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Reversibilidad e irreversibilidad en procesos naturales

Comenzamos examinando una rueda con paletas en un recinto aislado lleno de algún fluido como se muestra en la figura (38).

Figure 38: Rueda con paletas en el estado inical y final.
Image 4_1_1_Ruedavolante

Una pregunta que se podríamos hacer es \textquestiondownPodemos comenzar con el estado B y después permitir a los eventos llegar al estado A? \textquestiondownPor qué si o por qué no? La primera Ley no restringe la direccionalidad del evento sólo se encargara de la conservación de la energía.

Una de las propiedades del estado A es que la energía está organizada de una cierta forma, las moléculas en la rueda con paletas tienen cierto movimiento circular, y podríamos extraer un cierto trabajo usando la energía cinética de la rueda para levantar un peso. En el estado B, en cambio, la energía se asocia al movimiento desorganizado a escala molecular. La temperatura del fluido y la rueda son más altas que en el estado A, así que podríamos obtener trabajo al utilizar un ciclo de Carnot, pero sería mucho menor que el trabajo que podríamos extraer en el estado A. Hay una diferencia cualitativa entre estos estados, que necesitamos poder describir de manera más exacta.

Un punto complicado a tratar sería \textquestiondownpor qué la disponibilidad para realizar trabajo es menor en B? \textquestiondowncómo sabemos que esta afirmación es cierta?

Otro ejemplo es un sistema integrado por muchos ladrillos, la mitad de dichos ladrillos tienen una temperatura alta $ T_{H}$ en comparación con la otra mitad de ladrillos que tiene una temperatura baja $ T_{L}$ como se muestra en la figura (4.1). Con los ladrillos separados térmicamente, tenemos en principio la capacidad de obtener trabajo a través de un ciclo operando entre las dos temperaturas. Supongamos que ponemos dos ladrillos juntos. Usando la primera ley podemos escribir

$\displaystyle CT_{H}+CT_{L}$ $\displaystyle =2CT_{M}$    
$\displaystyle \left( T_{H}+T_{L}\right) /2$ $\displaystyle =T_{M}%
$ (189)

donde $ C=\Delta Q/\Delta T$ es la capacidad calorífica. (Para sólidos las capacidades caloríficas a presión o volumen constantes son esencialmente las mismas). Hemos perdido la capacidad de realizar trabajo de estos dos ladrillos.

Image 4_1_2_Ladrillos

\textquestiondownPodemos restaurar el sistema al estado original sin contacto con el exterior? La respuesta es NO. \textquestiondownPodemos restaurar el sistema al estado original con el contacto con el exterior? La respuesta es Si. Podríamos operar un refrigerador al tomar calor de un ladrillo y ponerlo en el otro, pero tendríamos que realizar trabajo..

Podemos pensar en el proceso total que implica el sistema (los dos ladrillos en un arreglo aislado) y los alrededores (el resto del universo) como:

El sistema cambió

Los alrededores permanecen sin cambio.

El sistema compuesto, que es el sistema y los alrededores, cambió al poner los ladrillos juntos. El proceso no es reversible, es decir, es un proceso irreversible ya que no hay manera de deshacer el cambio y de no dejar ninguna marca o rastro en los alrededores. \textquestiondownCuál es la medida de cambio en los alrededores? 1.\textquestiondownEs la Energía? Esta se conserva . 2.\textquestiondownDisponibilidad del trabajo? Esta decrece. La medida y la caracterización de este tipo de cambio, de perder la capacidad de hacer el trabajo, es el tema de la Segunda Ley de la Termodinámica


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Oscar Jaramillo 2007-05-03