Los puntos complicados del capítulo 4

1. Por que la disponibilidad de realizar trabajo en la rueda con paletas en un recinto aislado lleno de algún fluido (como se muestra en la figura (38)) decrece en el caso B? Cómo sabemos esto?.

Figure 48: Rueda con paletas en el estado inical y final.

En el estado A, la energía está en forma organizada y las moléculas se mueven a lo largo de las trayectorias circulares alrededor de la rueda que girara. Podríamos obtener trabajo de este sistema usando toda la energía cinética de la rueda y por ejemplo levantar un peso. La energía del sistema en el estado B (rueda volante que no gira) se asocia al movimiento desorganizado de las partículas (en la escala molecular). La temperatura en el estado B es más alta que en el estado A. Podríamos también extraer trabajo del estado B operando por ejemplo un ciclo ideal de Carnot entre $T_{B}$ y un reservorio de calor en una temperatura más baja. No obstante el trabajo que conseguiríamos de este ciclo ideal de Carnot es menor que el trabajo que obtenemos del estado A (toda la energía cinética), porque debemos expeler un cierto calor cuando convertimos calor en el trabajo (no podemos convertir el calor en 100% trabajo). Aunque la energía del sistema en el estado A está igual que en el estado B (sabemos que esto a partir de la Primera Ley) la ``organización'' de la energía es diferente, y así la capacidad de hacer el trabajo es diferente.

2. En la expansión isotérmica reversible, $P_{\text{externa}}=$

$constante.$ Si es así, cómo podemos tener que $P_{\text{externa}}\approx P_{\text{sistema }}$

Para un proceso reversible, si la presión externa fuera constante, necesitaría ser una fuerza que empuja sobre el pistón y el proceso se podría considerar cuasiestático. Esta fuerza podríamos hacerla nosotros, podría ser obtenida de un sistema de pesos, o podría provenir de cualquier otro fuente de trabajo. Bajo estas condiciones la presión del sistema no estaría necesariamente cerca de la presión externa pero tendríamos

$$P_{\text{sistema }}\cong P_{\text{externa}}+F_{\text{Trabajo recibido}% }/A_{\text{pist\'{o}n}}%$$

Podemos por supuesto pensar en una situación en la cual la presión externa varió y que estuvo siempre cerca a la presión de sistema.

3. Porqué en la expansión libre el trabajo realizado es igual a cero?

En este problema, todo el sistema está dentro del envase rígido. No hay cambio en el volumen, ningún ``$dV$'', así que no hay ningún trabajo realizado en los alrededores. Los componentes del gas pudieron expandirse, empujar a otras componentes del gas y hacer trabajo local dentro del envase (y de otros componentes se comprimieron y recibir así el trabajo también de manera local). Durante el proceso de expansión libre consideramos el sistema en su totalidad por lo que no hay trabajo neto realizado

4. La irreversibilidad se define por dejar o no una marca en el medio exterior?

Un proceso es irreversible cuando no hay manera de deshacer el cambio sin dejar una marca en los alrededores o ``el resto del universo.'' En el ejemplo con los ladrillos, podríamos deshacer el cambio poniendo un refrigerador de Carnot entre los ladrillos Para hacer esto tenemos que proveer trabajo al refrigerador y también expeler un cierto calor a los alrededores. Así dejamos una marca en el ambiente y el proceso es irreversible.

5. Es la transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperaturas solamente irreversible si no hay dispositivo presente entre los dos para transformar la diferencia de potencial?

Si tenemos dos depósitos del calor a diferentes temperaturas, la irreversibilidad asociada con la transferencia del calor de uno al otro es de hecho dependiente de que se encuentra entre ellos. Si hay una barra de cobre entre ellos, todo el calor que sale del depósito de alta temperatura entra el depósito de la baja temperatura. Si hubiera un ciclo de Carnot entre ellos, parte del calor (pero no todo) del depósito de alta temperatura sería transferido reservorio o sumidero de baja temperatura, el proceso sería reversible, y el trabajo se habría realizado. El grado de irreversibilidad del proceso para cualquier dispositivo puede ser determinado calculando el cambio total de la entropía (dispositivo más alrededores) asociado al traspaso térmico.