclo

de Carnot y fue estudiado por Sadi Carnot alrededor de 1820. Una máquina

de Carnot es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de

dos focos de temperatura.

Puede construirse a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido

a una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento

circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina

funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes

T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hacen

isotérmicamente, es decir, manteniendo la temperatura constante. Esta parte

del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una

expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor,

por lo que esta parte del ciclo es también reversible.

*Eficiencia de Carnot

Por que la maquina térmica de Carnot es la maquina reversible mejor

conocida. Esta es la eficiencia máxima que pueda tener una maquina térmica

que opera entre los dos depósitos de energía térmica a temperatura TL < TH.

Todas las maquinas térmicas irreversible (es decir, reales) que operan entre

estos limites (TL < TH) tienen eficiencias menores. Una maquina térmica real

no puede alcanzar esta máxima eficiencia teórica por que es imposible

eliminar por completo las irreversibilidades relacionadas con el ciclo real.

-El refrigerador y la bomba de calor

Hemos analizado el ciclo de Carnot aplicado a la obtención de trabajo, pero

podemos también hacer que éste funcione al revés. Así, si ahora hay trabajo

neto sobre el sistema se tendrá calor neto saliendo del sistema. Habrá una

cantidad de calor Q2 expelida en el reservorio de calor de la temperatura

más alta y una cantidad de calor Q1 absorbida en el reservorio de calor de la

temperatura más baja. El primero de estos es negativo según nuestra

convención de signos y el último es entonces positivo. El resultado es que el

trabajo neto realizado en el sistema, permite al calor que se extrae de la

fuente de baja temperatura sea expedido por el sistema a un reservorio de

alta temperatura. El ciclo y las transferencias de calor y de trabajo se indican

en la figura (). En este modo de operación el ciclo trabaja como un

refrigerador o bomba de calor. Ya que ``pagamos'' con el trabajo, y

``conseguimos'' una cantidad de calor extraída, .una métrica para los

dispositivos de este tipo es el coeficiente de funcionamiento (coeficiente of

performance, cop), definido como

Figura: Operación de un refrigerador de Carnot

Para un ciclo de Carnot conocemos los cocientes entre calor que entra y el

calor que sale cuando el ciclo está operando y ya que el ciclo es reversibles,

estos cocientes son iguales cuando el ciclo funciona al revés El coeficiente

de funcionamiento se da así en términos de temperaturas absolutas como

y este pude ser más grande que la unidad.

Los ciclos de Carnot que han sido expuestos se basan en el comportamiento

del gas ideal. La eficiencia del ciclo de Carnot es independiente del tipo de

fluido de operación como veremos posteriormente.

Enunciado de Clausius:

Resulta deseable construir un refrigerador que pueda realizar su proceso con

el mínimo de trabajo. Si se pudiera construir uno donde el proceso de

refrigeración se realice sin ningún trabajo, se tendría un refrigerador perfecto.

Esto es imposible, porque se violaría la segunda ley de la termodinámica,

que es el enunciado de Clausius de la segunda ley (Rudolf Clausius, alemán

1822-1888):

“Es imposible construir una máquina cíclica, que no tenga otro efecto que

transferir calor continuamente de un cuerpo hacia otro, que se encuentre a

una temperatura más elevada”.

En términos sencillos, el calor no puede fluir espontáneamente de un objeto

frío a otro cálido. Este enunciado de la segunda ley establece la dirección del

flujo de calor entre dos objetos a diferentes temperaturas. El calor sólo fluirá

del cuerpo más frío al más cálido si se hace trabajo sobre el sistema.

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Representaicon esquematica de Clausius