PROCESOS REVERSIBLES

CICLO DE CARNOT

Un proceso es reversible cuando permite que un sistema termodinámico evolucione entre dos estados a través de infinitos estados intermedios de equilibrio.

Esto supondría que el cambio es tan lento que las variables de estado (T, P, U, ...) estarían siempre bien definidas y la evolución del sistema podría ser revertida con un cambio infinitesimal de ellas.

Si encadenáramos dos procesos reversibles que hicieran retornar el sistema a su estado inicial, nada habría cambiado ni en el sistema ni en el entorno.

Evidentemente un proceso reversible no es real. Todos los procesos reales tienen un nivel mayor o menor de irreversibilidad. Para acercarnos a la reversibilidad habría que eliminar rozamientos y realizarlos lo más lentamente posible.

INDICE

- ¿Qué es la Termoquímica?

- Calor y trabajo

- Energía Interna

- Primer Principio Termodinámica

- Calor a volumen y a presión constantes

- Entalpía estándar de reacción

- Procesos Espontáneos

- Procesos reversibles.

- Máquinas térmicas. Ciclo Carnot

- Entropía. Segundo Principio Termodinámica

- Cambios de Entropía

- Entropía. Boltzmann

- Entropía absoluta. Tercer Principio de la Termodinámica

- Espontaneidad reacciones químicas. Entropía

- Espontaneidad reacciones químicas. Energía Libre Gibbs

- Balance energético pila combustible

- Caracterización funciones termodinámicas

Sadi Carnot

A lo largo de la primera mitad del siglo XIX, en un trabajo pionero a caballo entre la ingeniería y la nueva ciencia del calor, Sadi Carnot estableció una serie de principios que más adelante permitirían establecer el concepto de entropía y el segundo principio de la termodinámica. En resumen las aportaciones de Carnot se pueden resumir de la siguiente manera:

• Aunque se evitaran todos los rozamientos e imperfecciones, en una máquina térmica hay una parte de calor que se pierde, es decir, que no puede realizar trabajo.

• Distingue entre procesos reversibles e irreversibles siendo capaz de imaginar una máquina térmica (ideal) que opere con procesos reversibles.

• Demuestra que en una máquina térmica ideal (reversible) que opere con el ciclo de Carnot (expansión isoterma, expansión adiabática, compresión isoterma y compresión adiabática), el rendimiento es máximo y depende únicamente de las temperaturas de los focos calientes y frio utilizados.

CUÁNTO MÁS REVERSIBLE SEA UN PROCESO DE EXPANSIÓN, MÁS TRABAJO PRODUCIRÁ.

CUÁNTO MÁS REVERSIBLE SEA UN PROCESO DE COMPRESIÓN, MENOS TRABAJO NECESITARÁ.

Expansión-Compresión isoterma de un gas ideal

En el ejemplo siguiente pondremos la atención en una transformación sencilla, no cíclica, que nos permitirá entender las limitaciones que imponen los procesos irreversibles. Calcularemos el trabajo realizado en la expansión y compresión isotérmicas de un gas ideal. En él demostraremos que cuanto más irreversible sea el proceso (es decir, cuanto menos etapas tenga) menos trabajo realizará en la expansión y, de igual manera, más trabajo se necesitará para retornar el sistema expandido a la situación inicial comprimida. Hay que tener en cuenta que si el proceso es isotermo, la energía interna del sistema no cambia, por tanto, los valores absolutos del calor y del trabajo intercambiados con el entorno serán iguales.

∆U = Q + W

∆U = 0

Q = - W

Supongamos un cilindro capaz de ser mantenido a temperatura constante que contiene un gas ideal. En él haremos una compresión desde V=2,24 L y P = 10 atm hasta V=22,4 L y P = 1 atm. Para este proceso calcularemos el trabajo realizado por el sistema (negativo) en cuatro supuestos diferentes: proceso en un paso, en dos pasos, en tres pasos y en infinitos pasos de equilibrio (proceso reversible). Asimismo, repetiremos el cálculo del trabajo absorbido por el sistema (positivo) cuando el cilindro es comprimido desde V=22,4 L y P = 1 atm hasta V= 2,24 L y 10 atm. En este caso también supondremos los mismos cuatro supuestos que en la expansión.

IMPORTANTE: la expansión isoterma de un gas proporciona más trabajo cuanto más reversible sea el proceso, es decir, cuanto más etapas de equilibrio contenga (desde -20 atmL en una etapa a -52 atmL en infinitas etapas, o sea, en el proceso reversible). La expansión isoterma reversible es la que proporciona el trabajo máximo. De manera similar, la compresión isoterma de un gas necesita de más trabajo cuantas menos etapas contenga (52 atmL con infinitas etapas y 202 atmL con una sola etapa). El trabajo de compresión es mínimo en el proceso reversible. Desde el punto de vista ingenieril, los procesos reversibles son los que proporcionan más beneficios y necesitan menos costes.

EN LOS PROCESOS CÍCLICOS IRREVERSIBLES EL ENTORNO CAMBIA, EN LOS REVERSIBLES NO

¿Qué ocurre si establecemos un proceso cíclico combinando la compresión y expansión del gas ideal?.

En una expansión  reversible se cede al entorno la mayor cantidad de trabajo -52 atmL y en una compresión reversible se necesita tomar del entorno la menor cantidad de trabajo 52 atmL. Como el valor absoluto de ambas cantidades es el mismo, si imagináramos un proceso cíclico realizando esta expansión y compresión reversibles de manera consecutiva, el sistema y el entorno volverían a su estado inicial, nada habría cambiado en ellos porque las cantidades de trabajo y calor intercambiadas son iguales y de signo contrario.

Sin embargo, en cualquier otro caso eso no ocurre. Por ejemplo, si utilizamos tres pasos en lugar de infinitos, la expansión libera -33 atmL de trabajo, pero la compresión necesita 85 atmL que han de ser tomados del entorno. En este caso (ciclo irreversible), al final el sistema volvería a su situación inicial, pero no así el entorno.

IMPORTANTE: En la expansión isoterma, reversible o no, la suma del calor y el trabajo intercambiados debe ser siempre igual a cero. Lo que cambia es el valor absoluto de esas magnitudes dependiendo del grado de irreversibilidad del proceso. Cuando más irreversible sea, más pequeños serán en la expansión y mayores en la compresión.

CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot está formado por cuatro etapas, supuestas reversibles:

EXPANSIÓN ISOTERMA (Entrada calor)

EXPANSIÓN ADIABÁTICA

COMPRESIÓN ISOTERMA (Salida calor)

COMPRESIÓN ADIABÁTICA.

Si suponemos que en la máquina térmica que operara con este ciclo el foco caliente está a una temperatura Tc y el foco frío a una temperatura Tf, podemos calcular las variaciones de energía interna y cantidades de calor y trabajo intercambiados en cada una de sus etapas.

Se demuestra que en este ciclo el rendimiento sólo depende de las temperaturas de los focos caliente y frío. Por otra parte, este rendimiento es el máximo que puede alcanzar cualquier máquina térmica con el mismo intervalo de temperaturas.